黄土坡面降雨产流产沙过程及其响应关系研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为该区水土保持与生态建设提供重要科学依据。该文基于收集分析子洲径流试验站天然非恒定降雨、产流、产沙过程观测资料,应用非线性模拟技术,对黄土坡面降雨产流产沙动态变化过程及响应关系进行了研究,结果表明,黄土坡面累积降雨量随降雨历时的变化过程、累积径流深随产流历时的变化过程、累积侵蚀产沙模数随产沙历时的变化过程、累积径流深变化过程对累积降雨量变化过程的响应、累积侵蚀产沙模数变化过程对累积径流深变化过程的响应均呈现为非线性关系,可分别划分为两种类型,并分别可用扩展S型曲线模型和扩展幂函数模型进行数学描述。     

沙层厚度和粒径组成对覆沙黄土坡面产流产沙的影响

片沙覆盖黄土区是水蚀风蚀交错带内土壤侵蚀最为强烈的区域,研究该区内土壤侵蚀特征可对水蚀风蚀交错带水土流失的预报及防治提供理论依据。采用室内模拟降雨,研究黄土坡面不同覆沙厚度(2 cm、5 cm和10 cm)和沙层粒径组成(100%0.25 mm、75%0.25 mm+25%0.25mm、50%0.25 mm+50%0.25 mm、未处理原沙和100%0.25 mm)对坡面产流产沙的影响。结果表明,覆沙黄土坡面较黄土坡面的初始产流时间明显延长,产流速率和产流量减小,产沙速率和产沙量增大,降雨过程中产流产沙波动性增大,且这些变化随覆沙厚度增加而明显加强;沙层粒径组成在不同覆沙厚度下对坡面产流产沙的影响不同,2 cm覆沙厚度坡面在降雨前期随粒径变粗产流产沙呈增大趋势,降雨后期无明显变化;5 cm覆沙厚度坡面随沙层粒径变粗产流速率呈增加趋势,降雨前期上覆粗粒径沙层坡面的侵蚀速率高于细粒径沙层坡面,降雨后期恰好相反;10 cm覆沙厚度的坡面产流产沙随沙层粒径组成变化不明显。典型覆沙黄土坡面的产流过程为雨水垂直入渗―沙土界面潜流―沙层边缘渗流―地表径流,产沙过程为沙层边缘渗流侵蚀―沙层坍塌重力侵蚀―地表径流输移,明显不同于无覆沙黄土坡面的超渗产流方式及溅蚀―片蚀―细沟侵蚀的侵蚀发展过程。     

草被覆盖度对黄土坡面径流产沙影响的试验研究

采用室外人工径流冲刷模拟装置,在5 L/min冲刷流量条件下,对15°、20°、25°三种坡度的裸坡、30%~40%及70%~80%草被覆盖度情况下黄土坡面的产沙量、侵蚀率、径流含沙量进行了试验研究,结果表明:草被覆盖度变化对黄土坡面产沙量、侵蚀率和径流含沙量有着显著影响,覆盖度70%~80%的黄土坡面的产沙量不足裸坡产沙量的10%;相同坡度和冲刷流量条件下,黄土坡面侵蚀率与产沙量变化基本一致;草被对增强黄土坡面土壤抗蚀能力、减少侵蚀具有显著作用。     

黄土高原天然山杨林地产流产沙研究

研究了天然山杨林地的产流产沙,结果表明:与采伐林木辟为农地比较,天然山杨林和采伐林木保护草灌层林地径流高度各降低62.5% 和51.1%;产流总时间各滞后90和10min;混水量各降低92.8% 和92.9%,含沙量降低99.1% 和99.2%;侵蚀模数降低99.9% 和99.9%;前者径流曲线陡峭、起伏程度大,后者平缓、起伏程度小。     

不同管理方式竹林地产流产沙过程模拟试验

针对不同利用目的和不同管理方式竹林地的侵蚀产沙特征,在浙江省临安市和安吉县,分别选择用材竹林地和挖笋竹林地,建立径流小区(面积3 m×1.5 m,坡度20°),设计用材竹林地不锄草清鞭施肥、笋林地除草清鞭每年1次和两年1次,共3种管理方式,采用人工模拟降雨的试验手段,设定6个降雨强度(0.53~1.90 mm/min),定时采集径流泥沙样,分析了不同管理方式下竹林地的侵蚀产沙过程特征,计算了侵蚀强度的差异。结论如下:(1)在单场降雨过程中,用材竹林地产沙量的最大与最小值之差很小,而笋用竹林地则相差很大,最大值出现在降雨初期,随降雨历时而很快减小。(2)在相同或相近的雨强情况下,笋竹林地的产流量远小于用材竹林地,但产沙量却远大于用材竹林地,并且呈现3个数量级的倍数在增加。(3)随着降雨强度的增加,笋用竹林地侵蚀模数的增加幅度很大,最大可呈2个数量级的倍数增加,而用材竹林地相对增加很少,只有1.7~3.8倍的增加幅度。(4)在笋用竹林地的两个处理中,锄草清鞭次数的增加会引起侵蚀量的增加,并随着雨强的增加,侵蚀量的增加会呈指数增加。(5)根据3种处理的8场人工模拟降雨试验,可初步设定竹林地的侵蚀性降雨强度的临界定在≥1.01 mm/min。本研究的上述结果可为竹林地管理、笋用竹林地锄草、清鞭和施肥的科学合理安排提供参考依据。     

模拟径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程

基于可调控的放水冲刷试验,模拟风水复合侵蚀区典型覆沙黄土坡面,研究不同径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程。通过室内放水冲刷试验,采用3个放水流量(5,10,15L/min)和5个覆沙厚度(0,5,15,25,35mm)研究覆沙黄土坡面产流产沙过程。结果表明:覆沙坡面能够延长产流时间,且随覆沙厚度的增大而延长,不同放水流量条件下5,15,25,35 mm覆沙坡面的产流时间较黄土坡面分别延迟了1.29~1.46倍,1.66~2.5倍,2.32~3.76倍和3.64~4.72倍;覆沙坡面相对黄土坡面其产沙贡献率大于产流贡献率,在相同放水流量条件下,覆沙坡面的径流总量是黄土坡面的1.05~1.8倍,而产沙总量是黄土坡面的1.6~7.5倍;覆沙坡面在不同放水流量条件下,产流0~5min内,覆沙坡面产流率增长速率明显高于黄土坡面,而在后25min覆沙坡面与黄土坡面的产流率增长速率基本一致;在整个产流阶段,覆沙坡面的产流率波动程度显著高于黄土坡面。随着放水流量的增大,覆沙坡面的初始产沙强度显著增加;但在同一放水流量前提下,随着覆沙厚度的增大初始产沙强度增强不显著。不同放水流量和不同覆沙厚度条件下坡面产沙强度总体上表现为先剧烈增大后降低然后逐步达到平稳状态,且覆沙坡面产沙强度的波动性明显活跃于黄土坡面。覆沙坡面能够破坏水流的稳定性,在一定程度上加剧了土壤侵蚀。     

黄土坡面侵蚀方式演变与侵蚀产沙过程试验研究

利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法,研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响,分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,坡面侵蚀发育初期,沟头溯源侵蚀占主导地位,侵蚀产沙量呈增加趋势;坡面侵蚀发育中期,沟蚀的宽度和深度变化已属于切沟形态发育的范围,导致了侵蚀产沙量的急剧增加;坡面侵蚀发育后期,沟蚀发育过程处于后期稳定阶段,侵蚀产沙量变化伏动较小。在坡面侵蚀发育初期、中期和后期,沟蚀分别占坡面总侵蚀产沙量的28．7％,70．4％和37．1％。     

黄土坡面侵蚀试验研究综述

只有弄清暴雨侵蚀产沙的作用机制,才能科学有效地进行流域水土保持治理。人工模拟降雨试验是研究黄土坡面侵蚀的重要手段。本文总结整理了大量的人工模拟试验资料,总结分析了侵蚀方式、表土结皮、坡度、上方水沙条件、降雨量、雨强、坡长等因素对黄土坡面侵蚀产沙的影响,并提出其中存在的问题和今后研究的方向。     

不同土壤坡面产流产沙特征对比分析

通过不同坡度(5°,10°,20°)、不同质地土壤(粘土、砂土)的人工模拟降雨试验,对比研究粘土和砂土在不同坡度条件下的坡面产流产沙规律,并建立试验条件下坡面土壤侵蚀模型。结果表明:(1)粘土坡面和砂土坡面的产流规律相似,在相同试验条件下随着产流时间的延长粘土坡面和砂土坡面的产流率均先逐渐增加最后趋于稳定,同时随着坡度增大,粘土坡面和砂土坡面的产流率均逐渐变小,但粘土坡面达到稳定产流率的时间早于砂土坡面;(2)粘土坡面和砂土坡面的产沙规律相似,在不同坡度条件下粘土坡面和砂土坡面的产沙率均随产流历时呈先增大后降低的趋势,但粘土坡面的产沙能力小于砂土坡面,且在坡度为5°时两者之间的差别达到最大;(3)随着坡度增加,粘土坡面和砂土坡面的总产沙量的变化幅度均大于总产流量的变化幅度,即坡度对坡面侵蚀产沙的影响大于对径流的影响;(4)统计得出试验条件下粘土坡面和砂土坡面的土壤侵蚀量与坡度、产流时间的回归方程,并据此得出试验条件下粘土相对于砂土坡面的减沙能力方程。     

黄土坡面侵蚀方式演变与侵蚀产沙过程试验研究

利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法,研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响,分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,坡面侵蚀发育初期,沟头溯源侵蚀占主导地位,侵蚀产沙量呈增加趋势;坡面侵蚀发育中期,沟蚀的宽度和深度变化已属于切沟形态发育的范围,导致了侵蚀产沙量的急剧增加;坡面侵蚀发育后期,沟蚀发育过程处于后期稳定阶段,侵蚀产沙量变化伏动较小。在坡面侵蚀发育初期、中期和后期,沟蚀分别占坡面总侵蚀产沙量的28.7%,70.4%和37.1%。     

坡面径流类型对侵蚀产沙及水沙传递关系的影响

降雨-径流格局对土壤侵蚀过程具有重要影响,以团山沟七号全坡面径流场1961-1969年间65次径流事件的径流泥沙数据为基础,选取历时、径流深和径流变率为径流过程的特征指标,采用K均值聚类和判别分析相结合的方法,将坡面径流划分为5种类型。其中,A型径流具有超长历时、低变率、小径流的特点,是较为特殊的类型,B、C型径流具有中长历时、中高变率、大径流的特点,D型径流具有短历时、低变率、小径流的特点,是最为普遍的类型。E型径流具有中历时、中变率、中径流的特点。不同径流类型下的输沙模数、平均含沙量及最大含沙量由大到小依次为:CBEDA,B、E、C型径流应是坡面径流调控的重点。不同径流类型输沙模数的差异主要来源于径流量(深)的变化,相同径流量(深)条件下,不同径流类型输沙模数的差异主要来源于由径流历时和径流变率所引起的水沙传递关系的改变;与A型径流相比,其作用使D、E、B、C型径流的输沙模数相对增大7.9、6.3、4.8和4.5倍,增大倍数随径流量(深)的增加呈逐渐减小趋势。通过构建包含主要径流特征指标的动力参数ξ,对不同径流类型及径流阶段的径流-泥沙传递关系进行数学描述,其最优回归关系均符合S=alnξ+b的一般形式,能合理解释不同径流类型及不同径流阶段含沙量变化的主要驱动因素。研究结果可为坡面径流类型划分、水沙传递关系构建、全面评估坡面径流调控系统的水土保持意义、进一步丰富坡面径流调控理论的内涵提供一定的参考。     

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。     

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。     

土壤结皮对降雨入渗和产流产沙的影响

 依据250场次人工降雨和相应的径流、泥沙资料,采用对比法,分析结皮与无结皮土壤对降雨入渗和产流产沙的影响。结果表明,非结皮土壤的平均入渗率是结皮土壤的1.25倍,平均产沙总量为1.28倍,而结皮土壤的平均产流总量是非结皮土壤的1.15倍。因此,土壤结皮具有减缓降雨入渗、增大地表径流和抑制产沙的作用,且雨强愈小影响作用愈大,雨强愈大,影响作用愈小。     

基于GRNN的坡面径流输沙能力模型的试验研究

坡面径流输沙能力是建立土壤侵蚀过程模型的重要水力学参数,研究定量计算坡面径流输沙能力的实用模型具有重要的理论和实践意义.通过室内模拟径流冲刷试验,计算不同坡度和流量条件下的裸地坡面径流输沙能力,利用平均影响值(MIV)方法对影响坡面径流输沙能力的因子进行分析,建立以干密度、能坡、进口流量、出口流量、水力半径、流速为输入,以坡面径流输沙能力为输出的广义回归神经网络(GRNN)模型,并应用Adaboost算法对模型进行优化.验证结果表明,所建模型能够用于对坡面径流输沙能力的模拟预测.与BP神经网络模型进行对比分析的结果表明:在试验训练样本条件下,广义回归神经网络(GRNN)模型的模拟预测结果优于BP神经网络模型;Adaboost算法能够有效减小广义回归神经网络(GRNN)模型的模拟预测误差.     

人工降雨条件下黄土坡面养分随径流迁移试验

降雨条件下坡面农用化合物随地表径流迁移既是农业问题,又是水环境问题。利用室内人工降雨模拟试验,研究了黄土坡面不同坡度下土壤氮、磷和钾随地表径流迁移的特征。研究结果表明,在定坡长土槽坡度变化为5°～25°范围内,初始产流时间随坡度增大呈先变小后增大的趋势;产流15 min内,径流量均急剧增加,随后趋于稳定。随着坡度增加,水土流失程度加剧,径流溶质浓度增高,土壤侵蚀对径流溶质浓度的贡献增大。基于指数函数和幂函数拟合试验数据的结果,表明了幂函数模型更适合模拟黄土坡面非饱和条件下径流溶质浓度变化过程,也可描述径流磷和钾的流失过程,但其初始阶段的拟合不太令人满意。该研究为进一步完善黄土坡面径流养分迁移模拟模型提供了参考。     

降雨强度对黄土坡面矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验，研究了黄土区土壤矿质氮素随地表径流迁移流失和入渗的动态变化，初步探讨了径流与土壤矿质氮素的作用深度EDI，并提出了EDI深度的确定方法。结果表明：土壤矿质氮素流失是降雨、径流与表层土壤矿质氮素作用的结果，随径流流失量显著高于随泥沙流失量，地表产流过程径流养分浓度呈现高—低—较高变化；降雨(降雨强度)和径流是土壤溶质迁移的动力，对土壤矿质氮素随径流流失和入渗有着重要影响。雨强增大，土壤矿质氮素流失量、径流作用深度(EDI)和土壤硝态氮入渗锋值深度均增加；同一坡面不同坡位土壤NO^－₃-N与径流有效作用深度(EDI)和浓度锋值深度不同，坡中下部最深，坡顶部和坡底部较浅；土壤NO^－₃-N和土壤NH⁺₄-N入渗和再分布过程截然不同。     

高分子聚合物对土壤物理及坡面产流产沙特征的影响

 为研究高分子聚合物对土壤改良和防治水土流失的作用,选择聚丙烯酸、聚乙烯醇、脲醛树脂3种高分子聚合物,通过室内试验和人工模拟降雨试验,以不同浓度施入土壤,观察其对土壤物理及坡面产流产沙特性的影响。结果表明:1)3种高分子聚合物均是较好的土壤结构改良剂,经聚合物处理后的土壤水稳性团粒含量平均增加17.27%,渗透性能提高41.81%,密度减小11.18%,土壤持水能力较对照提高2.8倍。2)坡地喷施上述高分子聚合物能显著推迟产流时间,降低产流速度,与对照相比,施加聚合物的坡地减少径流量42.05%、土壤侵蚀量58%以上。3)根据其对土壤改良、减流减沙、防治土壤侵蚀效果的影响,确定3种高分子聚合物最佳施用浓度范围分别为116～145mL/m2,36～40 g/m2,180.0～240.0mL/m2,其中聚丙烯酸为作用效果最显著的高分子聚合物。上述3种高分子聚合物在改良土壤,防治水土流失方面有广泛的应用前景,今后还需对其效果持续性、最佳施用量等进一步研究。     

基于VFSMOD模型的黄土坡面生草带产流产沙动态模拟

利用微型径流小区和人工降雨试验,探讨运用VFSMOD模型评估和预测引入不同草种生草带后黄土坡面产流产沙动态特征的可行性。通过土壤物理性质参数和生草带生长状态参数的差异,模型还原了黄土坡面引入白三叶生草带与百脉根生草带后产流产沙特征的差异及其随生长时期的变化,模拟效果可靠,纳什系数:0.93(径流系数),0.98(修正后产沙量);归一化均方根误差:6.2%(径流系数),10.9%(修正后产沙量)。当生草带在降雨集中期(如本研究中百脉根草带9月上旬)不能保证较好的生长状态和地表覆盖时,其坡面产沙量急剧增大,且明显大于VFSMOD模型模拟值。在实际生草带设计时,应避免该情况发生。综上,VFSMOD模型适用于引入生草带后黄土坡面产流、产沙量的模拟和预测。     

地表粗糙度对黄土坡面产流机制的影响

为探明地表粗糙度对坡面产流机制的影响,该研究通过室内与室外径流小区模拟降雨试验相结合,分析在3种雨强(60、90、120 mm/h)下粗糙坡面与平整坡面(坡度5°、10°、15°、20°)产流点位空间分布和坡面产流时间特征,阐明地表粗糙度对坡面产流机制的影响。结果表明:粗糙坡面与平整坡面产流点位沿径流方向的变异系数分别为34.4%~52.9%、15.5%~31.1%,即粗糙坡面产流点位较平整坡面更为分散。相较于平整坡面,地表粗糙度具有推迟坡面产流效应,且推迟效应随坡度、雨强增大而逐渐减弱。表明地表粗糙度在小坡度、小雨强条件下具有较强延迟坡面产流能力。地表粗糙度影响坡面产流一方面通过地表填洼的直接作用;另一方面通过增加降水入渗水头,增强坡面入渗能力的间接作用。通过坡面地表填洼量预测的初始产流时间与实测坡面产流时间比值范围为2.2%~36.2%,表明地表粗糙度间接作用为延迟坡面产流的主导作用。因此,该研究结果阐明了粗糙坡面的点状产流与坡面产流特征,进一步为粗糙坡面产流机制的揭示及地表粗糙度对坡面土壤侵蚀机理的影响提供了科学依据。