2次降雨条件下不同土壤细沟侵蚀分析

不同土壤细沟侵蚀发育对比研究是探讨细沟侵蚀机制的必要内容。通过间隔为24 h的2次人工模拟降雨,在不同降雨强度(1.5,2.0,1.0 mm/min)、不同坡长(5、10 m)的试验条件下,分析坡度为20°时塿土和黄绵土2种土壤细沟侵蚀过程中产流产沙、空间变化的差异。结果表明:1)从坡面产流量来看,2种土壤在2次人工降雨过程中有相似的产流过程,坡长和降雨强度相同时,塿土坡面产流量大于黄绵土;2)从坡面形态看,第1场降雨过程中塿土坡面表面积、细沟侵蚀强度大于黄绵土坡面,但黄绵土坡面一旦发生细沟侵蚀,其体积变化幅度剧烈于塿土坡面;3)塿土在第1场降雨过程中侵蚀速率的变化过程可以反应细沟发育的各个阶段,较大降雨强度使黄绵土发生细沟侵蚀侵蚀,其细沟发育的各个阶段持续时间长于塿土,即黄绵土细沟形态变化缓慢。     

紫色土流失土壤的颗粒特征及影响因素

土壤可蚀性是影响坡面水蚀过程的内在因素,与土壤质地,土壤有机质等理化性质密切相关.本研究利用田间人工模拟降雨观测资料,分析了侵蚀过程中流失土壤颗粒组成的变化.结果表明:(1)在次降雨过程中,流失土壤颗粒组成不断变化.随着降雨的进行,细砂含量逐步增加,而粉粒含量基本不变,黏粒含量逐渐减小;(2)雨强是影响流失土壤颗粒组成的重要因素.随雨强增加,细砂含量呈逐步增大的趋势,而粉粒与黏粒含量均逐步下降;(3)坡度对流失土壤颗粒组成影响比较复杂.随坡度增加,细砂含量先增大后减小,粉粒与黏粒含量先减小后增大;在20°坡度时,细砂含量最大,粉粒与黏粒含量最小.     

坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性

侵蚀泥沙颗粒大小的分布在一定程度上影响着侵蚀泥沙的搬运和沉积,了解侵蚀泥沙的分选作用将有助于解释泥沙的侵蚀和沉积过程。该文以覆沙坡面为研究对象,采用室内模拟降雨的方法,选取坡度12°、雨强1.5 mm/min的黄土坡面上分别覆盖0.5、1.0、1.5 cm的沙层进行试验。结果表明:坡面覆沙后,坡面粗颗粒物质大部分在产流开始0~10 min内便被冲刷带走;侵蚀泥沙颗粒主要以粉粒为主;坡面覆沙后,在细沟间侵蚀阶段,径流优先搬运大于0.054 mm的颗粒,在细沟侵蚀阶段和细沟侵蚀及细沟间侵蚀的组合阶段,径流搬运的泥沙颗粒以小于0.054 mm的颗粒为主;同时,在产流前期(0~10 min)侵蚀泥沙颗粒主要以大于0.054 mm的颗粒为主;而在产流后期(10 min以后)侵蚀泥沙则主要以小于0.054 mm的颗粒为主。坡面覆沙后,黏粒以团聚体的形式存在,粉粒以单粒的形式存在,而沙粒以细颗粒聚集体的形式存在。该文为进一步研究泥沙沉积后风蚀对水蚀的影响提供数据支撑。     

次降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征

采用室内人工模拟降雨试验,设计试验坡度为10°、15°、20°、25°,降雨强度为90和120 mm/h,坡长为5和7m,研究不同降雨条件下降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征。结果表明:1)侵蚀泥沙分形维数与黏粒、粉粒体积分数呈极显著正相关,与砂粒体积分数呈极显著负相关;2)侵蚀泥沙分形维数随降雨强度增强有减小趋势,受坡度、坡长影响变化规律不明显,在5 m坡长条件下,侵蚀泥沙分形维数随着降雨历时的延长有先降低后升高趋势,7 m坡长条件下,10°、15°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数随降雨历时变化规律不明显,而在20°、25°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数有随降雨历时增大趋势;3)坡度为10°的条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显小于细沟出现前,在坡度为15°、20°、25°条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显高于细沟出现前。     

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。     

黄土质地对坡面侵蚀的影响

采用室内人工模拟降雨试验,研究了黄土质地对坡面侵蚀的影响,并探讨了降雨、地形(坡度和坡长)及黄土土质对坡面侵蚀的综合作用。试验设计包括3种质地黄土(黄绵土、黑垆土和塿土)、4个坡度(10°,15°,20°和25°)、2个坡长(5m和10m)和2个总降雨量相同的降雨强度(90,120mm/h)。结果表明:在相同降雨条件下,塿土降雨过程中入渗缓慢,产流时间快于黑垆土与黄绵土,塿土坡面的径流总量高于黑垆土和黄绵土坡面。坡度对单宽产流率无影响。各因子按对单宽产流率影响程度从大到小依次为坡长、雨强、粘粒含量和有机质;各因子按对单宽产沙量按影响程度从大到小依次为坡长、土壤颗粒几何平均直径、雨强、有机质含量和坡度。     

不同质地重塑土坡面细沟侵蚀形态与水力特性及产沙的关系

土壤质地对坡面侵蚀产沙与细沟形态具有重要影响。为明确不同质地土壤坡面的细沟形态与侵蚀产沙特征的关系,该研究以土沙混合配制不同颗粒组成的重塑土坡面为研究对象,采用室内放水冲刷动床试验,选取了平均沟深、平均沟宽及断面宽深比等作为细沟基本形态参数,分析了坡面细沟形态与水力学特性、侵蚀产沙的定量关系,并建立坡面侵蚀经验预测方程。结果表明:1)沟深随坡度增大而增大,沟宽随坡度增大而减小,两者随流量的变化不明显,细沟断面宽深比随坡度和流量的增加逐渐减小;2)同一试验条件下,坡面含沙量的增加使细沟断面形态整体由"窄深式"趋向"宽浅式";3)单位水流功率、水流功率与坡面细沟形态参数的关系最为密切(r0.784,p0.01),平均沟宽与水力学参数关系不显著;4)平均沟深与细沟形态综合量化参数对坡面产沙有较好的预测效果(R20.747,NES0.755,p0.01);5)引入坡面土壤黏粒含量参数后,基于细沟形态参数与坡面土壤黏粒含量的坡面侵蚀经验预测方程可信程度与预测精度显著提高(R20.879,NES0.887,p0.01)。该研究为坡面侵蚀预测与侵蚀机理研究提供参考依据。     

间歇降雨对红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

自然条件下降雨多以间歇形式出现,而坡面土壤侵蚀又是一个渐变发育的复杂过程。通过3个雨强(60,90,120 mm/h)、5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的15场室内模拟降雨,研究一、二次降雨条件下不同雨强、坡度及降雨量对红壤坡面径流和侵蚀过程的影响,探讨间歇降雨条件下坡面侵蚀发育过程及其主要影响因素的变化。结果表明:(1)二次降雨的产流时间相比一次降雨均提前,一次降雨径流总量受到雨强、坡度和降雨量的共同影响,15°坡度是径流总量变化的一个转折点,二次降雨时降雨量的作用减弱,各雨强下的最大相差倍数减小,各坡度之间的倍数差距也减小。(2)一次降雨发生细沟侵蚀最主要的动力是降雨强度,大雨强、陡坡情况下细沟侵蚀更容易产生,而15°坡度对细沟侵蚀的产生具有重要作用,此时若发生细沟侵蚀,坡面侵蚀则多以细沟侵蚀为主,二者侵蚀量呈正比例函数关系,二次降雨的细沟侵蚀量和一次降雨过程中细沟发育情况相关,一次降雨的细沟发育越剧烈,二次降雨的细沟侵蚀量越少,此时细沟侵蚀量和总侵蚀量呈一次函数关系。总体来说,侵蚀总量的变化和细沟发育所处阶段紧密相关。(3)间歇降雨条件下,不同雨强、坡度、降雨量对坡面土壤径流和侵蚀过程的影响存在差异;同时,一次降雨土壤径流和侵蚀的变化对后期二次降雨径流和侵蚀的发展具有重要影响,使得在不同土壤侵蚀发展阶段,雨强、坡度、降雨量等因子对坡面土壤径流和侵蚀影响的程度也随之改变。     

缓坡面细沟发育过程及水沙关系的室内试验研究

为了明确细沟发育特征及对坡面产流产沙的作用,该文在固定坡度(10°)和2个雨强(1.5和2mm/min)条件下,采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,研究了塿土和黄绵土的坡面细沟发育过程和水沙关系。研究结果表明,细沟主要由沿坡面方向呈线状平行分布的跌坎链相互连通演化而成,在雨强较小时塿土更易形成细沟,而黄绵土在雨强较大时才能形成细沟。含沙量与侵蚀速率的变化规律与坡面跌坎和细沟的形成具有同步关系,雨强的增大不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显增加,但对黄绵土含沙量和侵蚀速率的变化有很大影响,在大雨强时黄绵土含沙量和侵蚀速率会迅速增加,并在坡面细沟形成后很快超过塿土。同时,细沟的存在并不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显变化,但黄绵土对坡面细沟反应敏感,细沟一旦形成会导致其含沙量和侵蚀量的急剧增加。该研究为坡耕地细沟侵蚀的有效防治提供相应的理论指导。     

全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀影响因素及交互作用

为了查明全风化花岗岩地区输油气管道作业边坡坡面水土流失问题,通过野外典型边坡边界条件测量、坡面侵蚀特征冲沟沟深、冲沟截面积数据采集、岩土体取样测试,并结合室内模型降雨试验等方法。结果表明：降雨、坡长、坡度、汇水面积、岩土体特性5种因素均影响全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀。产沙率和产流率随着降雨强度的增大而增大。坡长、坡度、汇水面积与冲沟沟深和冲沟截面积呈正相关关系,且随着坡长、坡度、汇水面积的增大,冲沟沟深和冲沟截面积也在增大。通过取样测试发现,原状土与回填土的颗粒组成相对含量具有较大差异,初始回填土粒度级配为良好土。降雨冲刷初期回填土坡面径流主要携带粉粒和黏粒。5年回填土相对于原状土,孔隙率增加到原来的1.13倍,土体渗透系数增大1个数量级,饱和状态下黏聚力降低为原状土的67.6%,内摩擦角降低为原状土的87.5%。通过查明全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀影响因素及其作用,为后续的边坡治理提供依据。     

坡面细沟发育特征及其对流速分布的影响

利用模拟降雨试验,采用2个雨强（1.5 mm min^-1,2.0 mm min^-1）,4个坡度（10?,15?,20?,25?）,对杨凌塿土细沟发育的特征及其坡面流速分布规律进行了研究。结果表明,坡度增加会造成细沟溯源侵蚀及下切侵蚀的加剧,但随着坡度的增加,总侵蚀量的增幅趋于平缓,暗示可能存在坡面侵蚀量由强转弱的临界坡度。坡度与各侵蚀指标间均表现出极显著的相关性,说明坡度是影响细沟发育的主要因素,细沟侵蚀量与总侵蚀量也表现为极显著的相关性,相关系数高达0.97,说明坡面侵蚀加剧主要由细沟侵蚀引起。坡面流速、细沟间及细沟流速与距坡顶距离有较好的正相关关系,雨强增加会加剧这种趋势的波动性,同时坡度对坡面、细沟间及细沟流速的影响不大,且各流速间也没有明显的大小关系,这与一般认为的细沟流速高于细沟间流速的观点不同,这也是今后试验过程中需要进一步验证的部分。     

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。     

雨强和坡度对黄土陡坡地浅沟形态特征影响的定量研究

浅沟形态特征是建立陡坡地坡面浅沟侵蚀预报模型的基础。为了定量研究黄土陡坡地浅沟形态特征,在长8 m、宽2 m、深0.6 cm的试验土槽上制作了雏形浅沟,设计了2个降雨强度(50、100 mm/h)和3个浅沟发生的典型坡度(15°、20°、25°),利用模拟降雨和径流冲刷(10 L/min)相结合的试验方法定量分析了黄土陡坡地的浅沟形态特征。结果表明:降雨强度和坡度的增加均加快了坡面浅沟侵蚀过程并使浅沟沟槽宽度和深度不断增加,25°和100 mm/h降雨强度下的浅沟沟槽平均宽度和深度比15°和50 mm/h降雨强度下的分别增加1.40和0.61倍。根据测针板法得到的3 cm×10 cm精度的地表高程值数据,在Surfer软件中生成不同试验处理下的地面数字高程模型(DEM,digital elevation model)及水流流路图等,发现坡度的增加使两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长增大,而降雨强度的增加则导致浅沟沟槽两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长缩短,同时,沟道密度、地面割裂度和浅沟复杂度均随着降雨强度和坡度的增加而呈现增大的趋势,三者分别变化于0.74~1.48 m/m2、0.13~0.29和1.64~2.84之间,而不同降雨强度和坡度条件下浅沟沟槽宽深比变化于0.65~1.27之间。基于不同试验处理下的DEM,根据相邻格网关系在水平方向上计算方向导数后发现,方向导数格网等值线图可以有效地反映坡面浅沟和细沟的长度、表面积及侵蚀最严重的浅沟沟底位置。     

Effect of rainfall intensity and slope steepness on the development of soil erosion in the Southern Cis-Ural region (A model experiment)

The effect of rainfall intensity on the erosion of residual calcareous agrogray soils and clay-illuvial agrochernozems in the Southern Cis-Ural region on slopes of different inclination and vegetation type has been studied by simulating with a small-size sprinkler. It has been shown that soil loss linearly depends on rainfall intensity (2, 4, and 6 mm/min) and slope inclination (3° and 7°). When the rainfall intensity and duration, and the slope inclination increase, soil loss by erosion from agrogray soils increases higher than from agrochernozems. On the plowland with a slope of 3°, runoff begins 12, 10, and 5 min, on the average, after the beginning of rains at these intensities. When the slope increases to 7°, runoff begins earlier by 7, 6, and 4 min, respectively. After the beginning of runoff and with its increase by 1 mm, the soil loss from slopes of 3° and 7° reaches 4.2 and 25.7 t/ha on agrogray soils and 1.4 and 4.7 t/ha on agrochernozems, respectively. Fallow soils have higher erosion resistance, and the soil loss little depends on the slope gradient: it gradually increases to 0.3–1.0 t/ha per 1 mm of runoff with increasing rainfall intensity and duration. The content of physical clay in eroded material is higher than in the original soils. Fine fractions prevail in this material, which increases their humus content. The increase in rainfall intensity and duration to 4 and 6 mm/min results in the entrapment of coarse silt and sand by runoff.     

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。     

Quantifying spatial distribution of interrill and rill erosion in a loess at different slopes using structure from motion (SfM) photogrammetry

The spatial distribution of interrill and rill erosion is essential for unravelling soil erosion principles and the application of soil and water conservation practices. To quantify interrill and rill erosion and their spatial development, four 30-min rainfalls at 90 mm h^?1 intensity were consecutively simulated on runoff plots packed with a loess at six slopes of 10°, 15°, 20°, 25°, 30° and 35°. The soil surface was measured using the structure from motion (SfM) photogrammetry upon each simulation run, and the runoff and sediment samples were collected and measured at every 10 min. Rills did not develop until the third simulation run. During the initial two runs, the lower third section was more severely eroded than the upper and middle thirds along the slope direction, yet the interrill erosion was statistically uniform from left to right. Rills tended to emerge by both sidewalls and in the lower portion in the third run. The corresponding rill erosion increased with slope from 10° to 20° and then decreased for the slopes steeper, which was consistent with the slope trend of the sediment yield directly measured. The rills expanded substantially primarily via head retreat and to a lesser extent via sideward erosion after receiving another 30-min rainfall. Rill erosion contributed 69.3% of the total erosion loss, and shifted the critical slope corresponding to the maximum loss from 20° to 25°. These findings demonstrate the significance of rill erosion not only in total soil loss but also in its relation to slope, as well as the effectiveness of SfM photogrammetry in quantifying interrill and rill erosion.     

Performance of soil and water conservation practices in the erosion evolution process,runoff dynamics and surface roughness

Soil and water conservation practices are used widely to prevent soil erosion and protect soil and water resources, which is significant for ecological restoration and food security. However, rill evolution processes, erosion and deposition characteristics and critical hydrodynamic parameters need more research. In order to investigate the effect of soil and water conservation practices on soil erosion dynamics, simulated rainfall experiments were undertaken in a laboratory on 15° loess slopes with engineering measures (fish-scale pits, FSPs), tillage measures (artificial digging, AD; contour ploughing, CP) and bare slope (CK). The results showed that: (1) during rill erosion, hillslopes with FSPs, CP and AD were more likely to develop wide and shallow rills, while a bare slope (CK) was more likely to develop narrow and deep rills. At the end of the experiment (cumulative rainfall was about 150 mm), headward retreat erosion dominated the AD slope (maximum rill length: 3.27 m), side-wall expansion erosion dominated the CP slope (maximum rill width: 0.522 m) and bed incision erosion dominated the CK (maximum rill depth: 0.09 m); (2) soil and water conservation practices reduced surface erosion and sediment transport and runoff velocity. However, the positive effects disappeared when rainfall amounts exceeded 82.5, 105 and 127.5 mm for FSPs, CP and AD, respectively; (3) for runoff kinetic energy and runoff shear strength of 3 J and 1.5 N/m², respectively, soil and water conservation measures had greater anti-erosion abilities than CK; (4) as rainfall duration increased, surface roughness, runoff rate and sediment concentration increased on the CK and FSP treatments, but decreased on the CP and AD treatments. This study has important implications for managing different soil and water conservation measures based on rainfall conditions and offers a deeper understanding of soil erosion processes.     

基于三维激光扫描技术的冻结黑土细沟发育模拟

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异（digital surface model of difference, DoD）微地形变化监测方法与点云逆向工程,获取细沟网络发育过程的侵蚀面积、侵蚀体积、细沟长度和细沟密度等侵蚀参数。结果表明,冻结因素与温度变化对细沟网络发育过程与程度有重要影响：1）冻结处理的黑土坡面更容易发展出细沟网络,达到坡面侵蚀形态基本稳定后的侵蚀面积、侵蚀体积以及侵蚀细沟长度是非冻结处理黑土坡面的291%、557%和437%。2）冻结处理与非冻结处理沿坡面细沟截面形态变化差异明显。冻结坡面细沟交叉时宽深比R_W/D快速减小,下切速度加快,随后宽度与深度呈比例稳定增加;非冻结坡面汇水处的R_W/D随冲刷次数增加而增大,侧蚀速度加快,其他截面R_W/D随着冲刷次数的增加而减小,下切速度加快。3）采用ArcGIS与点云逆向工程模型联合获取的冻结状态下细沟形态参数与发育过程DoD相对误差范围为-12.70%～4.42%,提取精度在95%以上。该联合方法在冻结土体条件下获取细沟参数具有较高精度,可作为土壤侵蚀参数高精度提取的一种手段。