坡面草被覆盖对侵蚀产沙影响的模拟试验

为了探究坡面植被及其布设位置对坡面侵蚀动力过程的影响,通过室内放水冲刷试验,分析了不同植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)和不同坡面覆盖位置(坡上、坡中和坡下)下的坡面产沙及其水动力学参数的变化。结果表明:植被覆盖度、径流动能、径流流速、弗汝德数、阻力系数、糙率系数、剪切力等与坡面侵蚀产沙量密切相关。随覆盖度的增加,径流流速、径流剪切力、单位水流功率和径流动能逐渐降低,曼宁糙率系数和阻力系数逐渐增加,产沙量呈直线下降。当覆盖度从0增长到50%时,植被的减沙效益显著提高,当盖度增加到70%时,植被保持水土的作用不随覆盖度的增加显著提高,不同坡面覆盖位置下坡面侵蚀产沙表现为植被位于坡面中下部的产沙量小于植被位于坡面上部的,可用包含植被覆盖度、单位水流功率和径流动能等参数建立的联合公式模拟预测坡面侵蚀产沙量。研究结果可为阐明植被减沙的临界盖度和合理位置以及黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供参考。     

神府东胜煤田扰动与原生地面产流产沙规律对比研究

采用野外人工模拟降雨试验方法,对神府东胜煤田开发建设中原生和扰动地面的产流、产沙规律进行了研究。结果表明,扰动地面径流起始时间是原生地面的1.8~11.7倍,径流率比原生地面小5%~54.4%;初始径流含沙量是原生地面的1.1~5.8倍,径流含沙量是原生地面的1.2~6.3倍,产沙量是原生地面的2~12.7倍。由于扰动地面质地疏松,孔隙度大,入渗率大,与原生地面相比,一般在强降水条件下才产流并发生侵蚀。扰动地面临界抗剪力较小,侵蚀一旦发生,在相同降水条件下,更易发生侵蚀,且其侵蚀强度更大。通过回归分析,得出两种下垫面产沙量与水流剪切力呈线性相关。     

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。     

神府东胜煤田不同下垫面侵蚀特征野外试验

通过野外放水冲刷试验,对神府东胜煤田不同下垫面（原始地面、扰动地面、非硬化路面、弃土坡面、沙少石多弃渣坡面和沙多石少弃渣坡面）上的侵蚀特征进行分析。结果表明：1）在不同下垫面上,侵蚀量与径流量及径流剪切力都呈正相关关系,原始地面、扰动地面和非硬化路面侵蚀量与径流量呈较好的幂函数相关,弃土坡面和沙多石少弃渣坡面侵蚀量与径流量呈线性相关,沙少石多弃渣坡面侵蚀量与径流量呈指数函数相关;原始地面、扰动地面、非硬化路面、弃土坡面和沙多石少弃渣坡面侵蚀量与径流剪切力呈较好的对数函数相关,沙少石多弃渣坡面侵蚀量与径流剪切力呈较好的线性关系;2）与原始地面对照,弃土弃渣坡面更易遭受侵蚀,其中弃土坡面的平均侵蚀量最大,为22.68 kg,是原始地面侵蚀量的45.27倍,其次为沙多石少弃渣坡面和沙少石多弃渣坡面,侵蚀量分别为原始地面的19.61和10.61倍,扰动地面、非硬化路面侵蚀量为原始地面侵蚀量的4.35和4.41倍。     

神府东胜矿区不同下垫面产流产沙试验研究

针对神府东胜矿区煤田开采过程中所引发的严重新增水土流失问题,采用野外模拟降雨实验的研究方法,对神府东胜矿区不同下垫面降雨入渗、侵蚀产沙规律进行了初步研究。结果表明:在相同雨强条件下,不同类型下垫面对入渗速率的影响差异性较大,稳渗率大小顺序为扰动地面>原状地面>非硬化路面;在降雨过程中不同类型下垫面的径流量随时间增加而增大,其大小顺序为非硬化路面>扰动地面>原状地面;不同类型下垫面的侵蚀产沙高峰期均出现在降雨初期的0~20 min内,此后侵蚀产沙均下降并趋于稳定,并且不同类型下垫面间的侵蚀产沙量差别不大;非硬化路面的径流含沙量一直稳定在较低水平,而其它类型下垫面的径流含沙量降雨初期很大而后急剧下降,并逐渐接近于非硬化路面的径流含沙量。     

黄土坡面细沟径流输沙对水动力学参数的响应

细沟径流输沙是细沟侵蚀产沙的重要过程,阐明细沟径流输沙与水动力学参数之间的关系可以有效地揭示细沟径流输沙的动力学机制,并为建立细沟侵蚀过程物理模型奠定基础。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,研究黄土坡面细沟径流输沙对水动力学参数的响应关系。结果表明:1)一次降雨径流产生的细沟输沙模数对水动力学参数平均值响应关系大小顺序为平均水流断面单位能量(R=0.99)>平均水流功率(R=0.88)>平均水流切应力(R=0.82)>平均单位水流功率(R=0.76);2)降雨径流过程中,细沟输沙率对水动力学参数瞬时值响应关系为水流切应力(R=0.88)>水流功率(R=0.47),水流断面单位能量和单位水流功率的相关性较差,细沟输沙率对水流切应力的响应关系呈幂函数方程关系。     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

神府东胜煤田原生地面放水冲刷试验研究

神府东胜煤田是我国重要的能源重化工基地,在开发建设过程中造成了严重的人为水土流失,为了分析计算神府煤田弃土弃渣、扰动地面及非硬化路面的新增水土流失量,以本区未经人为扰动的、撂荒的原生地面为自然侵蚀本底值的作用对象,采用野外放水冲刷实验的研究方法,对原生地面的侵蚀产沙规律进行了研究.结果表明径流量、产沙量与放水流量,径流量、产沙量与坡度的关系均呈线性相关,即随着坡度与放水流量的增大,径流量和产沙量也在线性增加.径流量与产沙量之间呈幂函数关系变化,关系式为Ms=0.049W0.93.     

神府东胜煤田非硬化路面野外降雨试验

神府东胜煤田是世界7大煤田之一,在开发建设过程中造成了严重的水土流失,其中非硬化路面水土流失是其重要的组成部分.采用野外模拟降雨试验,研究非硬化路面的侵蚀产流、产沙规律以及二者之间的关系.结果表明:非硬化路面的径流含沙量过程曲线包括平缓型、多峰型、单峰型3种类型,侵蚀速率随时间变化过程可分为快速增长阶段、波动起伏阶段以及稳定阶段;非硬化路面的产流时间随降雨强度的增大呈幂函数减小,随坡度的增大呈先增大后减小的抛物线趋势;径流率随降雨强度的增大而增大,拟合关系式为r=2.5961 -0.431;产沙量与径流量之间呈幂函数关系,其关系式为M,=0.223 9W1.9462.研究结果可为矿区水土流失预测和治理提供依据.     

上方来水来沙对浅沟侵蚀产沙及水动力参数的影响

 浅沟侵蚀是黄土高原重要的侵蚀类型,上方汇水对坡面浅沟侵蚀具有重要的影响。采用野外放水冲刷试验,定量分析26°坡耕地在上方来水量为5、10和15L/min时对坡下方浅沟侵蚀产沙及其水动力参数的影响。结果表明：上方来水的汇入使浅沟水流流速明显增大,雷诺数、弗劳德数、水流功率和剪切力分别增大33%～76%、21%～47%、29%～72%和18%～42%,阻力系数减少11%～13%,导致浅沟侵蚀产沙量明显增大;除流速和弗劳德数外,其余水动力参数随放水时间的延长呈递增趋势;上方来水使浅沟侵蚀产沙量相对增量与水流功率和剪切力相对增量均呈幂函数关系。     

野外模拟降雨条件下矿区土质道路径流产沙及细沟发育研究

为研究矿区土质道路径流产沙及细沟形态发育特征,在野外调查的基础上,设计坡度(3°、6°、9°、12°)和雨强(0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min)2个处理,在野外建立不同坡度的道路小区,采用人工模拟降雨的方法,测定了不同处理道路径流产沙参数和细沟形态指标。结果表明:1)各坡度道路径流率为1.12~8.24 L/min,与雨强线性关系极显著,随坡度变化不显著;除0.5 mm/min雨强3°~9°坡及1.0 mm/min雨强3°坡道路径流流态为层流外,其余为紊流,雨强-坡度交互作用(I×S)对流态影响显著;阻力系数只与坡度相关。2)各坡度道路剥蚀率为0.92~324.46 g/(m2·s),与雨强、坡度和径流率呈极显著幂函数关系(R2=0.968,P0.01),道路土壤发生剥蚀的临界剪切力和临界径流功率分别为2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。3)3°道路以片状侵蚀为主,6°~12°道路细沟发育,细沟宽深比、复杂度、割裂度和细沟密度分别为1.80~3.75、1.07~1.55、0.20%~10.33%和0.067~2.01 m/m2,细沟发育程度是雨强和坡度交互作用(I×S)的结果。4)6°~12°道路细沟侵蚀量占总侵蚀量比例为18.0%~57.16%,总侵蚀量与细沟宽深比、细沟复杂度、细沟割裂度和细沟密度均呈显著的函数关系(R2=0.35~0.96,P≤0.01),割裂度是影响土质道路总侵蚀量的最佳细沟形态因子。结果可为矿区土质道路水土保持工程设计及生产安全提供参数支持。     

农村土质道路路面形态对道路侵蚀的影响

路面形态作为道路微结构的表现形式,改变道路降雨侵蚀特征,对调节道路系统水沙传递过程有重要意义。本文以拱形、侧向形、平直形、凹形等4种常见路面形态为研究对象,通过室内模拟降雨试验,研究坡度（5°、10°、15°）及路形差异下,道路侵蚀特点。结果表明：路形对产沙的影响高于产流,路形通过改变路面径流的水力学特征来改变产沙特性;在坡度10°和15°时,凹形路面径流流态为急流,流速最大,土壤侵蚀率显著高于其他路形,且侵蚀泥沙颗粒粒径较大;在坡度5°和10°时,拱形和平直形路面水流流态为缓流,拱形路面产流产沙能力最弱,抵抗降雨侵蚀的能力最好。凹形和平直形路面对坡度的敏感性较高,随着坡度提升,产沙量和水流能量均有大幅提高,坡度对拱形和侧向形影响较弱。路形差异导致侵蚀特征迥异,在道路设计建设过程中,科学的路形搭配和“路-渠”组合能有效防治道路侵蚀,降低道路建设对生态环境的影响,该研究可为农村低等级道路建设和维护提供参考。     

Modeling Interrill Erosion on Unpaved Roads in the Loess Plateau of China

Unpaved roads play an important role in soil loss in small watersheds. In order to assess the impact of these unpaved roads in the Loess Plateau of China, runoff and sediment yields from road‐related sources must be quantified. Field rainfall simulation experiments were conducted under three slope gradients and five rainfall intensities on unpaved loess roads in a small watershed. Results showed that the runoff generation was very fast in loess road surface (time to runoff < 1 min) and produced a high runoff coefficient (mean value > 0·8). Soil loss rates were decreased as surface loose materials were washed away during a rainstorm. Rainfall intensity, initial soil moisture, and slope gradient are key factors to model surface runoff and sediment yield. Soil loss on loess road surface could be estimated by a linear function of stream power (R² = 0·907). Four commonly interrill erosion models were evaluated and compared, and the interrill erodibility adopted in the Water Erosion Prediction Project model was determined as 1·34 × 10⁶ (kg s m⁻⁴). A new equation taking into account different parameters like rainfall intensity, surface flow discharge, and slope gradient was established. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

坡面侵蚀产沙与水力学特征参数关系模拟

坡面侵蚀产沙主要受坡面径流动态过程的影响,表征坡面径流过程特征是水力学特征参数。为了研究坡面侵蚀产沙与主要水力学特征参数的关系,揭示坡面侵蚀产沙的水动力学机理。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析的思路,应用经典水力学计算和统计拟合相结合的方法,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)在设计雨强(0.65~2.0mm/min)和坡度范围内,坡面径流都属于缓流,雨强0.7mm/min都为层流,呈现紊流的最小雨强为1.01mm/min;(2)坡长对弗汝德数和阻力系数的影响较大,对剪切力、径流深和雷诺数的影响很小,3m坡长是坡面径流过程的波动步长,是模拟试验研究坡面径流水动力学参数的最小设计坡长;(3)流速是坡面侵蚀产沙的主要影响参数,剪切力是判断坡面侵蚀产沙强度的综合性指标之一。这些研究结论为实地大范围通过径流量和流速来预测侵蚀产沙的强度提供了简便快速的判断方法。     

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。     

不同覆盖位置下草地坡面水流路径长度变化特征

为深入探索植被覆盖及其格局的减水减沙的水动力学过程及其机理,该研究利用室内放水冲刷试验,分析了不同植被盖度及其覆盖位置在不同冲刷流量下水流路径长度的变化,以及水流路径长度与植被覆盖度、水动力学参数和产流产沙量之间的关系,探讨坡面水流路径长度作为表征植被格局参数的可行性。结果表明:1)植被覆盖度可有效影响水动力参数的变化,并且随着植被覆盖度的增加,流速和单位水流功率呈线性减小趋势(P0.01);而糙率系数、阻力系数和径流剪切力则呈指数增加趋势(P0.01)。坡面水流受阻可能性增加,动能减弱,进而导致产流产沙量不断减少,并且冲刷流量越大,减小幅度越大。2)在不同冲刷流量下,水流路径长度与植被覆盖度、水动力参数和产流产沙量之间均存在显著的相关关系(P0.01)。同时随着水流路径长度的增加,一方面,流速和单位水流功率呈对数式上升,坡面水流动能增强;另一方面糙率系数、阻力系数和径流剪切力分别呈对数式和指数式减小,坡面阻滞能力下降,水流侵蚀力增强。最终导致坡面侵蚀状况发生变化,产流产沙量呈对数式增加。因此,水流路径长度可作为反映植被减水减沙的动力学过程和预测坡面产水产沙的参数之一。该研究为深化理解植被格局与水文连通性的作用关系,建立合适的植被格局表征和植被减蚀效应评价提供依据,以期增强地区生态环境的质量和稳定性,为现代化农业发展,特别是保障农业生产环境做出贡献。