不同土壤坡面细沟侵蚀差异与其影响因素

采用室内纯净水人工模拟降雨试验,在坡度为10°、15°、20°、25°坡面,土槽为5 m、10 m两种规格,对两种土壤((土娄)土与黄绵土)分别进行雨强为1.5 mm min-1,的降雨实验,利用三维激光扫描仪对每一场降雨后的坡面进行监测,分析不同坡度对细沟侵蚀的影响,比较两种土壤坡面细沟侵蚀的差异,以及其差异的影响因子.结果表明:(土娄)土土壤颗粒以粉粒与黏粒为主,粉粒占总质量的64.12％,黏粒为28.42％.黄绵土的土壤颗粒以粉粒为主占总质量的67.95％,黏粒与沙粒含量较少,黏粒占14.52％,沙粒占17.53％.在相同条件下,(土娄)土降雨过程中人渗缓慢,产流时间、坡面流速均快于黄绵土,跌坎出现时间也较早,使其更容易产生细沟.(土娄)土的径流量高于黄绵土,在降雨过程中,径流稳定时间较早.(土娄)土侵蚀量高于黄绵土,(土娄)土产沙率呈增加趋势,黄绵土含沙量变化不明显.从坡面细沟发育来看,(土娄)土坡面细沟成平行状分布,黄绵土细沟为较宽树枝状.     

坡面细沟侵蚀垂直分布特征研究

基于土壤侵蚀ＲＥＥ示踪法的技术需要，对全坡长小区细沟侵蚀垂直分布特征进行了分析研究。在野外实地量测的基础上，首先提出了表征细沟侵蚀形态，强度的三个参数，即细沟平面密度细沟平均深度及细沟侵蚀强度，并对上述参数垂直变化特征进行了分析、计算，最后分析了全坡长小区细沟相对侵蚀量在垂直方向上的变化，初步得出细沟侵蚀强烈地段在坡面的中下部位，约占坡面细沟侵蚀总量的７０％以上。     

坡面细沟流侵蚀临界条件研究

从适用于陡坡的水动力学模型出发,研究坡面水流细沟侵蚀临界状态的判断方法。讨论了坡长、坡度、坡面投影长对细沟侵蚀的影响,采用临界摩阻流速随坡度变化、临界摩阻流速不随坡度改变两种假定分别进行模拟计算,以摩阻流速作为判别坡面细沟流侵蚀临界状态的水动力学指标,在给定的坡面尺寸、净雨强和初始微地形条件下,计算得出了细沟流摩阻流速达到临界值时所对应的坡度。     

7Be示踪坡耕地次降雨细沟与细沟间侵蚀

对于坡面细沟与细沟间侵蚀过程的了解是建立侵蚀预报模型的基础,但传统方法难以对其进行深入研究。利用7Be示踪技术并结合人工模拟降雨,考虑坡脚沉积作用,研究了25°坡耕地径流小区次降雨过程中细沟与细沟间侵蚀动态。结果表明：根据流出径流小区泥沙7Be含量变化计算坡面明显细沟出现时间,由于坡脚沉积作用使得A、B两试验小区这一时间比实际细沟出现分别延迟了45 min和11 min;根据坡面-侵蚀泥沙中7Be总量守恒和泥沙质量平衡原理,坡面细沟间侵蚀及细沟侵蚀在坡面总侵蚀、坡脚沉积区泥沙及流出径流小区泥沙中的比例被定量区分开;总体上,细沟间侵蚀量在径流泥沙中的比例逐渐减少,而细沟侵蚀量逐渐增加。两试验小区中7Be示踪计算坡面细沟侵蚀量和坡脚沉积量与实测值相比相对误差均较小,因此7Be示踪技术可以对土壤侵蚀进行较为准确地定量研究。     

玉米秸秆缓冲带防治黄土坡面细沟侵蚀的效果

采用室内人工模拟降雨试验,设计降雨强度100 mm/h,坡度20°,在2个玉米秸秆缓冲带布设坡位(斜坡长4.5~5.5 m和6.5~7.5 m)与2个降雨历时(单次降雨30 min和2次连续降雨30 min+30 min)的试验处理组合,研究在黄土坡面不同坡位布设玉米缓冲带对防治细沟侵蚀的影响。结果表明:1)玉米秸秆缓冲带可减少坡面侵蚀量和细沟侵蚀量,其中,坡面侵蚀量减少7.3%~14.2%,细沟侵蚀量减少11.0%~30.6%,细沟侵蚀量对坡面侵蚀的贡献率减少3.4%~15.0%,径流含沙量降低5.5%~12.8%;2)单次降雨情况下在斜坡长4.5~5.5 m处布设玉米秸秆缓冲带防治侵蚀的效果最佳,坡面侵蚀量、细沟侵蚀量和径流含沙量分别减少14.2%、30.6%和11.6%,细沟平面密度和细沟平均深度分别减少12.9%和21.9%;3)2次连续降雨情况下在斜坡长6.5~7.5 m处布设玉米秸秆缓冲带防治侵蚀的效果较好,坡面侵蚀量、细沟侵蚀量和径流含沙量分别减少13.5%、25.0%和5.5%,细沟平面密度和细沟平均深度分别减少15.5%和16.3%。     

细沟间侵蚀影响因子交互作用定量分析

细沟间侵蚀是多种影响因子共同作用形成的复杂过程,不同因子的作用依赖于其他因子的变化而变化。利用前人已发表数据,基于多元线性回归分析,定量分析土壤类型、雨强、坡度和坡长对坡面细沟间侵蚀过程影响及因子间交互作用效应。结果表明：雨强、坡度、细沟间可蚀性及坡长对细沟间侵蚀率的影响具有正向效应,雨强对细沟间侵蚀率的贡献最大（62.93%）。因子间交互作用分析表明,坡长的增加对坡度因子的贡献具有促进作用,对雨强因子的贡献具有抑制作用;坡度增加对坡长因子的贡献具有先促进后抑制的作用,对雨强因子的贡献则相反,20%为坡度对坡长和雨强交互作用方向变化的拐点;雨强增加对坡长因子和坡度因子具有正向交互作用,但是与坡长相比,坡度对雨强的依赖性更强。     

基于无人机贴近摄影测量的坡面细沟侵蚀及形态演化研究

[目的]寻求效率和精度均高且适应性强的坡面细沟侵蚀测量技术手段,克服传统测量方法效率低,成本高,适用性差等问题,为坡面细沟侵蚀演变过程及定量化研究提供新的思路和技术手段。[方法]利用无人机通过贴近摄影测量获取连续6场人工模拟降雨下坡面细沟发育的高分辨率影像及模型,经定位精度、模型精度和侵蚀模拟3个方面验证,定量揭示坡面细沟侵蚀及形态演化过程的可行性。[结果](1)三维实景模型地理配准均方根误差RMSE_3D=1.5 cm,像控点平面误差RMSE_H=0.42 cm,高程误差RMSE_V=0.88 cm,模型细节及纹理清晰,分辨率达到毫米级。(2)多期模型能够清晰刻画细沟发育经历的雨滴溅蚀—片蚀—小跌水—断续细沟—连续细沟5个阶段。坡面细沟平均沟宽、沟深、密度分别从最初的1.25 cm, 0.82 cm, 0.05发展到最终的3.27 cm, 4.75 cm, 0.23,最大沟长236 cm,最大沟深14.23 cm。(3)细沟土壤侵蚀量模拟值随着降雨历时的增加不断接近真实值并趋于稳定,平均误差在10%以内。[结论]无人机贴近摄...     

不同坡长与雨强条件下坡度对细沟侵蚀的影响

采用室内纯净水人工模拟降雨试验,以坡度为10°,15°,20°和25°,土槽为5,10m2两种规格,进行了降雨强度分别为1.5和2.0mm/min的降雨试验。利用三维激光扫描仪对每一场降雨前后的坡面进行监测,分析了不同坡长,降雨强度条件下坡度对细沟侵蚀的影响。结果表明,产流时间随坡度的变化并没有显著的规律性,跌坎出现时间随坡度的增加而缩短,产流时间与跌坎出现时间主要由降雨强度控制,坡长增长对产流时间的提前有促进作用。径流量随着坡面由缓变陡呈现先增加后减少变化,在降雨总量相同,不同雨强条件下,坡面径流量差异不大。坡面侵蚀量随坡度的增加而增大,降雨强度在一定程度上增强坡度对侵蚀量的影响,而坡长在一定程度上会减弱坡度的影响。侵蚀速率随降雨历时的变化速度随坡度的增加表现为先增加后减缓,并存在临界坡度。降雨强度和坡长会增强坡度对侵蚀速率的影响。     

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。     

基于三维激光扫描仪的坡面细沟侵蚀动态过程研究

 利用三维激光扫描仪探索多场降雨情况下同一坡面细沟侵蚀的动态过程,为解释细沟侵蚀过程提供一定的理论依据。采用室内人工模拟降雨,在坡度为15°的土槽上进行恒降雨强度的7场降雨冲刷实验,利用三维激光扫描仪对每场降雨冲刷后的坡面形态进行了监测,定量分析坡面细沟侵蚀的动态发育过程。结果表明：前2场降雨与后5场降雨产流产沙过程和细沟侵蚀发育过程有较大差异,细沟从第3场降雨开始明显发育。表现为小跌水一下切沟头一断续细沟一连续细沟一细沟沟网的发育过程。通过三维激光扫描仪精确监测7场降雨坡面各点微地形变化,发现细沟平均沟宽、平均沟深、沟长最大值、细沟平均密度在前2场降雨增长幅度较小,至第3场降雨后开始迅速增人,细沟侵蚀强度不断加强。侵蚀强度由第1场降雨的0. 103 kg/m2发展至第7场降雨的8.788 kg/m2,增加了84倍。     

利用照片重建技术生成坡面侵蚀沟三维模型

该文利用运动恢复结构(structure from motion,SFM)、多视图立体视觉(multi-view stereo,MVS)技术,提出了一种坡面侵蚀沟三维模型的快速重建方法。首先对普通相机拍摄的照片采用尺度不变特征变换(scale-invariant feature transform,SIFT)完成特征点的提取与描述,随机采样一致性算法(random sample and consensus,RANSAC)过滤掉最近邻匹配(nearest neighbor,NN)产生的误匹配点;然后通过SFM方法,迭代求解出相机矩阵和三维点坐标,用光束法平差(bundle adjustment,BA)进行非线性优化,确保误差的均匀分布和模型的精确;再使用基于面片的多视图立体视觉算法(patch-based multi-view stereo,PMVS),在局部光度一致性和全局可见性约束下,以SFM生成的稀疏点云为种子面片开始扩散,完成点云稠密重建。将照片快速重建方法获取的点云与地面激光扫描仪(terrestrial laser scanner,TLS)获取的点云及实测数据进行比较,结果表明,照片重建方法生成的点云稠密且能够完整展示侵蚀沟的发育形态,与TLS点云间的平均距离为0.0034 m,照片重建与三维激光扫描方法对侵蚀量的估算相对误差为8.054%,提取的特征线匹配率达89.592%。研究结果为侵蚀沟监测提供了参考依据。     

坡度对坡面细沟侵蚀的影响——基于三维激光扫描技术

采用室内人工模拟降雨试验,降雨用水为纯净水,试验坡度为10°、15°、20°、25°,降雨强度为1.5和2.0 mm/min,试验土槽分别为5和10 m,同时采用三维激光扫描仪对降雨前后坡面进行监测,分析不同坡度对细沟侵蚀的影响。结果表明:1)坡度对坡面产沙量影响显著,二者的关系可以采用二次项式拟合,坡面产沙量随着坡度的变陡先增加后减少;2)三维激光扫描技术能够准确地计算坡面细沟发育形态数据和细沟侵蚀量,不同坡度条件下细沟发育不同,细沟宽深比随着坡度的变陡而逐渐变小;3)细沟密度、细沟侵蚀量与坡度呈正相关关系,细沟发育程度随坡度的变陡而加剧。     

坡面细沟侵蚀断面形态发育影响因素分析及动力特性试验

研究细沟形态发育过程对认识细沟侵蚀具有重要作用,该文采用6种坡度(2°、4°、6°、8°、10°、12°),5种流量(8、16、24、32、40 L/min)下的组合冲刷试验,系统研究了坡面细沟横纵断面形态发育影响机制及动力特性。结果表明:细沟宽深比变化范围为3.006~4.884,根据水力最佳断面,细沟水流远未达到稳定。横断面形态系数随坡度的变化范围为0.36~0.522,细沟横断面形态随流量、坡度以及冲刷历时均趋近于梯形水力最佳断面,即阻力最小的断面。随着流程长度的增加,横断面形态由宽深逐渐变窄,横断面形态系数也随之减小。细沟纵断面形态范围为0.60~11.26,且随坡度的增大而增大,与流量相关性不大。综合阻力系数及消能率均与细沟纵断面形态系数呈良好的幂函数关系。     

多场次降雨对崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,因土质疏松,极易被侵蚀。细沟侵蚀特征是探讨崩积体侵蚀机制的重要内容。采用人工模拟降雨试验,研究多场次降雨条件（1.00、1.67、2.33 mm/min分别降3次雨）对崩积体30°坡面（5m×1 m）细沟侵蚀产沙过程及发育形态特征的影响。结果表明：1）1.00 mm/min降雨强度条件下,3次降雨的后期产沙过程趋于一致,而1.67和2.33 mm/min降雨强度条件下,前2次降雨后期产沙过程趋于一致,但第3次降雨后期产沙率急剧增大;2）各降雨强度条件下,沟头溯源作用、细沟平均宽度及深度随着降雨场次的增加而增加;3）不同降雨强度条件下的细沟特征存在差异,1.00和1.67 mm/min降雨强度时,随着降雨场次的增加,坡面的细沟数及细沟密度增加,宽深比减小,但在2.33 mm/min降雨强度条件下的结果恰好相反;4）各降雨强度条件下细沟侵蚀量及其增加幅度均增大,细沟侵蚀愈剧烈。     

黄土坡面细沟流水动力学特性

我国是土壤侵蚀最严重的国家之一,黄土高原地区的水土流失造成严重的生态环境恶化问题.为探求黄土细沟流的水动力学特性,从水力学及河流运动力学的角度出发,系统研究6种坡度(2.、4.、6.、8.、10.、12.),5种流量(8、16、24、32和40 L/min)组合水槽冲刷试验条件下细沟水流水动力学特征.结果表明:细沟流平均流速与径流流量呈幂函数关系,坡度对其影响较小,其原因同水流强度与床面形态的相互制约有关;黏性底层厚度与坡度、流量均呈现负相关关系;阻力系数与雷诺数无关,说明水流强度增加的同时,床面形态发育愈显著,即水流耗散能量增加愈显著,其值在0.16 ～1.45之间变化.研究结果对细沟水流水动力学的探究具有一定的理论价值,进而对黄土坡面水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义.     

降雨强度、坡度及坡长对细沟侵蚀的交互效应分析

为了对细沟侵蚀影像因素的交互效应分析方法进行探索,通过2个降雨强度(1.5和2 mm/min)、4个坡度(10°、15°、20°、25°)和2个模拟坡长(5、10 m)进行室内模拟降雨试验,采用回归分析的方法来探讨降雨强度、坡度及坡长对坡面产流、产沙及水流速度是否存在交互效应。结果显示:1)以单宽产流速率作为试验中坡面产流的表征指标,对其有显著影响的是降雨强度、坡度的主效应,以及坡长坡度的交互效应;2)含沙量是由降雨强度及坡度共同作用的结果;3)细沟间片流流速主要受降雨强度、坡度、距坡顶距离主效应的促进影响,无交互效应存在,而细沟间水流的变化中不仅有3因素的正向主效应影响,而且坡度与距离的交互效应也对其影响显著,但此交互效应表现为负。     

陡坡面发育的细沟水动力学特性室内试验研究

为了为黄土高原陡坡水蚀预报模型的建立提供科学依据,通过组合不同坡度（21°、24°、27°）、不同流量（6.5、8.5、10.5 L/min）的陡坡室内放水冲刷试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明,在试验的坡度和流量范围内,坡面流的雷诺数Re在798～4620之间变化,且雷诺数Re变化幅度随冲刷历时的增大而增大。而坡面流弗劳德数Fr在整个试验过程中均大于1,表明坡面流处于急流范围。坡面流阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大,其变化还受坡度的影响。坡面在径流冲刷侵蚀过程中,流速随冲刷时间的延长和冲刷形态的变化呈现出先减小后增大又减小的变化趋势。