模拟降雨条件下崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系

[目的]研究崩积体坡面产流产沙特征及其响应关系,为崩岗治理提供理论基础与科学依据。[方法]通过室内模拟降雨试验,探讨不同覆盖度(0%,25%,50%,75%,100%)和坡度(25°,30°,35°)组合坡面在90mm/h雨强条件下的产流产沙时空特征及其响应关系。[结果]不同覆盖度和坡度条件下,坡面产流时间的变化范围在33~292s;同一坡度条件下,坡面产流时间与覆盖度呈线性正相关关系;同一覆盖度条件下,坡面产流时间与坡度呈幂函数关系。通过双因素方差分析可知,坡度对径流量的影响达到极显著水平,覆盖度对产沙量的影响达到显著水平。当坡度为25°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为50%;当坡度为30°时,坡面产沙总量的临界覆盖度为75%;当坡度为35°时,坡面径流量的临界覆盖度为50%。[结论]针对不同坡度崩积体坡面,可以选择合适的秸秆覆盖度以达到较好的水土保持效果。     

坡度和雨强对花岗岩崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,具有土质疏松、粗颗粒含量高、坡度大、易侵蚀的特征。该研究利用人工模拟降雨试验,对不同雨强（1.00,1.33,1.67,2.00,2.33 mm/min）和坡度（20°,25°,30°,35°,40°）下的崩积体细沟发生、发育及形态特征进行分析。研究结果表明:发生细沟的时间随着坡度和雨强的增大而缩短;随着雨强的增大,沟头离坡顶的距离越短,沟宽和沟深增大,但细沟密度差异不明显;随着坡度的增大,垂向作用增加,但横向扩张能力相应地降低,造成坡面侵蚀深度增大,宽深比减小;随着雨强和坡度的增大,侵蚀方式从片蚀为主逐渐转变至细沟侵蚀为主;雨强对细沟侵蚀的影响大于坡度。     

模拟降雨条件下秸秆覆盖对崩积体侵蚀产流产沙的影响

以福建省安溪县龙门镇崩岗土为对象,通过室内模拟降雨试验,研究在120mm/h雨强条件下,不同秸秆覆盖度(0,25%,50%,75%和100%)和坡度(25°,30°和35°)组合坡面的侵蚀情况。结果表明:(1)秸秆覆盖能够有效延长坡面产流时间,且随着覆盖度的增加产流时间相应延长。(2)在降雨初期,不同条件下的前期径流量随着降雨的进行迅速增加,30°和35°坡面不同覆盖度径流量在降雨中后期起伏较大,30°坡面的径流量明显小于25°和35°坡面。(3)坡面的产沙量变化过程表现为当覆盖度较低时,坡面产沙量较大;当覆盖度处于中等偏上水平时,产沙量始终处于较低水平;当覆盖度达到最高时,产沙量先增加后降低最后趋于稳定。(4)30°和35°坡面径流量的临界覆盖度为50%,不同坡度产沙量的临界覆盖度为75%。(5)可利用经验方程对不同覆盖度和坡度条件下崩积体坡面产沙量进行预测。     

多场次降雨对崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,因土质疏松,极易被侵蚀。细沟侵蚀特征是探讨崩积体侵蚀机制的重要内容。采用人工模拟降雨试验,研究多场次降雨条件（1.00、1.67、2.33 mm/min分别降3次雨）对崩积体30°坡面（5m×1 m）细沟侵蚀产沙过程及发育形态特征的影响。结果表明：1）1.00 mm/min降雨强度条件下,3次降雨的后期产沙过程趋于一致,而1.67和2.33 mm/min降雨强度条件下,前2次降雨后期产沙过程趋于一致,但第3次降雨后期产沙率急剧增大;2）各降雨强度条件下,沟头溯源作用、细沟平均宽度及深度随着降雨场次的增加而增加;3）不同降雨强度条件下的细沟特征存在差异,1.00和1.67 mm/min降雨强度时,随着降雨场次的增加,坡面的细沟数及细沟密度增加,宽深比减小,但在2.33 mm/min降雨强度条件下的结果恰好相反;4）各降雨强度条件下细沟侵蚀量及其增加幅度均增大,细沟侵蚀愈剧烈。     

坡度和雨强对崩岗崩积体侵蚀泥沙颗粒特征的影响

不同侵蚀条件下崩积体的侵蚀产沙特性是阐明崩积体侵蚀机理的关键。采用人工模拟降雨试验,研究不同坡度和雨强条件下崩积体坡面侵蚀泥沙颗粒的变化特征。结果表明:随着雨强和坡度的增大,泥沙粗颗粒含量及粗颗粒的富集率均增加;侵蚀物质随降雨过程逐渐变粗,后趋于稳定,大雨强条件下细沟侵蚀阶段表现为对供试土壤的"整体搬运";侵蚀泥沙颗粒的平均重量直径(Mean weight diameter,MWD)随雨强的增大而增大,1.00 mm min-1和1.33 mm min-1雨强下,细沟间及细沟侵蚀泥沙的MWD随坡度变化均存在临界坡度(30°~35°之间),其他雨强条件下则无此种情况;雨强对侵蚀泥沙MWD的影响大于坡度。     

野外模拟崩岗崩积体坡面产流过程及水分分布

为研究崩岗崩积体坡面产流特征及土体水分分布特征,采用人工模拟降雨方法,在广东五华县莲塘岗崩岗选择7个不同部位的崩积体,进行28场人工模拟降雨,测定降雨过程中坡面产流时间及水分分布。结果表明:1)坡面产流时间与降雨强度呈负指数幂函数关系;2)老崩积体坡面产流时间与10 cm深处土体初始含水率呈负对数函数关系,其他深度土体初始含水率,以及新崩积体各土层初始含水率与坡面产流时间关系不密切;3)根据土体初始含水率和降雨强度,可以应用三维曲面模型预测崩积体坡面产流所需时间;4)当降雨强度≥3.5 mm/min时,崩积体坡面产流时间与坡度呈现出负相关关系,即随着坡度增大,产流时间变短;5)崩积体坡面产流后,新、老崩积体10 cm深处土体含水率差异明显,新崩积体土体含水率在20%以下,老崩积体土体含水率在20%以上;6)无论是降雨结束时还是降雨后24 h的水分再分布,新崩积体的湿润锋深度均大于老崩积体,表明在降雨作用下新崩积体的失稳深度大于老崩积体的失稳深度。该研究为崩岗崩积体侵蚀预测和防治提供参考。     

不同坡长与雨强条件下坡度对细沟侵蚀的影响

采用室内纯净水人工模拟降雨试验,以坡度为10°,15°,20°和25°,土槽为5,10m2两种规格,进行了降雨强度分别为1.5和2.0mm/min的降雨试验。利用三维激光扫描仪对每一场降雨前后的坡面进行监测,分析了不同坡长,降雨强度条件下坡度对细沟侵蚀的影响。结果表明,产流时间随坡度的变化并没有显著的规律性,跌坎出现时间随坡度的增加而缩短,产流时间与跌坎出现时间主要由降雨强度控制,坡长增长对产流时间的提前有促进作用。径流量随着坡面由缓变陡呈现先增加后减少变化,在降雨总量相同,不同雨强条件下,坡面径流量差异不大。坡面侵蚀量随坡度的增加而增大,降雨强度在一定程度上增强坡度对侵蚀量的影响,而坡长在一定程度上会减弱坡度的影响。侵蚀速率随降雨历时的变化速度随坡度的增加表现为先增加后减缓,并存在临界坡度。降雨强度和坡长会增强坡度对侵蚀速率的影响。     

PAM特性对花岗岩崩岗崩积体径流及产沙的影响

研究利用人工模拟降雨,研究不同分子量（800万、1 200万和1 500万）,不同水解度（10%,20%,30%）聚丙烯酰胺（PAM）对崩岗崩积体土壤侵蚀和径流的影响。结果表明:3种分子量和水解度的PAM都能够减少土壤侵蚀量,1 200万分子量PAM处理土壤侵蚀的效果最好,PAM的水解度对抗侵蚀影响差异不明显;各种PAM处理均使径流量增加,随着分子量的变大,径流量也在增加,而同一分子量的PAM,其水解度对径流量和侵蚀量的影响大致成反比关系;PAM处理下侵蚀土壤中不同粒径颗粒的含量会发生变化,砂粒的含量会有所增加,粉粒和黏粒的含量会减少。综合价格和抗侵蚀效果来看,1 200万10%水解度的PAM更适合于崩岗崩积体侵蚀治理。     

降雨强度和坡度对粘黄土坡面片蚀的影响

通过设计2种降雨强度(90,120mm/h)和4个地表坡度(10°,15°,20°,25°)的模拟降雨试验,研究了降雨强度和坡度对粘黄土坡面片蚀的影响。结果表明,试验条件下当降雨量相同时,降雨强度和坡度对径流量的影响不显著,而对坡面片蚀量的影响非常显著。当降雨强度由90mm/h增加到120mm/h时,在相同坡度条件下坡面片蚀量增加76.2%~128.0%;当坡度由10°变化到25°时,90mm/h和120mm/h两种降雨强度坡面片蚀量分别增加29.3%~72.1%和1.8%~75.4%。在降雨历时相同时,降雨强度由90mm/h增加到120mm/h可使相同坡度条件下坡面径流量和片蚀量分别增加19.5%~26.0%和103.8%~162.2%;当坡度由10°增加至25°时,坡面片蚀量在90mm/h和120mm/h两种降雨强度下分别增加25.1%~67.4%和1.8%~75.0%。降雨强度对稳定阶段坡度侵蚀速率的相对贡献大于82%,远大于坡度对稳定阶段侵蚀速率的相对贡献。     

模拟降雨条件下弃土堆置体侵蚀产沙试验研究

通过对生产建设项目弃土堆置体的野外调查及抽象概化,将抽象概化出的4类弃土堆置体作为研究对象,在室内模拟降雨条件下对不同弃土堆置类型的侵蚀产沙过程进行试验研究。结果表明:各类型弃土堆置体的入渗率、径流含沙量随降雨时间变化呈波动式减小,径流率随降雨时间变化呈波动式增大,侵蚀速率随降雨时间变化呈平缓型、多峰型2种变化趋势;产流时间与降雨强度呈负幂函数关系,平均入渗率、平均径流率、平均侵蚀速率与降雨强度呈线性关系,平均径流含沙量与降雨强度呈指数函数关系,总产沙量与总径流量呈线性关系。坡顶平台有车辆碾压的倾倒堆置在全部设计降雨强度条件下产流时间最短、平均入渗率均最低;当降雨强度从1.5mm/min提高到2.0mm/min时,总产沙量增大2.58倍,在降雨强度为2.0,2.5mm/min情况下,平均径流含沙量、平均侵蚀速率均明显大于其他堆置类型,且差异达到显著水平(P<0.05)。     

坡面氮素流失的坡度和雨强效应模拟研究

为了研究坡面径流和壤中流中全氮(TN)的流失特征,探索坡度和雨强对TN流失的影响,以风化花岗岩母质发育的土壤为研究对象,选定坡度(5°,8°,15°,25°)和降雨强度(60,90,120,150mm/h)作为可变量,采用原状土搬迁的方式,在室内设计的径流槽上进行人工模拟降雨试验,设计试验降雨时长为坡面径流产流后90min,壤中流水样收集延续直至无出流为止。结果表明:(1)坡面径流TN流失浓度在产流初期快速下降,随雨强的减小或坡度的增大而增大,产流后期浓度趋于稳定且差距不大。(2)壤中流TN流失浓度均明显高于坡面径流,其流失过程规律为上升—下降—略有上升—平稳,总体上随雨强的减小或坡度的增大而增大。(3)坡面径流和壤中流的TN流失量均随雨强或坡度的增大而增大。壤中流是坡面TN流失的主要途径,流失比例可达91.26%~99.61%。坡面径流中TN流失量占坡面TN总流失量的比例随雨强的增大而增大。(4)雨强、流量与坡面径流、壤中流TN总流失量均呈极显著正相关,而坡度只与壤中流TN总流失量呈显著正相关。(5)在雨强90mm/h与120mm/h之间存在一个临界雨强,超过这个临界雨强,坡面径流TN流失量及其占总流失量的比例都会大幅上升。     

崩岗崩积体坡面产沙与坡面形态的耦合影响

为了探究崩岗崩积体长时间序列的侵蚀变化,在崩积体典型坡度(30°)及研究区强降雨(3.33mm/min)条件下,进行了持续20场次降雨的崩积体侵蚀过程模拟试验。结果表明,在本试验条件下降雨溅蚀和径流冲刷对崩积体产沙的平均贡献率分别为47.6%和52.4%,在崩积体侵蚀过程中,其产沙量呈幂函数减小;弗劳德数、径流功率、达西-韦斯巴赫阻力系数与崩积体产沙量具有较好的相关关系,在沙源充足时,其参数可用于定量描述坡面径流产沙效能;崩积体侵蚀过程可分为4个阶段:(1)含沙量为0.099kg/L,以片蚀为主,坡面未见粗化;(2)含沙量为0.052~0.101kg/L,以细沟侵蚀为主,坡面粗化不明显;(3)含沙量为0.011~0.064kg/L,以细沟侵蚀为主,坡面粗化显现;(4)含沙量为0.008~0.036kg/L,无明显的主导侵蚀方式,坡面持续粗化。降雨及其径流对崩积体的分选性搬运,致使崩积体坡面粗化,而崩积体坡面粗化,反过来又使得降雨及其径流产沙效能降低。     

雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀及氮磷流失的影响

采用人工模拟降雨的手段,在2种雨强(50,75mm/h)、4种坡度(5°,10°,15°,20°)条件下,研究了雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀和养分流失的影响。结果表明:(1)降雨强度从50mm/h增大到75mm/h,相同坡度的坡面开始产流时间提前了2.75~4.79min。(2)随着雨强的增大,同一坡度的坡面径流量增加了12.53~15.80mm/m2,增加幅度为1.24~1.31倍;同一坡度的坡面产沙量增加了0.47~3.61kg/m2,增加幅度为0.77~2.90倍。坡面侵蚀过程中,存在临界坡度,为15°左右。(3)氮素流失以径流流失为主,泥沙中总氮的流失量较低,仅占径流总氮流失量的1.4%~9.7%。坡度较小时,磷素流失途径以径流流失为主,随着坡度的增加,磷素的流失途径以泥沙流失为主。(4)径流总氮流失浓度与径流强度呈线性正相关,泥沙总氮和总磷流失浓度与产沙率也分别呈显著的线性正相关。     

不同覆盖度和雨强条件下崩积体坡面侵蚀的动力学特征

基于崩岗崩积体易侵蚀的特性,通过室内人工模拟降雨试验,研究30°坡度条件下,不同秸秆覆盖度(0,25%,50%,75%,100%)和雨强(60,90,120mm/h)组合坡面侵蚀的水动力学参数特征。结果表明:(1)不同条件下,雷诺数变化范围在462.86~750.19Re之间,雨强对雷诺数的影响达到极显著水平,覆盖度对雷诺数的影响不显著;弗罗德数的变化范围在0.06~0.64Fr之间,水流的流型为缓流,覆盖度对弗罗德数的影响达到极显著水平,雨强对弗罗德数的影响不显著;阻力系数的变化范围在9.65~1 018.19f之间。(2)覆盖度对坡面流流速的影响达到极显著水平,坡面流流速随着覆盖度的增加而减小;覆盖度对水深的影响达到显著水平,坡面径流深随着覆盖度的增大而增加;阻力系数与雨强和覆盖度之间无明显关系。(3)覆盖度与单位水流功率之间呈极显著的指数函数关系,与水流剪切力和断面单位能量之间呈显著的指数函数关系;雨强对流速、水深和阻力系数的影响都不显著。     

模拟降雨条件下坡度与地表糙度对径流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究坡度与地表糙度对土壤侵蚀的影响。根据研究区坡耕地特点,试验共设计5个坡度,分别为9°,12°,15°,20°,25°,设计雨强为1.0mm/min,降雨历时为60min。结果表明:(1)5个坡度下坡面径流总量表现为先增大后减少,在20°与25°坡面表现出显著性差异,地表糙度变异率降幅为12°9°25°15°20°;(2)次降雨产流量与坡度、糙度变异变率呈显著指数函数关系;(3)5个坡度其坡面产沙量表现为先增大后减少,产沙量在坡面梯度为3°的坡面之间以及20°与25°坡面间存在显著性差异,说明坡度对产沙量有显著影响;(4)次降雨产沙量与坡度、糙度变异变率呈极显著线性关系;(5)次降雨量、产沙量与坡度、糙度变异变率的回归关系均优于分别与坡度、糙度变异变率的回归关系。研究成果为揭示水蚀过程中坡度与地表糙度对侵蚀的作用机理提供了参考。     

人工模拟降雨条件下不同雨强、坡度对紫色土坡面产流的影响

[目的]研究不同降雨强度和坡度对紫色土坡面产流过程的影响,为紫色土区域的水土流失防治提供科学依据。[方法]基于室内人工模拟降雨试验开展研究。[结果]不同雨强和坡度下的产流过程可大致分为"下凹"型和"上凸"型,且分别可以用指数函数和对数函数描述。随着雨强和坡度的增大,产流时间逐渐减小,产流过程逐渐趋于一致,坡面径流量逐渐增加。坡度和雨强对径流总量的贡献率有着对比消长的关系,小雨强下(雨强为33和54mm/h),坡度是坡面径流总量的主要贡献因子,随着雨强增大(雨强为94和125mm/h),雨强为坡面径流总量的主要贡献因子。[结论]坡度和雨强均为坡面侵蚀的主要影响因子,随着坡度和雨强的增加,坡面侵蚀更加剧烈,主要侵蚀因子也由坡度转变为雨强。     

降雨强度和坡度对黑土坡耕地团聚体流失特征的影响

为量化雨强和坡度对团聚体流失特征的影响,以黑土坡耕地表层土壤(0—10 cm)为研究对象,采用室内模拟降雨的研究方法,对比了不同雨强(78,127 mm/h)及坡度(2°,4°,6°)下团聚体流失特征,并计算了雨强和坡度对团聚体流失量的贡献率。结果表明：(1)相同雨强条件下,团聚体流失总量随坡度的增加显著增加0.70～1.42倍;相同坡度条件下团聚体流失总量随雨强的增加在坡度4°和6°时分别显著增加1.94,2.41倍。雨强是团聚体流失总量的主要影响因子,贡献率为52.44%;(2)随坡度增加,流失团聚体MWD显著减少,D值仅在雨强78 mm/h时显著增加;随雨强增加流失团聚体MWD,D无显著差异;(3)随坡度增加,粒径5～1,1～0.25,0.25～0.053 mm团聚体流失量呈先增加后减少的趋势,粒径<0.053 mm团聚体流失量显著增加。随雨强的增加,小粒径团聚体流失量呈增加趋势,大粒径团聚体流失量仅在高坡度条件下明显增加;(4)雨强是粒径1～0.25,0.25～0.053,<0.053 mm团聚体流失量的主要影响因素,贡献率为27.42%～47.09%;坡度是粒径5...     

降雨强度和坡度对土壤氮素流失的影响

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强(30,50,65,100mm/h)和坡度(0°,5°,10°)下粘质土坡面土壤氮素流失过程,以及雨强、坡度对单位面积土壤氮素流失量的影响。结果表明:(1)降雨过程中,随着雨强和坡度的增大,氮素流失的浓度和总量都会相应增加,且雨强和坡度越大,氮素流失浓度变化越快,径流浓度稳定时间越早;(2)不同雨强下坡度与单位面积土壤氮素流失量呈线性相关,且随着雨强的增大,坡度对单位面积土壤氮素流失量的影响变小;不同坡度下雨强与单位面积氮素流失量的线性关系显著,当雨强一定时,坡度的改变对氮素流失量的变化速率影响不大;(3)雨强和坡度与单位面积氮素流失量之间有显著的线性关系,相关系数达到0.978 9~0.982 0;(4)相同条件下,雨强对氮素流失量的影响比坡度大;(5)在降雨过程中,累积径流量与3种形态氮的累积流失量之间有显著的线性关系,相关系数达到0.914 5~0.961 1。