降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

长江上游坡耕地细沟径流水动力学特征研究

以长江上游为研究区域,选取了5个试验点,5种主要耕作土壤类型,进行大田人工模拟径流实验,并对坡耕地细沟径流水动力学特征进行了分析。结果表明:细沟径流流速随流量的增大而增大,且流速与流量呈幂函数关系,其指数值在0.23～0.52之间;各试验土壤的细沟径流雷诺数在250～2 500之间,其流态介于层流与紊流的过渡范围,雷诺数随着放水流量的增大而迅速增大,流量在2～4L/min之间存在一个临界值,使得细沟径流由层流向紊流转化;各试验土壤在不同流量下的细沟径流佛汝德数在1.39～2.55之间,表明细沟径流均处于急流范畴;阻力系数在0.2～0.8之间,不同试验土壤在不同流量下的阻力系数差异很大,阻力系数与雷诺数没有明显的相关性。     

陡坡面发育的细沟水动力学特性室内试验研究

为了为黄土高原陡坡水蚀预报模型的建立提供科学依据,通过组合不同坡度（21°、24°、27°）、不同流量（6.5、8.5、10.5 L/min）的陡坡室内放水冲刷试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明,在试验的坡度和流量范围内,坡面流的雷诺数Re在798～4620之间变化,且雷诺数Re变化幅度随冲刷历时的增大而增大。而坡面流弗劳德数Fr在整个试验过程中均大于1,表明坡面流处于急流范围。坡面流阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大,其变化还受坡度的影响。坡面在径流冲刷侵蚀过程中,流速随冲刷时间的延长和冲刷形态的变化呈现出先减小后增大又减小的变化趋势。     

黄土区野外模拟降雨条件下坡面径流—产沙试验研究

降雨及径流所引起的水力侵蚀产沙问题,是当今世界上最大的环境问题之一。通过野外模拟降雨试验,研究不同雨强下不同下垫面降雨侵蚀产流、产沙、入渗等的相关规律。研究结果表明:雨强90mm/h时,原生地径流量最大,达到28.4L/min,林草地径流量最小,在4.1～7.6L/min之间波动,雨强120mm/h时规律保持一致,原生地达到36.05L/min,林草地为6.85～10.88L/min;产沙量规律为荒地最大,林草地最小,荒地在两种雨强下产沙量分别为45.77～252.94g和52.76～162.48g,林草地分别为2.82～6.99g和7.33～40.24g;入渗规律为林草地最大,原生地最小,其中小雨强时林草地入渗率为1.18mm/min左右,原生地为0.09mm/min左右,大雨强时林草地为1.42mm/min左右,原生地为0.12mm/min左右。这些规律之间均有很好的相关性,产沙量与径流量大时其入渗率就小。说明地表有植被覆盖时可以增大入渗率,减小径流,产沙量。雨强不同时其规律保持一致。该研究对于深入理解流域产流产沙过程具有十分重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持,也可为今后水土保持与生态建设提供重要科学依据。     

降雨条件下风速对迎风坡坡面细沟侵蚀特征的影响

[目的] 为明确风力作用下迎风坡坡面细沟侵蚀特征。[方法] 采用人工模拟风驱雨试验,研究在不同风速条件(0,3,5,7 m/s)下迎风坡坡面水沙过程变化规律及细沟形态特征。[结果] 与无风坡面相比,迎风坡面产流时间和跌坎出现时间分别增加20.59%~47.06%和33.10%~137.78%,坡面平均流速减小12.86%~22.53%;产流率和产沙率随风速的增加而显著减少(p＜0.05),不同风速条件下,迎风坡面产流率变化趋势相近,随着降雨进行产流率逐渐增加,一段时间后保持稳定,不同风速下的阶段性无明显差异。产沙率随降雨历时的延长整体呈先迅速增加后缓慢下降并趋于稳定趋势,产沙率发生变化的节点与跌坎出现时间基本一致。细沟宽度、深度及其波动程度随着风速的增加而减小;细沟宽度、深度及其波动程度随着风速增加而减小;细沟宽深比和细沟倾斜度分别为1.40~1.69和13.47°~14.76°,均随着风速的增加而增大;不同风速条件下,细沟体积、细沟割裂度和细沟密度分别为4.39×10³~10.27×10³ cm³,0.024~0.042,2.03~2.92 m/m²,三者均随风速的增加而减小。[结论] 细沟体积、细沟密度和割裂度与坡面侵蚀量均呈极显著正相关关系,是表征迎风坡坡面细沟形态的优选指标。     

不同降雨强度及坡度条件下饱和紫色土坡面细沟形态特征

坡面细沟形态特征的定量分析是研究细沟侵蚀的基础。通过设计3种降雨强度(30,60,90 mm/h)和5种坡度(2°,5°,10°,15°,20°)组合条件下的人工降雨模拟试验,定量研究饱和紫色土坡面降雨强度及坡度对细沟形态及其空间变化特征的影响。结果表明：饱和紫色土坡面细沟平均宽度、深度和细沟宽深比分别为3.44～9.64 cm、1.01～8.14 cm和1.18～3.87,细沟宽度和深度沿坡面从上至下整体均表现出先增大后减小的趋势,细沟宽深比沿坡面表现为上坡<中坡<下坡的变化特征。整体来看,坡面细沟宽度和深度均与降雨强度和坡度呈正相关关系,且降雨强度和坡度对坡面细沟宽度的影响相近,而坡度对细沟深度的影响较降雨强度更显著;细沟宽深比与降雨强度和坡度呈负相关关系,且坡度对坡面细沟宽深比的影响显著大于降雨强度的影响。研究结果对认识饱和土壤坡面细沟侵蚀形态变化规律、进一步探究坡面细沟发育过程具有重要参考价值。     

基于模拟降雨的坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征研究

利用水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室全自动人工降雨系统,对人工模拟的裸露坡沟系统进行了3组不同降雨强度的模拟试验,对坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征进行了分析。结果表明:坡沟系统侵蚀产沙量随降雨历时增加呈波动增加趋势,沟谷中部和坡面过渡区域侵蚀发育较早且发展最快,沟谷产沙及沟谷径流含沙量对坡沟系统出口径流含沙量的贡献最大,坡沟系统中沟谷中下部和坡面-沟谷过渡区域为侵蚀易发区域。在实践中建议采取工程和植物措施,着重治沟、兼顾治坡,有助于控制黄土高原沟道的侵蚀产沙。     

黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验

为了研究坡沟系统中坡面与沟道之间的侵蚀产沙关系,该研究采用双坡段（坡面和沟坡）组合模型,通过室内放水冲刷试验,结合REE示踪技术,研究了黄土高原地区径流的水动力学特性。结果表明：在试验流量范围内,坡沟系统径流雷诺数变化位于342.3～858.8之间,且变化幅度随冲刷历时的增大而增大;弗罗德数变化位于1.36～8.92之间,且具有时空分异特征。相同流量下,坡沟系统的坡面径流流速沿程有先增大后减小的趋势,在从坡面向沟坡过渡时,各流量下的流速均达到极小值,进入沟坡以后,流速又开始增大。当流量相同时,Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数沿程均呈先减小后增大然后再减小的趋势。该研究为黄土高原坡沟系统侵蚀产沙模型的建立提供理论依据。     

间歇性降雨条件下辽西地区坡面细沟形态特征变化试验研究

风蚀和水蚀相互作用是我国北方半干旱地区水土流失的重要原因。以辽西地区风水蚀综合作用区为例,利用实验室试验的方式对辽西地区坡面细沟形态特征变化进行研究,获得了黄土坡面与覆沙黄土坡面在间歇性降雨条件下的细沟形态参数变化特征及其相关关系,结果表明:前两场降雨是黄土坡面细沟的快速形成阶段,而后续场次降雨是细沟稳定发育阶段;覆沙黄土坡面在第三场降雨后细沟发育基本稳定,其侵蚀程度要大于黄土坡面;黄土坡面和覆沙黄土坡面细沟的累计长度、平均宽度和平均沟深之间均呈现出较好的线性关系,属于一个相互耦合的协同作用系统。     

工程堆积体坡面细沟形态发育及其与产流产沙量的关系

为揭示工程堆积体坡面细沟形态动态变化规律以及细沟形态指标与侵蚀产流产沙量之间的关系,选取5、9、13和17 L/min 4个放水流量,模拟0.5、1.0、1.5和2.0 mm/min雨强条件,对24°、28°和32°共3个坡度工程堆积体进行冲刷试验,选取沟深、沟宽、宽深比和断面积等指标刻画侵蚀过程中细沟形态变化。结果表明：1）随冲刷历时增加,在前9 min内沟宽和沟深快速发育,沟宽发育宽度占总宽度的57%～90%,沟深发育深度占总深度的38%～73%;2）宽深比随冲刷延长呈先减小后趋于稳定的变化过程,宽深比在0～27 min内快速减小,细沟沿流程纵深方向发育的能力减弱,在27 min之后保持稳定,最终恒定在0.81～1.48,表明细沟断面形态最终大致呈矩形形状;3）沟宽和沟深均随流量的增大而增大,与坡度相比流量对细沟发育的影响更显著;4）沟宽和沟深与放水时间之间存在对数函数关系,断面积与放水时间之间存在线性函数关系,沟宽与径流量之间存在指数函数关系,沟深与径流量、断面积与累计产沙量和累计径流量之间存在幂函数关系。坡面细沟形态的发育过程存在时间差异性,断面积可用来描述侵蚀量的变化过程,宽深比可作为表征工程堆积体坡面细沟发育方向和能力的重要指标。该研究可以为工程堆积体坡面细沟形态指标的动态变化量化提供参考。     

黄土区土质道路人工降雨及放水试验条件下产流产沙特征

为了研究土质路面草本植被降低水土流失的作用,采用室内人工降雨及放水试验的方法比较了裸露路和植物路的产流产沙过程及径流水动力学特征,结果表明：相对于裸露路,不同覆盖度植物路总径流量降低幅度为3.94%～ 25.10%,总泥沙量降低幅度为9.65%～45.69%;在大致相同放水量条件下,植物路的土壤侵蚀速率、径流流速和过水断面单位能量均低于裸露路;植物路的Darcy-weisbach阻力系数和曼宁糙率系数分别是裸露路的2.62～9.00倍和1.74～ 3.53倍;植物路通过降低径流流速、减小过水断面单位能量和增大路面粗糙度及径流阻力起到减轻道路侵蚀的作用。该文为广大土质山坡道路侵蚀防治和植物路铺设提供理论支持。     

模拟降雨条件下地貌发育与侵蚀产沙的关系

地貌是影响流域侵蚀产沙的关键因素之一,为了进一步研究地貌发育与侵蚀产沙的关系,该文以小流域概化模型为对象,运用模拟降雨试验方法,以高精度摄影测量和GIS技术为手段对流域地貌发育过程及侵蚀产沙强度变化规律进行了研究。结果表明,产沙速率（Gt）、降雨产沙强度（Gp）和平均输沙强度（M）都随着流域地貌发育过程呈现先增大后减小的变化趋势;在流域地貌发育过程中,存在临界地面裂度（32%左右）和临界相对体积（65%左右）,使降雨产沙强度和平均输沙强度的变化趋势由递增变化为递减。这种临界现象对更深入地研究流域地貌发育及其与侵蚀产沙的关系具有重要理论意义,同时说明地面裂度和相对体积可以作为流域发育程度的指标。     

非硬化路面侵蚀产沙规律野外模拟试验

为了科学治理非硬化路面水土流失,采用野外放水冲刷试验,对非硬化路面侵蚀产沙规律进行了试验研究。结果表明,同一坡度不同放水流量与同一放水流量不同坡度条件下,非硬化路面产沙随时间的变化形式均有3种,分别为平缓型、多峰型和单峰型。对同一路面不同观测断面的产沙量分析发现,产沙量沿坡面的空间变化形式分别为波动式减小、逐渐式减小和先增大后减小。、得出平均含沙量与放水流量呈对数相关,产沙率与放水流量、平均含沙量与坡度、产沙率与坡度均呈直线相关。以期为非硬化路面的水土流失预测和治理提供科学依据。     

降雨强度、坡度及坡长对细沟侵蚀的交互效应分析

为了对细沟侵蚀影像因素的交互效应分析方法进行探索,通过2个降雨强度(1.5和2 mm/min)、4个坡度(10°、15°、20°、25°)和2个模拟坡长(5、10 m)进行室内模拟降雨试验,采用回归分析的方法来探讨降雨强度、坡度及坡长对坡面产流、产沙及水流速度是否存在交互效应。结果显示:1)以单宽产流速率作为试验中坡面产流的表征指标,对其有显著影响的是降雨强度、坡度的主效应,以及坡长坡度的交互效应;2)含沙量是由降雨强度及坡度共同作用的结果;3)细沟间片流流速主要受降雨强度、坡度、距坡顶距离主效应的促进影响,无交互效应存在,而细沟间水流的变化中不仅有3因素的正向主效应影响,而且坡度与距离的交互效应也对其影响显著,但此交互效应表现为负。     

不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征

为研究解决南方侵蚀性风化花岗岩地区的水土流失问题,该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下的风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程。结果表明:1)坡面径流的初始产流产沙时间都随着坡度和雨强的增大而提前;2)坡面径流量与坡度之间不呈简单的正相关关系,径流系数随雨强的变化呈现指数相关关系,入渗率在雨强为30~120 mm/h之间在坡度8°左右出现极大值;3)侵蚀产沙量随坡度和雨强的增大而增大,其与坡度之间的关系可以用幂函数表示,决定系数均达到0.815,与雨强之间为指数函数关系,决定系数均达到0.889以上;4)水力侵蚀对泥沙具有分选性,径流侵蚀挟带泥沙中的粉粒、黏粒以及细砂粒含量较多;5)坡度和雨强对于侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述,对产沙量的影响权重排序为:含沙量雨强径流系数坡度。     

不同降雨强度下黄土区冻土坡面产流产沙过程及水沙关系

为了明确降雨对冻土坡面侵蚀的作用机理,探讨冻土和未冻土在不同水力条件下侵蚀之间的差异。通过室内模拟降雨试验,采用3种降雨强度(0.6,0.9,1.2 mm/min)对比定量研究冻土坡面和未冻土坡面产流产沙过程及水沙关系。结果表明:在0.9、1.2 mm/min雨强下,冻土坡面的产流时间相对对照坡面提前了18.7,6.4 min。冻土坡面径流量、侵蚀量均远大于对照坡面,在0.9,1.2 mm/min雨强下径流量分别是对照坡面的1.16,1.19倍,侵蚀量分别是对照坡面的10.40,6.40倍。随着降雨进行,坡面产生不同程度的细沟,其中,冻土坡面相比对照坡面细沟出现时间分别缩短了18 min,22 min,且冻土坡面细沟侵蚀量占总侵蚀量的79%～92%,此比例大于同雨强下的对照坡面。两种坡面的累计径流量与累计产沙量之间满足y=kx+b的线性关系,在细沟间侵蚀阶段,冻土坡面的k值是对照坡面的8.48～9.02倍,而在细沟侵蚀阶段,则为对照的3.68～7.50倍。研究结果表明细沟侵蚀是冻土坡面土壤侵蚀率增大的主要原因,而冻结层的阻水作用是导致坡面上细沟出现时间提前的最重要因素。该研究可以为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考价值。     

人工模拟降雨下汶川震区滑坡堆积体产沙规律

为明确震区滑坡堆积体坡面产沙的特点,该文采用室内人工模拟降雨试验,对不同土石比(质量比为1:1、1:2、1:4)的滑坡堆积体侵蚀产沙规律进行研究。结果表明,同一土石比不同降雨强度与同一雨强不同土石比条件下,震区滑坡堆积体产沙随时间的变化形式,为波动型和平缓型。土石比和雨强对滑坡堆积体径流含沙量有显著影响,即当滑坡堆积体土石比为1:1时,稳定产沙率随着雨强增大而增大,即2.80 g/min(1.0 mm/min)7.76 g/min(1.5 mm/min)10.84 g/min(2.0 mm/min);在土石比为1:2雨强1.0 mm/min时没有产流产沙,1.5 mm/min雨强条件下的产沙率小于雨强2.0 mm/min的产沙率;土石比为1:4的滑坡堆积体在整个试验过程中没有产流产沙。土石比与平均产沙率、累积产沙量的偏相关系数相比于雨强更大,累积径流量和累积产沙量为极显著线性关系。研究为汶川震区滑坡堆积体的水土流失预测和治理提供理论依据。     

长期野外监测红壤裸露坡地侵蚀性降雨分布及产沙分析

侵蚀性降雨及其侵蚀泥沙分布特征研究是掌握土壤侵蚀规律的基础,同时也可为水土保持综合治理提供理论依据。研究选择红壤裸地坡面径流小区为研究对象,利用实际观测法收集到2001-2016年的565次长序列侵蚀性降雨及其径流泥沙资料,运用数理统计方法分析侵蚀性降雨及其泥沙的发生频率和强度的分布特征,在此基础上分析降雨类型对侵蚀产沙的影响。研究结果表明,研究区侵蚀性降雨量占总降雨量的87.82%,主要分布在降雨量为25 mm以上和降雨强度5mm/h以下的降雨事件。次降雨侵蚀强度小于100t/km~2的侵蚀次数占总次数的76.81%,而其侵蚀总量只占总量的7.28%;侵蚀强度大于500t/km~2的降雨侵蚀次数只占总次数的6.36%,但其侵蚀泥沙量可占总量的60.96%,次降雨侵蚀产沙量分布极为不均。降雨量25～100mm且平均雨强小于20mm/h的降雨类型造成研究区土壤侵蚀量最大。次降雨量100 mm和降雨强度20 mm/h可作为红壤裸露坡地水土流失防御的设计暴雨特征值。研究结果有助于揭示红壤坡地次降雨侵蚀规律和水土保持措施布设。     

密云水库上游流域次降雨坡面产流产沙特征

以北京市密云县石匣小流域为研究区,利用2006-2010年连续5 a的坡面径流试验小区观测资料,运用统计方法,分析了密云水库上游流域的降雨、产流产沙特征以及在不同土地利用和不同坡度条件下,降雨量、降雨强度与产流、产沙之间的关系。结果表明:1)该研究区域水土保持治理措施实施的关键时间为每年的7、8月份,当降雨量大于10 mm时,应注意采取水土保持措施;2)在裸地、耕地和林地条件下,高雨量、中雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型,在草地条件下,中雨量、高雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型;3)中雨量高雨强型降雨条件下,林地的减流效益最好,低雨量低雨强型降雨和高雨量中雨强型降雨条件下,耕地的减流效益相对较低,草地和林地的减流效益差异不大;在3种不同雨型条件下,耕地、草地和林地的减沙效益差别不大;4)裸地条件下,降雨量与产流量间的关系更为密切,尤其在14.4°坡面下相关性最高;耕地条件下,产流量与降雨量的相关性较好,产沙量则与降雨强度的相关性较好,11.4°的坡面产流量、产沙量与降雨因子间的相关系数最高;草地条件下,降雨强度与产流量间的关系较为密切;林地条件下,产流量、产沙量与降雨因子间的相关性均不显著。研究结果可为密云水库上游水土保持措施及农业面源污染管理措施的科学实施提供依据。     

黄土区坡耕地耕作对浅沟径流产沙及其形态发育特征的影响

为研究耕作对浅沟径流产沙及形态发育特征的影响,在野外调查的基础上,设计坡度(15°、20°、25°)、雨强(1.0、1.5、2.0 mm/min)及放水流量(7.53~23.45 L/min)3个处理,采用室内模拟降雨和放水冲刷的方法,测定了不同处理下浅沟径流量、产沙量。结果表明:1)2种浅沟水流均为紊流,耕作使浅沟水流雷诺数和弗劳德数分别减小0.95%~30.77%、2.64%~39.14%,阻力系数和糙率系数分别增加4.01%~58.82%、0.88%~27.87%;2)试验条件下,耕作使浅沟土壤剥蚀率增大9.48%~37.87%,未耕作与耕作浅沟土壤剥蚀率分别与坡度—流量交互作用、雨强—坡度交互作用呈极显著线性关系,土壤剥蚀率与径流剪切力、径流功率及单位径流功率均呈显著的线性关系,未耕作浅沟发生剥蚀的临界剪切力、临界功率及临界单位径流功率分别为17.576 N/m2、5.036 W/(m2·s)、0.0381 m/s,耕作浅沟为10.585 N/m2、3.544 W/(m2·s)、0.0277 m/s;3)耕作使浅沟宽度增加1.98%~31.79%,浅沟面积增大0.84%~32.03%,下切深度降低2.82%~26.67%;4)耕作使浅沟土壤侵蚀量增加0.91%~22.80%,未耕作和耕作浅沟土壤侵蚀量分别占坡面土壤侵蚀总量的44.09%~74.16%和42.44%~56.44%,与雨强—流量交互作用均呈极显著的线性函数关系。结果可为该区浅沟侵蚀预测模型的建立及农业生态环境安全与保护提供科学依据。