多糖(Jag C162)对黄土坡面径流过程的影响

天然高分子多肽衍生物Jag C162是一种新型高聚物,研究其对黄土坡面径流过程的影响可为土壤侵蚀的化学调控技术提供新的理论依据。通过室内人工模拟降雨试验,在不同坡度(10°,15°,20°)、降雨强度(1,1.5,2 mm/min)、Jag C162不同撒施剂量(0,1,3,5 g/m²)的组合条件下,研究了Jag C162对坡面径流过程的调控效应。结果表明:(1)撒施中(3 g/m²)、小剂量(1 g/m²)Jag C162的初始产流时间相对裸坡显著滞后(p<0.05),大剂量(5 g/m²)的初始产流时间则显著提前(p<0.05)。(2)不同剂量Jag C162的坡面径流率随径流过程的变化大致趋势为由快速增长逐渐趋于缓慢递增状态。不同剂量Jag C162径流率的大小顺序为:裸土>1 g/m²>5 g/m²>3 g/m²。(3)Jag C162会显著改善>0.25 mm土壤水稳性团聚体含量,显著提高各粒级土壤水稳性团聚体的含量(p<0.05),尤以1～2,2～5,>5 mm粒径的团聚体含量的提高幅度大。因此,Jag C162可显著改善土壤团聚体结构,提高土壤入渗性能,减少地表径流量,从而减弱侵蚀发生的径流动力,达到调控土壤侵蚀的目的。     

Jag C162对黄土坡面降雨入渗的调控效应研究

在土壤中添加高分子化合物是一种新兴的水土保持措施,阐明其对水土流失的影响可为黄土坡面水土流失治理及其措施选择提供科学依据。采用人工模拟降雨试验,研究新化学材料Jag C162对黄土坡面降雨入渗的调控效应。主要结果有:(1)撒施不同剂量Jag C162后,随着降雨时间的增加,入渗率呈减少的趋势,撒施Jag C162的入渗率减小速率均小于裸土;降雨过程中裸土达到了稳渗阶段,而撒施Jag C162的入渗率没有达到稳定状态;初始产流的时间也相应的推迟。(2)同坡度不同雨强和同雨强不同坡度下,撒施Jag C162后,入渗率显著提高。随着雨强和坡度的增大,裸土的稳定入渗率增加,3种不同撒施剂量下的平均入渗率减小。(3)撒施Jag C162的入渗量明显高于裸土的入渗量,在不同剂量下,入渗量随雨强的增加而呈现递增变化总趋势;入渗量随坡度的增加而减小。(4)撒施Jag C162可增加入渗率,减少地表径流和土壤侵蚀。     

Jag S对黄土坡面降雨入渗的调控效应

[目的]Jag S是一种新型可用于调控水土流失的高分子化学材料,揭示Jag S对降雨入渗的化学调控效应,为黄土坡面水土流失治理提供科学依据。[方法]采用人工模拟降雨试验研究Jag S对黄土坡面入渗调控效应。[结果](1)撒施Jag S坡面入渗率随降雨过程的变化趋势与裸坡相似,起初皆随降雨历时的延长先快速减小,随后趋于稳定状态;(2)撒施Jag S的坡面和裸坡相比,初始产流的时间提前,入渗率减小速率较大,达到稳渗阶段所用的时间少,且前期入渗率小于裸坡坡面前期入渗率,但稳渗率大于裸坡;(3)撒施Jag S坡面的入渗量明显高于裸坡的入渗量,在各个剂量下,入渗量均随坡度的增加而减小,随雨强的增加而呈现递增变化趋势。[结论]因此撒施Jag S可有效增加土壤入渗和强化入渗效应。强化入渗效应的Jag S剂量顺序依次为:1g/m23g/m25g/m2。     

喷施中性多聚糖对黄土坡面降雨入渗的影响

中性多聚糖(Jag S)是一种新型高聚物,研究该高聚物对黄土坡面降雨入渗的影响可对采用土壤侵蚀化学调控技术措施防治黄土坡面土壤侵蚀提供新的理论基础。通过人工模拟降雨试验,研究不同雨强(1.0、1.5、2.0 mm min-1),不同坡度(10°、15°、20°)条件下,坡面降雨入渗及产流时间与喷施不同剂量(1、3、5 g m-2)Jag S之间的关系。结果表明:在不同坡度不同雨强下,与裸露坡面相比,喷施3种剂量的高分子化学材料Jag S均减少了前期降雨入渗率,但1及3 g m-2剂量Jag S处理能够明显提高黄土坡面入渗性能,减缓入渗在整个降雨过程的下降趋势,提高稳渗率,强化入渗效应均值分别为21.53%及9.17%,大剂量(5 g m-2)Jag S反而降低了土壤入渗性能(小雨强下除外)。喷施不同剂量Jag S的坡面其产流开始时间差异很小,但均早于裸露坡面,且表现为Jag S喷施剂量越大,坡面越早产流,大坡度大剂量对降雨产流时间影响较大。三个剂量对应产流时间提前百分比均值分别为47.26%、50.47%及66.28%。总之,Jag S在一定程度上能改善黄土坡面土壤结构,提高黄土坡面降雨入渗性能,从而降低土壤侵蚀,为采用高聚物进行水土保持提供了科学依据。     

施加NPD对黄土坡面径流流速和侵蚀产沙的影响

天然聚合衍生物(NPD)是一种新型的高分子聚合物,是坡面土壤侵蚀化学调控措施所采用的一种新型材料,通过室内人工模拟降雨试验,以裸坡为对照,研究了不同NPD施加措施(撒施和喷施)及不同施加量(1.0,3.0,5.0g/m2)条件下径流流速特征以及对侵蚀产沙的影响。结果表明:(1)施加NPD的坡面径流流速随降雨历时的变化与裸坡一致,均呈先增大后逐渐趋于稳定的趋势,且流速随降雨历时的变化过程可用对数方程描述。撒施在1.0mm/min雨强下,延迟降雨初始产流时间8～19min,而喷施在3个雨强下,初始产流的时间整体上较裸坡提前1～2min;(2)与裸坡相比,施加NPD具有显著减小流速的效应,且雨强越大,减小流速的效应越差;施加不同剂量NPD减缓坡面径流流速的效益范围13.2%～54.3%。其中撒施3g/m2剂量和喷施5g/m2剂量对坡面径流流速的减小效应相对较好;(3)与裸坡相比,施加NPD具有显著的减沙效应,且减沙效应范围为30.6%～71.2%。无论是撒施还是喷施,整体表现为5g/m2计量的减沙效应最好。(4)裸土坡面的侵蚀模数对平均流速的响应关系与撒施和喷施NPD坡面的侵蚀模数对平均流速的响应关系皆可用对数方程表示,且撒施和喷施对流速的减小作用均大于减沙作用。     

生物结皮坡面不同降雨历时的产流特征

黄土高原退耕还林(草)工程实施后,生物结皮广泛发育,显著影响坡面产流。已有大量研究探索了生物结皮对径流的影响,但相关结论存在较大分歧。该研究以黄土高原典型生物结皮坡面为研究对象,通过人工模拟降雨试验,研究了生物结皮坡面产流过程。结果表明:生物结皮坡面较翻耕后的裸土坡面显著降低了初始产流时间,裸土坡面初始产流时间是生物结皮坡面的1.59～3.04倍。生物结皮盖度与初始产流时间之间呈显著的负相关关系;降雨15min时与60 min时生物结皮对坡面径流的影响发生逆转,90 mm/h的雨强下,当降雨历时为15 min时,生物结皮坡面较裸土坡面增加75.42%的径流;当降雨历时为60min时,生物结皮坡面径流量较裸土坡面降低52.42%;生物结皮影响了土壤水分入渗速率,导致生物结皮坡面与裸土坡面随降雨历时变化的产流特征出现差异,裸土坡面降雨60 min时的入渗率较15 min时降低了34.30%,高盖度生物结皮坡面降低了6.38%;生物结皮对坡面入渗产流的影响与降雨历时有极大的关系,降雨历时不同,很可能得到截然相反的结论,考虑生物结皮因素的野外降雨试验,降雨历时应不少于45min。研究结果为解释生物结皮影响坡面入渗产流方面存在的分歧提供了科学依据,进一步明确了干旱半干旱地区生物结皮的水文效应。     

降雨和汇流条件下浅沟侵蚀过程试验研究

[目的]探究含沙水流汇入对含有浅沟微地形的裸土和草地坡面的侵蚀产沙过程的影响,为该地区浅沟侵蚀治理提供理论依据,并为坡沟系统的土壤侵蚀模型建立奠定基础。[方法]通过降雨和放水相结合的野外模拟试验和人工建筑的浅沟模型开展研究。[结果]含沙水流汇入裸土浅沟坡面的侵蚀量增加了15%～58%,而对草地浅沟坡面的侵蚀影响不显著,说明草地恢复对于减少由汇流作用的侵蚀具有显著效益。试验条件下裸坡和草地坡面泥沙浓度都在产流开始时达到最大然后逐渐降低,最后达到稳定,然而含沙水流汇入使得泥沙浓度达到稳定所需的时间延长。含沙水流汇入能够显著增加浅沟发育速度,特别是浅沟沟宽和下切深度增加明显,草地恢复可以显著减缓浅沟的下切侵蚀,进而减缓浅沟的发育速度。对于裸土和草地浅沟坡面,含沙水流汇入显著增加了浅沟部位流速,尤其是草地浅沟部位各坡段流速平均增幅达到了55%。[结论]增加含沙水流汇入会显著增加裸坡坡面上的浅沟侵蚀量和浅沟的发育速度,而对草地坡面上浅沟的侵蚀和发育影响不显著。     

草被减流减沙效应及其力学机制分析

 利用人工模拟降雨试验,定量研究不同降雨强度下20°坡面草地的减流减沙效应,探讨草被坡面固土作用的力学机制。结果表明:在45、87和127mm/h降雨强度下,草地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.1～4.2倍;与裸地相比,草地径流流速减少77.3%～79.8%,径流量减少51.9%～99.1%,产沙量减少93.6%～99.2%;从力学角度分析坡面土壤颗粒的受力情况,建立的坡面产沙量与径流切应力的关系模型可用于草被坡面土壤流失量预测;试验条件下,草地临界径流切应力值为2.857N/m2,裸地临界径流切应力值为0.861N/m2,坡面产沙量随径流切应力的增大而增大。研究结果对定量评价草被减流减沙作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

典型黄土坡面天然草地产流产沙规律试验

通过野外模拟降雨试验,研究黄土区天然草坡的产流、产沙规律。试验设2个地类（草地和裸地）、3个降雨强度水平和3个坡度水平。结果表明：坡面初始产流时间与降雨强度呈负相关关系,与裸地相比,草地在降雨强度较大时（〉2.0 mm/min）加快坡面产流,在中（1.0-2.0 mm/min）、小等级降雨强度（〈1.0 mm/min）下则延缓产流;降雨强度较大时,裸地大坡度的产流强度随时间呈对数函数形式增长,中小等级降雨强度下的增长方式不符合这一规律;与中、小等级降雨强度不同,裸地在降雨强度较大时的产流产沙过程不一致;与裸地相比,草地的产流过程更为复杂,并不符合产流强度随时间呈对数函数形式增长的一般规律,草地产沙过程线与产流过程线的相对吻合程度受降雨强度的影响不明显。     

黄土坡面径流剥离土壤的水动力过程研究

坡面土壤侵蚀是径流冲刷和坡面抗蚀作用以及地面物质补充能力之间相互作用的复杂过程。本研究采用野外实地放水冲刷实验,研究了20°裸地(CK)及鱼鳞坑(YLK)、苜蓿草地(MXCD)、秸秆覆盖(JGFG)径流调控措施坡面薄层水流剥离土壤颗粒的水动力学过程,并运用水流切应力、单位水流功率、径流动能三种理论进行了详细分析。结果表明:(1)对于裸地和调控措施坡面,输沙率与径流剪切力、径流功率之间均呈现良好线性关系,与水流动能之间呈现良好对数关系;土壤侵蚀发生时均存在临界切应力和临界功率。(2)随放水流量增加,坡面流速迅速增大,导致水流切应力、单位水流功率、径流动能增大,进而水流对土壤颗粒的剥离能力增强,最终土壤侵蚀加剧。总之,三种理论在描述土壤侵蚀过程时各具特点,径流切应力更能详细地揭示土壤颗粒分离过程,而径流动能及功率理论更能简便、准确地描述坡面土壤侵蚀过程。     

Impacts of natural polymer derivative neutral polysaccharide Jag S and cationic hydroxypropyl polysaccharide Jag C162 on rainfall infiltration on an experimental loess hillslope

ABSTRACT

Developing effective measures to improve soil structure and increase soil infiltration in the Loess Plateau located in arid and semiarid areas is important for soil and water conservation. Simulated rainfall experiments were conducted to determine the effects of two new natural polymer derivatives, namely neutral polysaccharide (Jag S) and cationic hydroxypropyl polysaccharide (Jag C162), on rainfall infiltration and their underlying mechanisms. The proportions of different sizes of water-stable soil aggregates were analyzed after spraying four different concentrations (0, 1, 3, and 5 g m^?2) of Jag S and Jag C162 under rainfall intensities of 1, 1.5, and 2 mm min^?1 and a slope gradient of 15°. Treatments with Jag S and Jag C162 significantly improved the rainfall infiltration rates (IRs) compared with the control. Moreover, applying 1 and 3 g m^?2 Jag S effectively increased the IRs by 22.81% and 13.69%, respectively. Treatment with Jag C162 also increased the rainfall IRs by 39.47%, 46.59%, and 46.50%. Furthermore, the content of >0.25 mm water-stable soil aggregates increased from 27.19% to 90.42% before rainfall and from 9% to 50% after rainfall. Compared with Jag C 162, treatment with Jag S was less effective on improving rainfall infiltration and aggregate content. In particularly, application of 5 g m^?2 Jag S improved the soil aggregate content but weakened rainfall infiltration because of the higher viscidity and consistency of the Jag S solution. Overall, spraying appropriate amounts of Jag C162 and Jag S on the loess slope surface can increase the water-stable soil aggregate content, resulting in improved rainfall infiltration and reduced soil erosion. Thus, application of two new natural polymer derivatives is a possible alternative conservation practice in the Loess Plateau.     

高分子多肽衍生物防治风蚀的风洞试验

利用高分子化学材料改善地表结构进行化学固沙,是防治风蚀的重要措施之一。为寻找有效的高分子化学材料防治黄土高原北部水蚀风蚀交错区风积沙及沙黄土风蚀,将不同剂量(0(喷清水为对照)、0.4、0.6及1.2 g/m~2)的4种高分子化学材料聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)、阳离子羟丙基多糖(cationic hydroxypropyl quito sugar,Jag C162)、羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)及羟丙基化多糖(hydroxypropyl polysaccharide,HP-120)喷施于沙黄土及风积沙表面,进行室内风洞试验,测定其风蚀率及表面固积层硬度。结果表明:喷施不同剂量的高分子化学材料PAM、Jag C162、CMC及HP-120于沙黄土及风积沙表面均能显著降低松散扰动沙黄土及风积沙的风蚀率(P0.05)。总体而言,在相同条件下,与其他3种材料相比,PAM防治沙黄土表面风蚀的效果最好,而CMC在防治风积沙风蚀效果最好。喷施4种化学材料于沙黄土和风积沙表面均能显著增加固结层的硬度(0.4 g/m~2 Jag C162除外),且PAM对提高沙黄土表面硬度效果较好,Jag C162、CMC及HP-120对提高风积沙结皮硬度效果较好,其中CMC效果最显著;使用4种高分子化学材料防治风积沙和沙黄土风蚀时,当施用剂量控制在1.2 g/m~2时,几乎可以抵御14 m/s的大风,历时20 min的吹蚀而不产生风蚀。     

黄土坡面细沟水流剪切力及其侵蚀效应研究

采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟水流剪切力及其侵蚀效应进行了试验研究。结果表明:(1)细沟水流切应力随径流历时的变化,各雨强条件均表现出增大趋势,可用线性方程很好地描述,增大速率在产流6min之后略有减小。(2)细沟水流切应力随径流历时的变化,不同坡度下也不断增大,可用直线方程进行描述,产流过程中变化趋势较为一致,其中两个大坡度下增加速率较小坡度下稍大,产流12min以后更大。(3)坡面细沟水流平均切应力随雨强增大而增大,可用对数方程描述。随坡度增加而迅速增大,可用幂函数方程描述。随雨强及坡度的变化可用二元幂函数方程描述。(4)不同雨强及坡度下,细沟侵蚀率随细沟水流切应力的增大而增大,可用线性方程描述。研究表明,细沟水流剪切力具有显著的侵蚀效应,是产生细沟侵蚀的重要水力学参数和水动力学根源。     

水力侵蚀下砒砂岩区植被格局对微地形和侵蚀的影响

[目的]研究植被格局下微地形与侵蚀的关系,可为砒砂岩地区坡面侵蚀规律研究和水土流失防治提供理论参考。[方法]以砒砂岩区鲍家沟流域内的3种植被格局(均匀分布、聚集分布、随机分布)坡面为研究对象,通过自然降雨条件下采用野外径流小区实测结合三维激光扫描技术,分析了植被格局对微地形和侵蚀的影响。[结果]降雨后不同植被格局坡面的产流量、产沙量依次为裸坡坡面>聚集分布坡面>随机分布坡面>均匀分布坡面,与裸坡相比,均匀分布坡面的产流量、产沙量分别减少了64%,75%,其径流泥沙的拟合函数为Y=0.3619x^0.7309,R²=0.9866;不同植被格局坡面侵蚀—沉积的空间分布存在一定差异,与其他坡面相比,均匀分布格局坡面的土壤侵蚀强度最弱,侵蚀区面积最小,为12.38 m²,沉积区面积最大,为3.44 m²。不同植被格局坡面地形因子均随降雨呈现增大的趋势,且与裸坡坡面相比,聚集分布坡面地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度、微坡度增幅最小,分别为5%,2%,0.5%,9%。聚集分布坡面地表粗糙度与产...     

不同床沙下的坡面流水力学特性试验研究

利用人工模拟降雨试验方法模拟原状土、邙山黄土、粉煤灰等不同土质坡面土壤降雨径流冲刷过程,对不同床沙下的坡面流水力学特性进行了研究。结果表明,不同床沙下坡面径流剪切力随降雨历时的变化规律是一致的,均表现出雨强越大,剪切力越大;在试验雨强范围内,邙山黄土、粉煤灰的剪切力较原状土为大;水流功率的变化规律与径流切应力的变化规律基本一致。该研究可为土壤侵蚀实体模型的建立提供理论基础。