黄土丘陵沟壑区坡沟系统切沟侵蚀数值模拟

切沟侵蚀过程既是侵蚀输沙发生变化过程,也是其侵蚀地貌的发展演变过程,为了说明切沟形态随时空演化过程,应用质量守恒原理和理论分析方法,论述切沟侵蚀过程与形态发育模型实现的原理和过程,建立切沟侵蚀输沙微分方程、下切方程,并进行数值模拟.通过模拟计算,得到不同时刻和不同坡长下的切沟底部高程变化数据;经过与坡沟系统模型试验观测结果进行比较检验,沟深平均相对误差在15％以内,取得了较高的模拟精度.这表明建立的模型合理,模拟结果与实际切沟下切的动态变化过程相符,可以用于模拟切沟下切发育过程.     

晋西黄土丘陵沟壑区小流域产流产沙分析

本文以王家沟流域作为晋西黄土丘睿区典型示范区,分析小流域在多年的综合治理情况下,影响其产流产沙的两大因素－动力和下需。根据两大因素之间各个因素的模糊特征采用灰色关联分析法,得出目前小流域产流产沙的原因为草地的减少和内道、沟坡、“Ｖ”形沟头的防治工程薄弱以及坡耕地的退耕还林速度慢,这些是今后重点治理防护区域,其次为降雨,最后是造林和基本农田 。     

乌拉山废弃矿区坡长对客土坡面产流产沙与沟蚀特征的影响

为研究不同坡长客土坡面产流产沙及沟蚀特征差异变化,通过设计2个坡度(15°,20°)下不同坡长(2,4,6,8,10 m)的野外径流小区进行冲刷试验。结果表明:(1)初始产流时间变化范围与产流停止时间均随坡长增加而增大,产流率初期快速增加,达到初次峰值后呈现不规律波动,累积产流量随坡长增加而增多;产流率、累积产流量与坡长、产流时间及其交互作用呈极显著相关(p＜0.01),累积产流量在2种坡度下均与坡长、产流时间呈幂函数相关。(2)产沙率初期快速增加,达到初次峰值后随冲刷时间逐渐下降,其均值随坡长增加而增大,总累积产沙量随坡长增加而增多;累积产沙量与坡长、产流时间的交互作用呈极显著相关(p＜0.01),累积产沙量在2种坡度下均与坡长、产流产流时间呈幂函数相关。(3)侵蚀沟平均横截面积自顶端呈现沿坡面减小,以及减小—增加—再减小2种趋势。累积产沙量与估算沟蚀量具有极显著相关性(p<0.01),其差值随坡长的增加而增加,其比率随坡长增加呈先上升后下降趋势,最大值出现在6 m坡长。研究结果为矿山修复客土坡面水土流失防治及侵蚀模型建立提供技术支持。     

黄土丘陵沟壑区不同植被坡面产流产沙效应研究

为了分析新栽种植被坡面的产流产沙特性,基于罗玉沟流域试验站的自然降雨数据及3种植被(新栽植杏树、小冠花、冬小麦)覆盖小区的产流产沙数据,分析了不同坡度(10°、15°、20°)和不同雨型条件下各小区的产流产沙规律。结果表明:①不同坡度下各小区的产流量、产沙量均为林地最小,牧草地次之,农地最大。②雨型Ⅰ、Ⅱ条件下,各小区平均产流量均为林地小区<牧草地小区<农地小区。雨型Ⅰ条件下各小区平均产沙量牧草地小区<林地小区<农地小区,雨型Ⅱ条件下平均产沙量林地小区<牧草地小区<农地小区。③牧草地产流量与降雨量之间呈极显著正相关关系,农地产流产沙量与降雨量之间,产流量与平均雨强之间存在显著正相关关系。     

重力侵蚀黄土沟壑区沟坡产沙特性

沟坡是黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙的主要来源,其侵蚀规律的研究可为流域水土保持措施优化配置提供科学依据,对该地区的防灾减灾和可持续发展具有重要现实意义。在多种坡度、坡高的陡坡模型上进行了模拟降雨试验,分别采用地貌仪和径流泥沙采样装置对次降雨过程中沟坡的重力侵蚀量和产流、产沙过程进行了动态监测和定量分析。结果表明:重力侵蚀在高含沙水流的形成中起着十分重要的作用,但不是每次重力侵蚀的发生都能导致高含沙水流;次降雨过程中,含沙量和输沙率均随降雨历时呈现上升趋势,特别是次降雨的中后期,含沙量和输沙率的增大趋势都比较明显;历次降雨事件中,次降雨30min全过程出口径流的平均产沙量和次降雨中后期出口径流平均产沙量的变化趋势一致;次降雨过程中,出口径流含沙量与输沙率随坡度的增大呈整体波动式增大,但与坡高关系不显著。总之,在黄土沟坡区,重力侵蚀对产沙过程有显著影响。     

基于模拟降雨的坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征研究

利用水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室全自动人工降雨系统,对人工模拟的裸露坡沟系统进行了3组不同降雨强度的模拟试验,对坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征进行了分析。结果表明:坡沟系统侵蚀产沙量随降雨历时增加呈波动增加趋势,沟谷中部和坡面过渡区域侵蚀发育较早且发展最快,沟谷产沙及沟谷径流含沙量对坡沟系统出口径流含沙量的贡献最大,坡沟系统中沟谷中下部和坡面-沟谷过渡区域为侵蚀易发区域。在实践中建议采取工程和植物措施,着重治沟、兼顾治坡,有助于控制黄土高原沟道的侵蚀产沙。     

黄土丘陵沟壑区坡向对产流产沙影响的研究

坡向是坡面产流产沙的重要影响因素。以黄土高原岔巴沟流域新庄径流试验场阴坡和阳坡2个径流小区为研究对象,根据发生在阳坡农地和阴坡荒坡地上的11场降雨事件,对阳坡和阴坡上的产流产沙状况进行了对比分析。结果表明:2个径流小区的产流产沙差异显著。阳坡农地由于太阳辐射量和温度高于阴坡,土壤含水量较低,同时表层土壤扰动较阴坡荒坡地大,土壤孔隙度高,使其产流能力小于阴坡;阳坡土质疏松,沙量来源充沛,径流含沙量和侵蚀模数大于阴坡的概率分别在88%和85%以上。降雨强度对阴坡、阳坡产流产沙差异的影响显著,阴坡和阳坡的产流产沙均在0.05的概率水平上受平均降雨强度的显著影响,表现出平均降雨强度越大阴坡、阳坡产流产沙差异越明显的特征,而降雨量对阴坡、阳坡产流产沙差异的影响并不明显,这是黄土高原超渗产流的特征之一。     

坡沟产沙关系及其侵蚀机理研究进展

坡沟系统侵蚀过程及其机理研究是当前土壤侵蚀过程研究的热点和难点所在。回顾了对坡沟侵蚀形态垂直分带、坡沟侵蚀产沙特征、上方来水来沙对土壤侵蚀过程的影响、坡沟侵蚀水力学机理以及坡沟侵蚀动力学机制的研究进展。分析了研究中存在的问题，提出了有待于进一步开展的研究工作。     

黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应

黄土高原地区的梯田和淤地坝措施发挥了重要的水土保持功能,然而现有的研究主要关注单个措施的减水减沙效应,对坡沟治理措施综合配置协同调控水沙过程的作用一直认识不清。因此,该研究为解析梯田和淤地坝措施对水沙过程的协同调控效应,构建了10个坡沟系统物理模型,设置了对照组（CO）,单一措施组（梯田措施（T0）,4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短（L1、L2、L3和L4））和组合措施组（梯田与4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短的综合配置（T1、T2、T3和T4））,进行降雨强度为90 mm/h的室内模拟降雨试验,量化不同试验方案下坡沟系统的产流产沙过程。结果表明：1）梯田措施和淤地坝淤积导致坡沟区域坡长缩短均有效调控了坡沟系统的产流产沙过程,梯田能分别减少46.30%～83.59%的径流总量和25.82%～82.41%的泥沙总量,淤地坝导致坡沟区域坡长缩短能分别减少7.87%～33.42%的径流总量和10.20%～30.57%的泥沙总量。2）不同试验方案下坡沟系统的产沙率和产流率之间满足线性关系,而累计产沙量和累计产流量满足幂函数关系。3）综合措施配置发挥了“1+1> 2”的水土保持...     

黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀产沙地形因子的临界条件

用能量的观点来解释坡度、坡长、降雨对坡面侵蚀产沙的影响。通过分析安塞水土保持研究站、晋西离石县王家沟小流域的小区资料,研究坡度、坡长、降雨对坡面侵蚀产沙的影响。结果表明：降雨特性（雨量、雨强）对坡面侵蚀产沙的作用最大,坡度次之,坡长最小;坡面侵蚀产沙的临界坡度分别受降雨、坡长大小的影响,临界坡长分别受降雨、坡度、坡长大小的影响;临界坡度、临界坡长都不是一个确定的值,但在一定范围内变化,变化范围由降雨、坡面地形等因素决定。研究成果可为黄土丘陵沟壑区坡面治理提供理论依据。     

坡沟系统侵蚀产沙特征模拟试验研究

坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间，揭示其侵蚀产沙特征对于认识流域侵蚀产沙及建立流域土壤侵蚀预报模型有重要意义。采用放水冲刷法，通过2.125、3.205、5.250、7.185 L/min 4个不同的放水流量，在4 m长坡面(坡度为20°)和3 m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统上，对坡沟系统的侵蚀产沙特征进行了模拟试验研究。结果表明：对试验条件下的每一个放水流量来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势。沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水流量2.125 L/min时的38.13％，增加到放水流量7.185 L/min时的56.01％。对于黄土高原水土流失治理，单纯治坡或治沟均不能明显减少土壤流失量，采取坡、沟兼治才是有效减少土壤流失的有效措施。     

黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验

为了研究坡沟系统中坡面与沟道之间的侵蚀产沙关系,该研究采用双坡段（坡面和沟坡）组合模型,通过室内放水冲刷试验,结合REE示踪技术,研究了黄土高原地区径流的水动力学特性。结果表明：在试验流量范围内,坡沟系统径流雷诺数变化位于342.3～858.8之间,且变化幅度随冲刷历时的增大而增大;弗罗德数变化位于1.36～8.92之间,且具有时空分异特征。相同流量下,坡沟系统的坡面径流流速沿程有先增大后减小的趋势,在从坡面向沟坡过渡时,各流量下的流速均达到极小值,进入沟坡以后,流速又开始增大。当流量相同时,Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数沿程均呈先减小后增大然后再减小的趋势。该研究为黄土高原坡沟系统侵蚀产沙模型的建立提供理论依据。     

黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙来源模拟试验

为了进一步明确黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙主要来源及其动态变化过程,该文利用室内概化坡沟系统模型,结合稀土元素（REE）示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原的坡沟系统侵蚀泥沙来源问题进行了研究。结果表明,在该试验的坡沟系统中,侵蚀泥沙主要来自坡沟系统的坡面,距离坡面顶端2 m的侵蚀产沙量占到坡面总侵蚀量的57%～74%,沟坡部分的侵蚀产沙量较少;坡面部分的4种示踪元素侵蚀带,在流量为6、8、10和14 L/min时,各个侵蚀带的侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Tb元素示踪带＞Sm元素示踪带,但在流量为12 L/min时,侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Sm元素示踪带＞Tb元素示踪带;坡面侵蚀产沙泥沙百分比随着冲刷历时的增长,总体上呈现出波动式的递增趋势,25 min以后又开始减小,沟坡侵蚀产沙量的变化趋势与坡面相反。研究为黄土高原小流域坡沟的治理提供了科学依据。     

黄土高原坡沟系统重力侵蚀数值模拟研究

采用有限差分软件FLAC3D对黄土高原坡沟系统重力侵蚀机理进行探索,对坡沟系统应力场和位移场进行数值模拟,分析了不同侵蚀基准面抬升高度对坡沟稳定性及重力侵蚀的影响。结果表明,随侵蚀基准面逐渐抬升,坡沟系统逐渐稳定,最大位移、安全系数及滑塌概率的变化符合指数函数分布规律。拟合方程精度较高,可应用于坡沟重力侵蚀的定性分析与定量计算。凹形边坡整体几何形态能够有效降低应力集中,减缓重力侵蚀的发生程度;坡沟系统上部位移是以"沉降"模式为主,梁峁顶和梁峁坡是重力侵蚀最为强烈的部位。随侵蚀基准面逐渐抬升,各方向位移均有不同程度降低。     

黄土丘陵沟壑区小流域水沙侵蚀过程的情景模拟分析

在黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀水沙耦合数学模型基础上,以黄河中游典型流域岔巴沟流域为研究对象,根据工程水文学设计暴雨的方法生成各种假设暴雨过程,在固定下垫面不变的条件下,进行模拟计算并分析流域100年一遇、50年一遇和10年一遇设计暴雨的产流产沙效应。在几种不同的假设植被覆盖度下,分别模拟计算同一场典型暴雨在不同植被覆盖条件下的水沙侵蚀过程。模拟结果表明：1）根据岔巴沟流域100年一遇（P=0．01）、50年一遇（P=0．02）和10年一遇（P=0．1）设计暴雨3种情景下的水沙计算特征可知,100年一遇降雨（P=0．01）对应的洪峰流量和沙峰分别为805m^3／s和77．5万kg／s,50年一遇降雨（P=0．02）对应的洪峰流量和沙峰分别为595m^3／s和50．2万kg／s,10年一遇降雨（P=0．1）对应的洪峰流量和沙峰分别为108m^3／s和12．1万kg／s,根据以上计算结果可大致推断1970-2000年的绝大多数侵蚀观测场次的水沙重现期在10年一遇和50年一遇之间;2）该流域植被覆盖度的减水减沙效应显著,增加25％植被覆盖将减少水量73％和沙量84％,而减少25％的植被覆盖将增加29．9％的径流和18．6％的泥沙。不同降雨和植被覆盖条件下的水沙侵蚀过程情景模拟分析结果可为黄土高原丘陵沟壑区流域水土保持工程规划与设计提供依据。     

黄土高原径流侵蚀功率输沙模型的改进

水土流失对流域生态危害严重,输沙量模拟和预测可以为流域水土流失防治提供依据,因此精确的输沙模型是流域水土流失治理的重要工具。为了精确模拟变化环境下黄土高原年输沙量,该研究基于黄土高原19个水文站的径流和输沙数据,通过随机森林变量重要性度量方法评估年径流侵蚀功率、淤地坝指数、淤地坝相对指数、归一化植被指数、不透水地面积等因子对流域年输沙量的影响,使用非线性最小二乘法估算年输沙模型参数,对比分析不同因子组合的年输沙模型精度,提出适用性较强的黄土高原年输沙模型,据此开展年输沙量变化贡献率分析。结果表明：1）以幂函数形式构建的仅含径流侵蚀功率单因子输沙模型精度与流域面积有显著的负相关关系,相关系数为-0.505（P<0.05）,模型精度随着流域面积增大而下降,在大于7 000 km2的流域适用性较差;2）年径流侵蚀功率、淤地坝指数及不透水地面积因子组合建立的多因子年输沙模型在黄土高原适用性最佳,模型在率定期NSE平均值为0.84,RMSE平均值为0.21亿t,在验证期纳什系数平均值为0.79,均方根误差平均值为0.27亿t。3）影响研究流域年输沙量变化的因素依次是：年径流侵蚀功率、不透水地面积和淤地坝指数。研究可以为黄土高原不同区域水土流失防治和生态治理工作提供理论支撑。     

放水冲刷条件下坡面植被空间布局对坡沟系统侵蚀产沙的影响研究

植被在有效防治水土流失、改善生态环境中具有不可替代的重要作用。研究表明,土壤表面没有植被的降雨侵蚀量是未扰动森林土壤的16倍[1]。Zheng在子午岭林区的研究也发现,当地表植被生长良好时,降雨、地形、坡度等因素对土壤侵蚀量的影响很小。而土壤表层一旦失去植被保护或根系的固结时,降雨和地形等因素对侵蚀的作用则十分     

冲刷条件下黄土丘陵区浅沟侵蚀形态及产流产沙特征

浅沟是农耕区特有的一种侵蚀沟类型,浅沟侵蚀是耕地土壤流失的主要方式之一。该文采用野外放水冲刷试验,研究黄土丘陵区典型坡耕地浅沟在不同坡度及放水流量条件下的产流产沙及侵蚀形态特征。结果表明:1)产流时间变化范围7.00~68.02 s,与坡度×放水流量交互项呈极显著负指数幂函数关系。稳定径流率变化范围3.06~23.71 L/min,与放水流量呈极显著线性函数关系,并随坡度的增大呈增大趋势。稳定流速变化范围27.35~55.59 cm/s,与坡度×放水流量交互项呈极显著幂函数关系;2)产沙率呈波动减小-稳定和增大-波动减小-稳定2种变化趋势,平均产沙率随放水流量的增加呈极显著指数函数增大,随坡度增加先增大后减小,并在26°条件下存在临界值;3)侵蚀沟槽平均宽、深变化范围分别为4.45~17.09、1.88~10.15 cm,平均宽深比变化范围1.45~2.39。平均横断面面积变化范围为11.40~197.91 cm2,是描述浅沟侵蚀产沙量的最优形态因子,二者呈极显著线性函数关系。结果可为黄土丘陵区浅沟防治及浅沟侵蚀产沙模型的建立和修正提供参考。     

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。