三峡库区野外模拟降雨条件下弃渣场土壤侵蚀特性

[目的]揭示三峡库区弃渣场土壤侵蚀规律,为该地区弃渣场的土壤侵蚀治理提供依据。[方法]通过现场搭建径流小区并采用人工模拟降雨的方法进行研究。[结果]降雨量同侵蚀量存在极显著的线性关系;降雨强度同渣场产流时间呈极显著的幂函数关系,同径流含沙率呈极显著的指数函数关系;渣场表层较高的细砾石含量,一定程度上可以减少溅蚀与面蚀量,但在强降雨或持续降雨条件下会促进坡面沟蚀的发育;渣场侵蚀具有一定季节分布,非雨季时,渣场侵蚀以面蚀与轻微沟蚀为主,坡面主要发育为细沟与浅沟,侵蚀量较少;雨季时,渣场坡面浅沟迅速转化为切沟,泥沙流失严重。[结论]研究区渣场侵蚀具有一定的季节性,渣场施工时应根据气候特征适当调配,主动避开雨季,并在雨季前完成渣场的水土保护设置;采取相应防护措施抑制或减缓雨季沟蚀的发育是研究区渣场水土保持防护的重点。     

不同植被格局对梁峁坡-沟坡的侵蚀动力作用机制

[目的]探究不同植被格局对梁峁坡—沟坡的侵蚀动力作用机制,为进一步揭示草地坡面侵蚀规律和植被减蚀效应研究提供科学依据。[方法]以梁峁坡—沟坡为研究对象,采用室内降雨模拟降雨和三维激光扫描技术,分析不同植被格局对梁峁坡—沟坡侵蚀动力作用机制。[结果]径流流速和含沙量共同影响着坡面侵蚀动力过程,径流流速是主要影响因素。坡面的侵蚀产沙来源主要位于沟坡内,不同植被格局下梁峁坡与沟坡产沙比例的不同,反映了植被调控侵蚀的范围和强度的不同。草带位于梁峁坡中下部时,不但能够有效降低梁峁坡的侵蚀程度,而且能够有效抑制和减缓沟坡内的径流流速,大幅度降低梁峁坡下部和沟坡内的侵蚀程度。[结论]不同植被格局可以通过影响径流流速和含沙量来调控梁峁坡—沟坡侵蚀动力。     

东北黑土区顺坡垄作和无垄作坡面侵蚀过程对比

[目的]以无垄作坡面侵蚀过程为对照,研究顺坡垄作坡面土壤侵蚀过程及机理,为东北黑土区坡耕地土壤侵蚀防治提供科学依据。[方法]基于人工模拟降雨试验,设计了3个降雨强度(50,75和100mm/h)以及1个坡度(即顺坡垄作改横坡垄作的临界坡度5°),进行顺坡垄作和无垄作坡面侵蚀过程的对比研究。[结果]顺坡垄作坡面径流量和侵蚀量分别较无垄作坡面增加了1.2~1.7和1.3~2.1倍,径流和侵蚀过程也发生了变化。与无垄作坡面相比,顺坡垄沟的集中汇流作用使坡面水流流速增加了1.0~2.3倍,径流剪切力增加了0.7~1.2倍,其坡面侵蚀方式也由片蚀为主转变为以细沟侵蚀为主,细沟侵蚀量可占总侵蚀量的55.3%~65.6%。[结论]坡面水流流速增加和细沟侵蚀发生是导致顺坡垄作坡面土壤侵蚀增加的主要原因。     

风化矸石山不同侵蚀微生境的基质理化性质与水分特征

[目的] 研究不同侵蚀微生境下基质的理化性质与水分特征,为揭示其植被定居与恢复的驱动与限制机制提供理论基础,为北方早期矿区废弃地植被重建的实践提供科学参考。[方法] 以裸坡、细沟、浅沟与堆积体为研究对象,研究其基质的机械组成、容重、毛管孔隙度、pH值、电导率与水分特征及其相互关系。[结果] 各粒径基质在不同侵蚀微生境间变化各异,而且不同土层间存在差异。不同侵蚀微生境基质容重大小表现为：浅沟＞细沟＞裸坡＞堆积体,而毛管孔隙度大小表现为：堆积体＞裸坡＞浅沟＞细沟。不同侵蚀微生境基质的pH值无显著性差异,但其在不同土层变化有所差异;电导率均表现为：堆积体＞裸坡＞浅沟＞细沟,且在10—20 cm土层高于0—10 cm土层。不同侵蚀微生境的基质含水率与毛管持水量均表现为：堆积体＞裸坡＞浅沟＞细沟,裸坡与浅沟的基质含水率与毛管持水量均在上坡位最低,而细沟的在中坡位最低。[结论] 风化矸石山基质水分特征主要受容重和毛管孔隙度影响显著,裸坡和堆积体砂粒和中粗粒相对较多,水分较好,可为植被定居与恢复提供安全生境。     

植被破坏与恢复对坡面浅沟侵蚀影响的研究

运用野外实测资料,分析研究了子午岭林区植被破坏与恢复对坡面浅沟侵蚀的影响。所得结论为:一旦植被恢复,坡面浅沟沟槽部位发生泥沙淤积,其淤积速度为0.5cm/a;浅沟沟槽部位淤积,坡面横向起伏减少,坡面向平直方向发展。人为破坏植被后的开垦地,坡面浅沟侵蚀急剧发展,浅沟侵蚀量为4400～7600t/（km²·a）,占坡面侵蚀量的47%以上;当年新冲刷的浅沟沟槽宽为20～80cm,深度为10～30cm;开垦3年裸露地与林地相比,浅沟沟槽深度增加40～60cm;浅沟沟头前进速度为3～5m/a,浅沟深、宽、长的逐年发展,坡面横向起伏加大,片蚀和细沟侵蚀随之加大,又促使了浅沟侵蚀的加剧。     

渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀试验研究

[目的]研究渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀过程及机理,为渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀防治提供科学依据。[方法]基于人工模拟降雨试验,设计了2个降雨强度(1.2和2.0mm/min)以及2个垃圾堆积类型(即垃圾堆积成斜坡,无侵蚀发生地表上的垃圾堆),进行2个垃圾堆积类型和裸露的撂荒坡降雨侵蚀过程的对比研究。[结果]当降雨强度I=1.2mm/min,垃圾堆积成斜坡的侵蚀产沙总量为117.94kg,撂荒坡的侵蚀产沙量为10.86kg,垃圾堆积成斜坡比撂荒坡的侵蚀产沙总量为107.08kg;当降雨强度I=2.0mm/min,垃圾堆积成斜坡比撂荒坡的侵蚀产沙总量多出225.72kg,而倾倒在无侵蚀发生地表上的垃圾堆积侵蚀产沙量相对较少;对垃圾堆积坡面径流的侵蚀能量(E)及侵蚀能量消耗(E启动泥沙、E搬运泥沙)、含沙水流作用于底床上的拖曳力(F)分析得出,垃圾堆积与下垫面形成了缝隙或软弱面,从而导致坡面径流,降低了启动松散垃圾堆积泥沙颗粒所消耗的能量,坡面径流的侵蚀能量(E)主要消耗在搬运输移垃圾堆积颗粒。[结论]含有垃圾颗粒物质水流将维持较高流速,含有垃圾颗粒物质水流因其产生较强的拖曳力加剧了细沟侵蚀。     

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。     

黄土坡面汇流汇沙对浅沟侵蚀影响的试验研究

采用供沙土槽与试验土槽双土槽径流小区的人工模拟降雨试验，研究了不同含沙水流、不同降雨条件下坡面汇水汇沙对浅沟侵蚀过程的影响。结果表明，坡面浅沟侵蚀过程以侵蚀一搬运过程为主，当雨强为64mm／h和116mm／h时，坡面汇水使坡下方浅沟侵蚀产沙量分别增大26．2％～82．5％和23．5％～58．7％，坡面汇水引起坡下方的净侵蚀产沙量随坡面汇水含沙量的减小和降雨强度的增加而增大。     

浅沟侵蚀过程及预报模型研究进展

浅沟是黄土丘陵沟壑区的重要产沙方式之一，是在径流冲刷和人类耕作共同作用下形成的。介绍了浅沟侵蚀发生发展过程、浅沟水流水力学特性、浅沟侵蚀影响因素、浅沟侵蚀预报模型等进展，提出了今后亟待加强的研究领域，包括浅沟发生的临界动力条件、浅沟发育过程的定量描述、浅沟水流的剥离方程及泥沙搬运能力、动态监测浅沟侵蚀过程的新方法、包括浅沟侵蚀的坡面土壤流失预报模型等。     

冲刷条件下坡面水流速度与产沙关系研究

在冲刷条件下 ,通过 5种坡度下的水流速度和泥沙含量测量 ,发现两者存在同步的关系 ;水流速度的变化与细沟的发育存在明显的对应关系。在细沟开始发育时 ,水流速度逐渐增大 ;当细沟基本形成后 ,水流速度减小并平稳。水流速度是影响坡面产沙的主要原因 ,在低坡度时 ,细沟发育较慢 ,产沙量较少 ,但坡度在 10°～ 2 0°之间产沙量相差不大 ,到 2 5°时的产沙量反而比 2 0°的还少 ,出现了人们观察到的临界坡度。根据坡面特性 ,分析水流速度和泥沙含量之间关系使土壤侵蚀的临界坡度得到比较合理的解释。在大于临界坡度时 ,水流速度一开始很快增大 ,所冲刷的泥沙量并不比坡度小的少 ;跌坎容易形成 ,且比较深 ,从而使水流速度减小。但细沟在较短的时间内发育完成 ,水流速度也随之减小 ,泥沙含量降低 ;从而使在一定时间之后 ,大于临界坡度时所冲刷的累积泥沙含量较少。通过用电解质脉冲法测量水流速度解释了坡面冲刷侵蚀过程中的一些现象 ,若进一步测量其时空分布 ,有可能更深入地揭示其侵蚀机理 ,为建立合理的土壤侵蚀预报模型提供准确参数     

典型黑土区陡坡植草水土流失防治效果研究

[目的]研究陡坡生物防治与影响因素的变化关系,为侵蚀沟治理、水土保持植被措施配置等决策提供科学依据。[方法]设置2个坡度,7种草本植被配置模式,于2018年6—9月开展了自然小区水土流失监测。[结果] 1∶1.5和1∶1.2坡比边坡草本建植当年分别较裸地平均减流27%和26%,减沙52%和21%,坡度由34°增加到40°,地表径流虽未增加,但土壤侵蚀量明显增加;影响产流产沙的降雨因子主要有雨量,I_(30),E,EI_(30),坡度变陡,相关性增强;建植草无芒雀麦和紫花苜蓿混播减流减沙效果最好,紫花苜蓿、无芒雀麦、早熟禾3种草种混播减流效果优于单播;1∶1.2坡比边坡随着植被盖度的增加减沙效果逐渐增强,且在植被盖度大于50%时减沙效果接近1∶1.5坡比边坡。[结论]在无芒雀麦和紫花苜蓿混播草本配置下,1∶1.2坡比削坡在侵蚀沟治理时可采用,能减少20%的削坡占地面积。     

植被对含碎石土壤坡面降雨入渗和径流侵蚀的影响

[目的]研究植被对含碎石土壤坡面入渗和径流侵蚀的影响,为合理配置三峡地区含碎石土壤坡面植被提供科学依据。[方法]在建立的径流小区内铺设含碎石土壤,并配置不同种类、不同覆盖度的植被,进行人工降雨试验。[结果]各类小区径流量排序为:裸坡灌木坡面草本坡面草灌混合坡面,入渗量与径流量排序相反,有植被覆盖坡面的壤中流大于裸坡;入渗率服从对数函数规律,产流强度呈幂函数变化;草地对水沙的调控机制更多的是直接拦沙;累计径流量和累计侵蚀量的关系均满足幂函数形式。[结论]植被措施可有效地减少含碎石土壤坡面的水土流失,不同的植被措施减少的效益不同。     

黄土丘陵沟壑区浅沟水流水动力学参数实验研究

浅沟侵蚀是黄土丘陵沟壑区重要的侵蚀类型,浅沟水流的水动力学参数研究是建立浅沟侵蚀物理模型或概念模型的基础。以黄土丘陵沟壑区延安市燕儿沟小流域的坡地为对象,通过野外放水冲刷实验,对浅沟水流的水动力学参数变化特征进行研究。结果表明：浅沟水流属于紊流范围,大多数情况下是急流;在坡度18°左右时,携沙水流的流速最小,阻力最大,此时水流的能量分配在侵蚀与携沙之间达到平衡;浅沟水流在坡度26°左右时流速达到最大,水流功率达到最大,最利于浅沟侵蚀的发生和发展。研究结果可为黄土区浅沟侵蚀物理模型的建立提供理论支撑。     

降雨和植被覆盖对铁路路基边坡土壤侵蚀的影响

[目的] 探究不同植被覆盖对边坡径流泥沙的削减作用,为改善道路路基边坡的植被配置,减少公路边坡的水土流失量提供科学参考。[方法] 选取江苏省南通市境内在建的南京市—启东市铁路路基为研究对象。利用坡面观测小区,选取观测期内不同降雨强度（15,28,40,63,82 mm/h）的自然降雨条件,对3种植被覆盖（灌草坡面、植草坡面和裸坡坡面）的坡面产流与产沙进行分析,揭示植被覆盖对径流和泥沙的拦蓄作用。[结果] 降雨强度对初始产流时间影响显著（p<0.05）,3种植被覆盖的初始产流时间随降雨强度的增加逐渐减少,植草坡面和草灌结合坡面相比裸坡坡面对初始产流时间的延缓作用显著。随着降雨强度的增加,3种下垫面坡面径流量均呈增大的趋势,植草和草灌结合坡面相比裸坡坡面有较好的削减坡面径流作用。试验条件下,草灌结合坡面削减率在54.20%～63.68%,植草坡面削减率在38.59%～55.37%。随着降雨强度的增加,裸露坡面所产生的泥沙量呈指数型递增,在降雨强度大于63 mm后尤为明显,由662.66 g （15 mm/h）陡增至2 002.95（82 mm/h）。植草和草灌结合坡面随降雨强度的增大产沙量增加不明显,泥沙产生量在0.9～4.9 g。[结论] 路基边坡产流产沙随着降雨强度的增大而增加,降雨对坡面产流产沙影响显著;植草坡面和草灌结合坡面相比裸坡坡面有非常明显的减少土壤侵蚀的效果。     

自然降雨条件下红壤坡面有机碳的选择性迁移

依托江西水土保持生态科技园,2015年3月―8月期间,对裸地、草地、果园和湿地松人工林四种类型径流小区自然降雨条件下侵蚀过程中径流泥沙和土壤有机碳的流失特征进行了原位监测。结果表明,监测期间24场降雨下,径流系数和侵蚀模数基本上均随雨型的增大而增加。随着土地利用类型由裸地向果园、草地和林地的转换,减流效益和减沙效益依次增大。径流量和泥沙流失量最主要的影响因素分别是降雨量和径流量。裸地、草地、果园和林地四种类型坡面上,自然降雨下土壤有机碳随泥沙迁移的比例分别为64.67%、47.38%、53.94%和36.03%,碳流失强度分别达到560.3、1.98、122.5和2.66 mg m-2。径流有机碳含量与径流量之间、泥沙含碳量与泥沙量之间均呈负相关关系。裸地、果园、草地和林地四种径流小区泥沙有机碳富集比分别为1.27、1.10、0.80和0.58,即随着土壤侵蚀模数的降低,有机碳富集比也减小。泥沙有机碳富集比均随雨强的增大而减小,有机碳的选择性迁移在低强度降雨条件下表现更为明显。     

排土场平台-边坡系统沟蚀形态演变与产沙特征

排土场是露天采矿区主要泥沙来源的人造地貌之一,控制排土场土壤侵蚀对矿区高质量发展具有重要意义。该研究采用野外放水冲刷试验,研究排土场平台-边坡系统沟蚀演变及产沙特征。结果表明：1）沟蚀演变中的主导侵蚀方式存在阶段性转变,侵蚀沟形态发育特征也呈阶段性差异,平台侵蚀沟分为沟头形成阶段,溯源-拓宽阶段和稳定阶段3个发育演变阶段;边坡侵蚀沟依次经历覆土层下切阶段,覆土层拓宽阶段,红土层下切阶段和侵蚀减缓阶段。2）边坡是平台-边坡系统主要沙源,其累积产沙量占平台-边坡系统的88.15%～90.16%;覆土层下切阶段和红土层下切阶段是边坡的主要产沙阶段,其累积产沙量分别占边坡的29.72%～53.36%和19.06%～48.88%。3）平台和边坡侵蚀速率均与径流功率的响应关系较优,在平台沟蚀的溯源-拓宽阶段和稳定阶段为线性响应;在边坡沟蚀的覆土层下切阶段和红土层下切阶段为指数响应,拓宽阶段和侵蚀减缓阶段为线性响应。模型建立中需进一步考虑此种响应规律随沟蚀发育演变产生的变化,研究结果可为排土场水土保持措施布设和科学认识沟蚀过程与特征提供参考。     

王东沟小流域水土保持防蚀措施优化配置与效益分析

根据野外天然降雨定位试验,野外人工模拟降雨与放水冲刷试验,土壤侵蚀类型遥感监测资料,以及小流域泥沙观测资料等,对王东沟小流域土壤侵蚀类型及其分布规律和水土保持减沙效益进行系统研究。尤其是对硬地面产流产沙的规律研究：进一步证明了黄土塬区村落系统硬地面及农田集流槽集水径流冲刷是导致沟头迅速延伸的主要原因。     

淤地坝“淤满”后的水沙效应及防控对策

黄土高原大规模的淤地坝建设在减少黄河泥沙以及改善区域生态环境方面发挥了巨大作用.但是,在淤地坝“淤满”的极端条件下,关于其水沙效应变化及防治对策的研究还较少涉及.经分析,淤地坝“淤满”后:1)坝控范围内坡度降低,径流长度减少,沟道比降降低,而横断面由原来的“V”型沟道,演变为“U”型沟道;2)以关地沟4号坝为例,使用RUSLE计算,修建淤地坝前,坝控范围内平均每年土壤侵蚀模数为4 472 t/(km2 ·a),淤满后,土壤侵蚀模数下降至4 019 t/(km2·a),降幅约10％,“原地”减蚀作用显著,从修建至淤满阶段,拦沙作用巨大;3)淤地坝淤满后,坝地流速显著降低,从修建淤地坝前的0.83 m/s降至0.27 m/s,但坝体外坡的流速显著增加,特别是坡底,最大流速可达3.76 m/s;4)淤地坝淤满后,淤地坝“异地”减蚀作用会降低.基于上述变化,针对淤地坝淤满后的极端条件,本文提出如下防治对策:1)以小流域为单元,以溢洪道为主体,完善沟道排洪设施布设,提高支沟内以及支沟与主沟的连通度,提升排洪能力;2)遵循“因地制宜”原则,科学合理植树种草、修建梯田,加强坡面治理,减少坡面来水来沙,消耗和分散坡面来水侵蚀能量,降低坝地淤满后被损毁的风险;3)采取“截水沟和排水沟相结合,工程措施和植物措施相结合”的方法,做好坝体陡坡防治,提高坝体外边坡植被覆盖度.研究结果以期为黄土高原淤地坝建设提供理论支撑.