基于体积法对黄土细沟侵蚀沿程分布模拟的研究

通过土槽冲刷试验结合体积法估算不同流量(2、4、8 L min-1)和坡度(5°、10°、15°、20°、25°)条件下,细沟侵蚀体积及其分布规律,进而研究黄土细沟侵蚀过程及坡度、流量对其的影响。结果表明:细沟侵蚀过程不是沿其均一恒定的,累积侵蚀泥沙量及含沙量均随着细沟的增长近似呈指数增加,且这个趋势在陡坡和大流量下更为显著。坡度和流量的增大均能造成累积侵蚀泥沙量及含沙量的增加,即导致细沟侵蚀程度加重,但是流量对于侵蚀的影响权重远大于坡度。且实测的侵蚀泥沙总量及水流含沙量与体积法测得累积侵蚀泥沙量及含沙量的对比验证了本试验体积法估算细沟侵蚀总量及沿程分布规律的准确性及实用性,其结果为细沟侵蚀动态过程研究及预测提供了理论依据。     

陡坡细沟含沙水流剥蚀率的试验研究及其计算方法

细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少，这一概念已在一些侵蚀模型（如WEPP）中得到应用。用黄土高原一种典型的粉壤土，在5种坡度（5°，10°，15°，20°，25°），3种流量（2，4，8 L/min）条件下进行了细沟侵蚀模拟试验，试验沟长0.5～8 m。通过405次试验，确定了不同坡度、入流量条件下，侵蚀产沙量与细沟长度的定量函数关系。在假定细沟径流和土壤侵蚀沿细沟的行为相同条件下，提出了一种计算含沙水剥蚀率的方法，并进一步表达了细沟剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系。实验结果在15°，20°，25°时表现出很好的显著性。     

东北黑土坡耕地不同水力条件下坡长对土壤细沟侵蚀的影响

集中水流条件下细沟土壤侵蚀过程对研究细沟侵蚀机理与土壤侵蚀预报有着重要的意义,并且为土壤侵蚀模型其他重要参数比如剥蚀率、可蚀性参数提供基础数据。为了研究东北黑土坡耕地不同水动力条件下坡长对土壤细沟侵蚀的影响,该文采用室内模拟试验方法,测量含沙量随坡长的分布。试验设计包括4个坡度(5?、10?、15?、20?)与3个流量(1、2、4 L/min),在不同水力条件下,测量不同坡长(0.5、1、2、3、4、5、6、7、8m)含沙量。结果表明含沙量在各种水力条件下均随坡长增加,且其增加的速率随坡长减小。对坡长与含沙量系列数据用幂指数函数拟合,其决定系数R2在0.85到0.99之间。因此,黑土坡耕地细沟侵蚀产生的含沙量随坡长呈幂指数增加,且含沙量在一定坡长之后将达到最大值。随坡度和流量的增大,水流在更短的坡长上侵蚀并携带更大的最大含沙量。该文对进一步理解与研究细沟侵蚀过程有着重要的意义,且为深入研究细沟侵蚀提供了数据支撑,为土壤侵蚀模型剥蚀率、可蚀性参数等提供依据。     

黄绵土坡面细沟侵蚀剥蚀能力试验

为研究黄土坡面细沟侵蚀规律,探究水流剥蚀能力的室内测算方法,以黄绵土为研究对象,设置2,4,6,8 L/min 4个流量,5°,10°,15°,20°4个坡度,土槽长度为12 m,进行室内径流冲刷试验,得到黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长和输沙能力,基于二者之间的函数关系,推导出剥蚀能力的计算公式,以此研究不同试验条件下临界沟长、输沙能力和剥蚀能力的变化规律,并验证方法的准确性。结果表明：在设计水力工况条件下,黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长的变化范围在5.33～11.12 m,且临界沟长随流量和坡度的增加而缩短;输沙能力随流量和坡度的增大而增大;剥蚀能力与流量之间存在明显的线性关系,与坡度之间存在较好的对数关系。试验方法与其他方法相比,操作便捷、结果吻合度高,能较好地确定黄土区细沟侵蚀的剥蚀能力。研究结果可进一步完善黄土坡面细沟侵蚀理论。     

确定陡坡细沟侵蚀含沙量的解析方法

该文介绍一种解析方法，由细沟剥蚀率与含沙量关系以及剥蚀率与水流含沙量及沟长的微分物理表达式，推求出了含沙量与沟长关系数学表达式。提出了一种侵蚀细沟含沙量量化计算的新方法。并将用该方法计算得到的两种流量下细沟水流含沙量结果与由试验值进行了比较，结果表明：两者相关密切，得到的R²值均很高，最低为0.81，验证了此解析式的有效性。验证了细沟土壤侵蚀的剥蚀率与水流含沙量的关系式的正确性。     

细沟股流剥蚀率与载沙量以及沟长的耦合关系

土壤剥蚀是指由侵蚀动力引起的土壤颗粒从土壤母质移动的过程。细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少 ,已有的一些侵蚀模型 (如 WEPP)均提到了这一点。用黄土高原一种典型的粉壤土 ,在 5种坡度、3种流量下进行了细沟侵蚀模拟试验。对试验结果进行了回归 ,分析了黄土高原斜坡及陡坡地、细沟股流剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系。这对细沟侵蚀动力过程的研究深入 ,以及对侵蚀过程的预测预报提供了有力的参考依据     

基于土槽冲刷法的紫色土侵蚀细沟剥蚀率研究

细沟剥蚀率是细沟侵蚀的重要组成部分,也是确定细沟侵蚀模型的关键参数。通过试验获取紫色土侵蚀细沟水流含沙量随沟长变化的过程数据,采用数值计算方法和解析计算方法估算细沟剥蚀率。结果表明:细沟剥蚀率随沟长增加呈幂指数下降;随含沙量增加呈线性递减。在坡度较陡、流量较大时,拟合效果更好。用解析法所得结果与用试验数据计算所得结果具有很好的一致性,表明了数值计算方法和解析法估算细沟剥蚀率均具有合理性,为紫色土细沟侵蚀过程参数的确定奠定了基础。     

黄土坡面细沟侵蚀发育阶段的影响因素及其效应分析

通过组合不同坡度(10°,15°,20°,25°)、不同坡长(5,10 m)、不同降雨强度(1.5,2 mm/min)的室内纯净水模拟降雨试验,对坡面细沟侵蚀发生过程进行阶段划分,并探索分析各阶段影响因素及其效应.试验结果显示,细沟侵蚀可以分为面蚀、细沟雏形、细沟发育和细沟调整4个阶段;面蚀阶段的坡面平均含沙量随着坡度的增大呈增大的趋势,降雨强度在此阶段对坡面侵蚀速率影响较坡度影响明显;细沟发育阶段坡面侵蚀产沙比例占总侵蚀比例最大,坡面总侵蚀量与细沟发育阶段最大15 min侵蚀量之间呈线性关系.     

确定侵蚀细沟集中水流剥离速率的解析方法

细沟中的泥沙主要来源于细沟流对土壤的剥蚀作用 ,细沟剥蚀作用的大小由剥蚀率来表述。剥蚀率是侵蚀过程预报模型的重要物理参数 ,本文创造性提出了一种确定侵蚀细沟集中水流剥离速率的解析方法。该方法用细沟侵蚀模拟试验所确定的沟长与水流载沙量的函数关系 ,以及相应的回归参数 ,通过将函数对距离求导数 ,得到了水流的剥离速率与细沟长度的函数关系。由此 ,进一步确定了剥离速率与水流载沙量的函数关系。将由解析法得到的剥离速率与由试验数据直接计算得到的结果进行了对比 ,得到不同坡度的确定系数下R2 值最小为 0 .65(坡度为 5) ,n=1 6 ,最好的拟合R2 值 0 .96(坡度为 2 0°) ,n =2 4 ,证明了该解析方法的可行性。     

细沟侵蚀动力过程极限沟长试验研究

由细沟产生的野外动力条件,设计了室内细沟侵蚀模拟冲刷实验。从能量角度,分析了不同动力条件下侵蚀产沙量随沟长的变化规律。采用黄土高原黄绵土,在实验室内用水槽进行了5种坡度、3种流量下不同沟长时的细沟土壤侵蚀产沙的模拟侵蚀试验,测量沟长为0.5～8m。提出了由细沟侵蚀产沙随沟长变化函数关系的回归结果,在给定误差限下,估计水流含沙量达到极限值——水流输沙能力的细沟长度的计算方法。并据此方法,求得了不同坡度、流量条件下细沟侵蚀产沙达到极限值的细沟长度,且在不同水动力条件下的R²均大于0.81。     

土壤侵蚀物理模型中紫色土细沟侵蚀参数研究

以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象,采用变坡限定性细沟土槽,研究不同流量、坡度和沟长情况下,紫色土细沟侵蚀特征,并量化了细沟侵蚀参数。结果表明:细沟侵蚀受水流水力特征、土壤性质和坡面影响,随着水流含沙量的增大,细沟侵蚀速率呈现减小趋势;流量越大,坡度越陡,细沟水流的剥蚀率越大,造成细沟侵蚀速率也越大。在5L/min的小流量下,细沟侵蚀速率受剥蚀率限制与含沙量没有出现线性关系,15,25L/min流量下,细沟侵蚀速率与含沙量呈线性相关。侵蚀速率在细沟开始处最大,随沟长的增大,水流能量消耗于挟带泥沙而迅速减小,相关性分析得到侵蚀速率与沟长呈指数递减,相关系数R2变化于0.45~0.98之间。通过回归分析得到试验条件下,紫色土细沟土壤可蚀性均值为0.005 3s/m,临界剪切力均值为2.92Pa。研究结果对于坡面土壤侵蚀物理模型的建立和推广应用提供数据支撑,为紫色土坡面侵蚀研究提供借鉴。     

Tracing sediment dynamics and sources in eroding rills with rare earth elements

Eroding rills evolve morphologically in time and space. Most current studies on rill erosion use spatially averaged soil erosion data, providing little information on soil erosion dynamics. A method is proposed to use rare earth elements (REEs) to trace sediment distribution in eroding rills. Laboratory flume simulation experiments were conducted at three flow rates (2, 4 and 8 litres minute^?1) and five slope gradients (5, 10, 15, 20 and 25°) with three replicates of each treatment. The rills, of 8 m length, were subdivided into 10 equal segments of 0.8 m length and 0.1 m width, with a different REE applied to each segment. We derived computational formulae for estimating the distribution of eroded amounts along the rills. The actual erosion distribution along rills was then estimated with the data from the experiments. The precision of the REEs for tracing rill erosion was analysed. The results showed that sediment concentration increased with rill length, but the increased rate (the slope of the curve) flattened gradually. Sediment yields increased with slope gradients and flow rates, but the slope gradients had a greater effect on sediment concentration than flow rates, and greater flow rates caused more rill erosion and soil loss under the same slope gradient. The results also demonstrated the feasibility of using REEs to trace the dynamic processes of rill erosion.     

褐土与棕壤坡耕地细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化

为深入探究辽西低山丘陵区坡耕地土壤侵蚀机理,以该区的典型土壤类型褐土和棕壤为研究对象,采用室内人工降雨模拟试验,研究3种坡度(5°,10°,15°)和3种降雨强度(40,60,80 mm/h)下细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化过程。结果表明:褐土与棕壤坡面侵蚀过程可划分为3个阶段,即细沟侵蚀之前阶段、跌坎发育阶段和细沟侵蚀快速发育阶段;细沟侵蚀之前的面蚀阶段,同一坡度条件下,褐土与棕壤随雨强的增加,坡面流速呈增大趋势,而在同一雨强条件下,坡度对流速的影响并无明显规律;细沟侵蚀阶段,当坡度一定条件下,褐土与棕壤细沟内、细沟间的流速随雨强的增加而增大,当雨强一定时,褐土与棕壤随坡度的增加细沟间流速增加;细沟侵蚀阶段流速表现为细沟内流速坡面流速细沟间流速;细沟侵蚀快速发育阶段2种土壤产生的径流量占总径流量的80%以上,土壤侵蚀量占总侵蚀量均在70%以上,且棕壤对总体侵蚀量的贡献更稳定,更易发生细沟侵蚀。整场降雨的侵蚀方式是面蚀向细沟侵蚀的转变,坡面一旦发生侵蚀,细沟侵蚀对坡面总侵蚀的贡献更大。     

紫色土细沟剥蚀率对近地表水流作用的响应

近地表水流的存在会加剧土壤侵蚀过程,剥蚀率是土壤侵蚀预报模型的重要物理参数,其对近地表水流的响应值得进一步研究.采用限定性细沟模拟冲刷试验,探讨不同工况条件(3个近地表水流饱和深度5,10,15 cm;3个坡度5°,10°,15°;3个流量2,4,8 L/min)下紫色土细沟剥蚀特征.结果表明:不同近地表水流饱和深度下...     

黄土高原水蚀风蚀交错区风沙土细沟分离能力探究

细沟侵蚀产沙是黄土高原水蚀风蚀交错区坡面侵蚀产沙的主要来源,明确该区细沟侵蚀过程特征及其影响因素,对有效防控入黄泥沙和维护流域安全具有重要的科学意义和实践价值。选取水蚀风蚀交错区下垫面典型风沙土为研究对象,通过不同流量(3,5,7,9,11 L/min)、不同坡度(9°,12°,15°,18°,21°)组合下的室内水槽冲刷试验定量揭示风沙土细沟分离过程对坡度、流量以及流速的响应关系,并建立分离能力方程。结果表明:(1)分离能力对坡度和流量的响应均呈线性正相关关系,且相关性极显著。流量对风沙土分离能力的影响大于坡度。除了受到坡度、流量的影响,分离能力还受到坡度和流量叠合作用的影响,这3种因子对分离能力影响由强到弱依次为流量、坡度和流量的叠合作用、坡度,且分离能力与这3种因子的关系可用线性正相关关系表示。(2)流速可作为反映坡度和流量之间叠合作用的关键因子。细沟分离能力对流速的响应呈显著线性正相关关系,试验条件下,临界流速为0.607 m/s。(3)坡度与流量组合下,坡度、流量与坡度和流量叠合作用组合下,单个流速因子下以及坡度、流量与流速因子组合下的4个分离能力方程均能较好地预测和模拟风沙土的分离能力,其中考虑坡度、流量以及坡度和流量叠合作用的方程拟合效果最佳。该研究结果可为完善水蚀风蚀交错区细沟水蚀过程模型提供一定的理论基础。     

基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究

作为黄土高原地区沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的梁峁坡面,在强降雨下其产流产沙对沟缘线以下坡面及沟道侵蚀有着重大影响。该研究根据野外实地考查构建5°～35°变坡段实体模型,进行6场间歇性人工模拟降雨试验,并借助基于三维重建技术的PhotoScan软件获取坡面DEM,将其侵蚀演化过程进行图形化、数字化,定性定量揭示其侵蚀形态演变特征。研究表明:1)梁峁坡面细沟侵蚀历经4个阶段:面蚀阶段,即产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑,宽度5～9 cm,深度1～4 cm;细沟形成阶段,由面蚀所产生的微小跌坑在径流作用下长、宽、深均不断增大,最大分别达到266、7.6、13.8cm;细沟网形成阶段,细沟出现分叉及联通,有明显流路;小切沟形成阶段,伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和沟底下切,最大沟长及最大沟深较细沟形成时增大3倍以上。2)对比次降雨过程基于三维建模所计算侵蚀量与实测侵蚀量,第1场降雨试验因地表疏松颗粒较多导致实测侵蚀量比建模计算侵蚀量大而引起较大偏差(20.82%),其他场次偏差均在10%左右或以下,总体来说,该技术可以较好地应用于侵蚀发育过程的研究。该研究实现侵蚀演变关键过程图形化、数字化,有助于人们定性、定量了解和认识梁峁坡面侵蚀过程,且对于创新侵蚀过程研究方法亦具有实践指导价值。     

黄土坡面细沟形态变化及其与流速之间的关系

研究细沟的形态变化特征是认识细沟侵蚀的重要基础,细沟发育过程中细沟形态变化与水流动力学特性之间存在相互影响和相互作用的关系,研究细沟发育过程中细沟形态与水动力学之间的关系,有利于更好地了解细沟侵蚀过程和侵蚀机理。该研究通过室内人工模拟降雨试验,对黄土坡面细沟发育过程中的细沟形态变化及其与流速的关系进行了研究。结果表明:坡面侵蚀过程呈明显的阶段性,坡面细沟形态变化过程与坡面径流含沙量的变化情况基本一致;坡面跌坎发生的临界流速为0.19~0.21 m/s,当坡面径流流速大于这个临界值的时候,坡面会出现跌坎;细沟发育初期,细沟间的距离一定程度上影响细沟的分布,最早出现的细沟之间不会再出现新的跌坎,这一间距范围在12.5~17.5 cm之间;细沟侵蚀过程主要以下切侵蚀和溯源侵蚀为主,沟壁坍塌的侵蚀作用相对较小;细沟流速随时间的变化大致呈先增后减的趋势,细沟流速随细沟宽度的增加而显著减小,这一趋势在4 m坡段尤为明显,二者之间存在显著负相关关系(r=-0.348,P=0.04)。受试验条件所限没有研究细沟深度和流速等其他水动力学参数,以后需要不断改进试验方法来准确测量流速、水深等指标,进一步研究细沟发育过程。