含砾石锥状工程堆积体坡面径流侵蚀特征

以关中地区的重质土壤为试验材料,利用自制的堆积平台模拟散乱锥状工程堆积体的堆积过程及形态建造实体模型,在人工模拟降雨的条件下,研究了4个降雨强度下(1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)不同砾石质量分数(0,10%,20%,30%,40%)锥状工程堆积体坡面的径流产沙特征。结果表明:(1)径流率和流速随时间呈现出先快速增加后缓慢增长至稳定的变化趋势,雨强和砾石含量对径流率和流速均有显著性影响,其中雨强对两者的贡献率较大,起决定性作用;(2)平均径流率和平均流速随雨强的增大而增加,与雨强呈极显著的正相关关系,随砾石含量的增加而减小,与砾石含量呈极显著的负相关关系;(3)雨强为1.0mm/min时,侵蚀速率先快速增加后逐渐趋于稳定;雨强≥1.5mm/min时,侵蚀速率呈持续增长的变化趋势,雨强为2.0,2.5mm/min时,在降雨中后期侵蚀速率突变式增加;(4)侵蚀总量随雨强的增大呈指数型增加的趋势,随砾石含量的增加呈负对数型减小的趋势。     

不同土质工程堆积体径流产沙差异

依据野外调查结果概化堆积体下垫面,采用室内人工模拟降雨方法,研究不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min)条件下4种砾石质量分数(0、10%、20%、30%)的壤土、黏土及砂土工程堆积体径流产沙特征差异。结果表明:1)砂土堆积体坡面产流开始所需时间较壤土及黏土堆积体长。3种土壤质地工程堆积体含砾石的平均流速较纯土体(砾石质量分数为0)小,大小表现为黏土壤土砂土。砂土堆积体平均径流率较壤土和黏土分别减少20.7%和18.8%;2)砂土堆积体平均侵蚀速率分别是壤土和黏土的3.0和2.3倍。3种土壤质地工程堆积体的平均侵蚀速率随雨强增大递增,但随砾石质量分数递增呈显著线性递减(P0.05);3)砂土堆积体平均侵蚀量分别是壤土和黏土的4.5和3.4倍。3种土壤质地工程堆积体的侵蚀量与径流量和雨强均显著相关。研究成果可为建立生产建设项目工程堆积体水土流失量测算模型提供数据基础和理论依据。     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

放水冲刷条件下工程堆积体边坡径流侵蚀水动力学特性

煤炭开采过程形成的工程堆积体可导致严重水土流失。该文以重庆市煤矿工程堆积体为研究对象,该文采用土工试验方法和野外实地放水冲刷试验研究了煤矿工程堆积体边坡径流侵蚀特征及其临界水动力条件。结果表明：1）随着径流侵蚀冲刷过程进行,工程堆积体边坡的径流流速、径流剪切力和径流功率均呈现出程度不一波动现象,其变化范围分别为0.187～0.526 m/s、24.336～126.542 Pa、2.763～46.861 N/(m·s),而阻力系数在2.236～19.337之间波动变化。2）除10 L/min放水条件,工程堆积体边坡产流率、产沙率随径流冲刷过程呈先增加、后稳定变化趋势;在不同放水条件（10～30 L/min）下,边坡产流率依次趋于0.5、3.0、3.8、6.3和9.0 L/min,而产沙率在0～27.51 kg/min之间变化,土壤剥蚀率在9.570～4616.064 g/(m2·min)。3）不同坡度工程堆积体边坡临界径流剪切力及径流功率存在较大差异,面蚀阶段临界径流剪切力和临界径流功率以30°堆积体最小,分别为23.95 Pa和1.76 N/(m·s);而细沟侵蚀阶段以25°堆积体临界径流剪切力最小,以40°堆积体临界径流功率最小;土壤侵蚀速率与径流剪切力、径流功率之间具有显著线性关系。4）在放水条件下（10～30 L/min）,工程堆积体径流侵蚀临界坡度分别为34.8°、35°、33.7°、34°、35.2°。研究结果可为煤矿工程堆积体水土流失量预测、水土保持生态修复措施布置提供技术参数和依据。     

海涂围垦区排灌工程边坡土壤侵蚀过程的水动力学特征

利用人工模拟降雨试验研究降雨强度和坡度两因子对海涂围垦区排灌工程边坡侵蚀产沙过程及其对径流水动力学参数的响应关系。结果表明,边坡输沙率随降雨历时增加呈S形曲线增长。随雨强和坡度增大,坡面细沟发育迅速,侵蚀量急剧增加,但在坡度25°附近存在一个侵蚀的临界坡度。高雨强和陡坡下,坡面平均流速显著增大,侵蚀输沙率与平均流速之间呈显著线性正相关关系。试验坡面径流雷诺数较小,变化于8.5~42.6之间,水流剪切力为分散边坡土颗粒的主要作用力;坡面输沙率和平均雷诺数之间呈抛物线正相关关系,且在雷诺数较小时坡面输沙率随雷诺数的增长较缓慢,随水流雷诺数的增大,水流紊乱程度越强,坡面产沙能力越强。坡面径流所受阻力系数均随雨强和坡度增大线性降低,输沙率与Manning糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数均呈线性负相关关系。     

不同砾石类型对工程堆积体侵蚀规律的影响

以工程堆积体中坡顶平台有车碾压形态为基本下垫面,在模拟不同降雨强度条件下对含有2种不同粒径的砾石类型堆积体的侵蚀产沙规律进行研究。结果表明:砾石类型的不同对工程堆积体坡面产流产沙的机制影响不大,即不同砾石类型的工程堆积体的径流率、侵蚀速率以及径流含沙量随降雨时间的延续表现出极其相似的规律;但是从量上来说,大石块堆积体的平均径流率以及平均产沙率均要比小石块堆积体的大(当降雨强度为2.5mm/min时,大石块堆积体的平均径流率是小石块的1.14倍;当降雨强度为1.0mm/min时,大石块堆积体的平均侵蚀速率是小石块的1.21倍);同时对大小石块堆积体总产沙量和总径流量进行分析发现其差值均与降雨强度呈明显的线性关系。     

连续降雨下岩溶区含砾石石灰土坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对岩溶区石灰土工程堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了递增型降雨（0.5—1.0—2.0—2.5—3.0 mm/min）条件下偏土质（砾石含量30%）和偏石质（砾石含量70%）石灰土坡面的径流特性及侵蚀特征。结果表明：（1）0.5 mm/min雨强下,土质、偏土质和偏石质坡面均未产流;随雨强增大,各坡面径流率呈稳定增长—波动的变化趋势,且土质坡面径流率整体小于两种含砾石坡面;偏土质和偏石质坡面产流量较土质坡面增加了0.49倍和0.37倍;（2）1.0～3.0 mm/min雨强下,土质坡面侵蚀速率变化范围为0.16～5.4 g/(m2?s),整体呈稳定—波动增加的变化趋势;偏土质和偏石质坡面分别为0.16～5.4 g/(m2?s)和0.06～0.74 g/(m2?s),前者侵蚀速率变化范围大且波动剧烈,后者变化范围小且稳定;随砾石含量的增加,各坡面侵蚀量呈先增后减的变化趋势,偏土质坡面侵蚀量较土质坡面增加了2.5倍,而偏石质坡面则较其减少了0.9倍;（3）各砾石含量坡面侵蚀速率与径流率均呈极显著正相关（P＜0.01,n=76）,土质坡面相关性最好,径流率对侵蚀速率具有显著影响;土质、偏土质和偏石质坡面的侵蚀速率与径流率分别呈极显著幂函数、线性函数和线性函数关系;结果可为桂西北岩溶区弃渣场水土治理提供一定的科学依据。     

北方风沙区砾石对堆积体坡面径流及侵蚀特征的影响

为了研究砾石对工程堆积体降雨侵蚀规律的影响,采用室内人工模拟试验,以土质堆积体(砾石质量分数为0)为对照,研究了10%、20%和30%砾石质量分数堆积体边坡在模拟降雨条件下的径流水力特征、产沙过程及侵蚀动力机制。结果表明:1)产流0~6 min,砾石促进堆积体坡面细沟间径流流动;产流12~30 min后,砾石阻碍堆积体坡面细沟径流流动;2)含砾石堆积体坡面粗糙度增大,水流流态变缓,水流速度降低,且均以层流为主。较土质堆积体而言,30%砾石质量分数堆积体坡面阻力系数增大88.8%~288.4%,弗汝德数降低28.9%~41.8%,水流速度降低0~45.8%;3)径流含沙量随产流历时经历快速降低-平稳过渡-波动上升3个阶段,土质及10%砾石质量分数堆积体高含沙水流现象频发,且随雨强增大,重力坍塌次数增加,重力侵蚀程度增强。20%、30%砾石质量分数堆积体发生高含沙水流的几率约为0。相对土壤流失比与砾石质量分数呈极显著负指数函数关系;4)土壤剥蚀率与各侵蚀动力参数均可用简单线性函数关系描述,单位径流功率是描述风沙区土质和10%砾石质量分数工程堆积体侵蚀产沙的最优因子,径流功率是刻画20%、30%砾石质量分数工程堆积体土壤侵蚀参数更为合理的因子。结果可为全国范围工程堆积体土壤侵蚀模型的建立提供科学依据。     

含砾石锥状工程堆积体侵蚀水动力学特性和细沟形态特征

采用人工模拟降雨的方法,以陕西关中地区的重质土壤和工程中常见的破口石为试验材料,模拟散乱锥状工程堆积体的堆积过程和堆积形态,研究了不同砾石质量含量(0,10%,20%,30%,40%)散乱锥状工程堆积体在不同降雨强度下(1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)的侵蚀水动力学特性和细沟形态特征。结果表明:(1)流速和径流强度随雨强的增加而增大,随砾石含量的增加而减小,雨强和砾石对两者均有显著影响,其中雨强的影响较大,起控制性作用;(2)坡面径流处于层流、缓流的状态,雷诺数和弗劳德数随雨强的增加而增大,随砾石含量的增加而减小;(3)剥蚀率随雨强的增加呈指数型增大,相同降雨强度下,随砾石含量的增加线性减小,径流剪切力、水流功率、单位水流功率、过水断面单位能与剥蚀率显著相关且呈幂函数的关系,其中水流功率相关性最好,拟合优度最高,是描述侵蚀动力机制的最优因子;(4)随着降雨强度的增加,细沟出现的时间提前,沟宽、沟深、沟长和细沟密度逐渐增加,雨强相同时,随着砾石含量的增加,细沟出现的时间推迟,且逐渐变窄、变浅,细沟下切侵蚀减弱。     

含砾石风沙土堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对风沙土工程堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了不同降雨强度(1.0、1.5、2.0和2.5 mm·min~(-1))条件下不同砾石质量含量(10%、20%、30%)的风沙土堆积体坡面径流特性及侵蚀产沙规律。结果表明:(1)1.0、1.5、2.5mm·min~(-1)雨强下,10%砾石含量坡面径流率较土质坡面减少5.03%～39.99%,而20%、30%砾石含量坡面径流率则分别增加7.48%～74.56%、19.51%～84.31%;各砾石含量坡面径流率均与雨强呈显著递增的指数函数关系;(2)土质和含砾石坡面径流型态基本以层流为主;土质坡面径流流态多为急流,而含砾石坡面径流则以缓流为主;各雨强条件下,10%、20%、30%砾石含量坡面径流阻力系数较对照分别增加24.07%～114.10%、51.84%～141.57%、89.04%～288.16%;(3)1.0、1.5 mm·min~(-1)雨强下土质和10%砾石含量坡面侵蚀速率随降雨历时呈减小—稳定—增大趋势,2.0、2.5 mm·min~(-1)雨强下,则呈波动式逐渐增大趋势;4种雨强下,20%、30%砾石含量坡面侵蚀速率呈缓慢、平稳增加趋势;(4)雨强为1.0 mm·min~(-1)时土质坡面侵蚀量最小,雨强≥1.5 mm·min~(-1)时,含砾石坡面侵蚀量较土质分别减少41.08%～63.27%、22.80%～67.80%、28.89%～68.50%;(5)侵蚀量与径流率、雷诺数、弗汝德数均呈显著正相关关系,与阻力系数则呈显著负相关关系;结果可为陕北风沙土区生产建设项目工程堆积体水土流失量估算模型的建立提供科学参考。     

汇流强度、坡度及侵蚀泥沙颗粒分形对工程堆积体坡面侵蚀的影响

为了探讨汇流强度、坡度和侵蚀泥沙颗粒分形对堆积体坡面土壤侵蚀的影响,选用3种土壤(风沙土、红土、塿土),4个汇流强度(8,12,16,20 L/min),在3个坡度(28°,32°,36°)堆积体坡面上进行野外径流冲刷模拟试验。结果表明:(1)汇流强度和坡度的交互作用对坡面平均流速的影响最大。3种土壤坡面流流速均随汇流强度的增加递增1.00～1.49倍,均随坡度增加递增0.99～1.29倍。(2)汇流强度、坡度、土壤颗粒分形维数三者之间的交互作用对坡面平均产流率影响最大,而汇流强度对径流量影响最大。3种土壤下垫面坡面产流率、径流量均随汇流强度的增加而增加,分别递增1.09～6.10,1.05～5.74倍,均随坡度增加而增加,分别递增0.80～2.59,0.82～2.59倍。(3)汇流强度和坡度的交互作用对产沙率和产沙量影响最大。3种土壤坡面产沙率、产沙量均随汇流强度的增加而增加,分别递增1.17～5.67,1.17～5.20倍,均随坡度增加而增加,分别递增0.96～3.32,0.94～7.54倍。研究结果可为不同土质的工程堆积体坡面土壤侵蚀预测及流失防控提供理论参考。     

雨型对华北土石山区坡面土壤侵蚀的影响

为研究雨型对华北土石山区坡面土壤侵蚀的影响,通过室内人工模拟降雨试验,以华北土石山区主要土壤类型黄土性褐土和石灰性褐土为研究对象,设计次降雨中平均降雨强度和降雨量相同的3种不同降雨类型(均匀型、增加型、减弱型对应的降雨强度组合分别为60,30～60～90,90～60～30 mm/h),分析不同雨型下华北土石山区坡面产流产沙的变化规律。结果表明:(1)不同雨型的产流时间与起始阶段降雨强度呈负相关,增加型降雨的坡面产流时间最长,且分别为均匀型和减弱型的1.98,4.15倍;减弱型降雨的总径流量和总侵蚀量最大,而均匀型降雨的最小,减弱型降雨的总径流量是均匀型和增加型降雨的1.05～1.12倍,总侵蚀量分别是增加型和均匀型的1.22,1.78倍。(2)在不同雨型下,同一降雨强度出现在不同降雨阶段,使得坡面产流产沙的过程不同。(3)同一降雨强度出现在雨型起始阶段的径流量和贡献率与结束阶段相比偏小。次降雨起始阶段的强度为30 mm/h时,黄土性褐土的侵蚀量和贡献率大于其在结束阶段的侵蚀量和贡献率,而石灰性褐土与之相反。     

雨型和甘蔗种植对赤红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

为探究南方高强度、高频次降雨下甘蔗种植对赤红壤坡面土壤侵蚀的影响,基于径流小区原位观测试验,分析不同种植方式下(顺坡和横坡)蔗地和裸坡坡面径流和侵蚀泥沙特征,探讨甘蔗种植方式对坡面侵蚀产沙的影响,获得影响赤红壤坡面侵蚀的主要雨型。结果表明:(1)坡面径流量和侵蚀量均表现为裸坡>顺坡蔗地>横坡蔗地,裸坡坡面径流量和侵蚀量是顺坡蔗地和横坡蔗地的1.7~5.3倍;顺坡蔗地坡面径流量和侵蚀量是横坡蔗地的1.9,2.3倍。(2)次降雨条件下,裸坡坡面径流量与侵蚀量均整体高于蔗地处理,而顺坡蔗地整体上大于横坡蔗地,但二者差异随甘蔗生长逐渐缩小。(3)A型雨(中历时、小雨强、小雨量)发生频次最高,但B型雨(短历时、大雨强、中雨量)是引起裸坡和顺坡蔗地坡面产流产沙的主要雨型,径流量和侵蚀量分别占总量的49.9%,57.6%和62.3%,64.2%;D型雨(长历时、极大雨强、极大雨量)是造成横坡蔗地坡面水土流失严重的主要雨型,由其产生的坡面径流量和侵蚀量分别占总量的49.5%和72.2%。研究结果可为明晰南方赤红壤区蔗地土壤侵蚀特征及防治提供理论依据。     

不同水土保持临时措施下工程堆积体坡面减流减沙效应

为量化城市生产建设项目水土保持相关规范中对于水土保持临时措施的布设要求,并为水土保持监管提供科学依据,该研究以深圳市生产建设项目工程堆积体为例,基于工程堆积体特征及其水土保持临时措施实施情况现场调查结果,结合深圳市多年自然降雨强度,概化设计室内人工模拟降雨试验,研究临时苫盖和拦挡措施在不同降雨强度及坡度下对工程堆积体坡...     

雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀及氮磷流失的影响

采用人工模拟降雨的手段,在2种雨强(50,75mm/h)、4种坡度(5°,10°,15°,20°)条件下,研究了雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀和养分流失的影响。结果表明:(1)降雨强度从50mm/h增大到75mm/h,相同坡度的坡面开始产流时间提前了2.75~4.79min。(2)随着雨强的增大,同一坡度的坡面径流量增加了12.53~15.80mm/m2,增加幅度为1.24~1.31倍;同一坡度的坡面产沙量增加了0.47~3.61kg/m2,增加幅度为0.77~2.90倍。坡面侵蚀过程中,存在临界坡度,为15°左右。(3)氮素流失以径流流失为主,泥沙中总氮的流失量较低,仅占径流总氮流失量的1.4%~9.7%。坡度较小时,磷素流失途径以径流流失为主,随着坡度的增加,磷素的流失途径以泥沙流失为主。(4)径流总氮流失浓度与径流强度呈线性正相关,泥沙总氮和总磷流失浓度与产沙率也分别呈显著的线性正相关。     

不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响

[目的]研究不同雨强及坡度对华南红壤侵蚀过程的影响,为认识红壤侵蚀过程和水土流失防治提供科学依据。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究了不同降雨强度、不同坡度对华南红壤坡面降雨产流过程和侵蚀产沙过程的影响。[结果](1)相同坡度条件下,坡面径流量、侵蚀产沙量均随着雨强的增大而线性增大;相同雨强下,径流量随坡度的增加而减小,而产沙量随着坡度的变化比较复杂;(2)雨强和坡度共同影响着坡面产沙过程,当雨强小于等于180mm/h时,产沙量随坡度的增加而增大,在240mm/h出时呈现先增加后减小的趋势,在15°附近出现临界坡度。在降雨初期,径流率表现为波动增加过程,15min后趋于平稳,一直持续到降雨结束,其中雨强为240,180mm/h时波动较为剧烈,而产沙率呈现急剧而短暂的上升后迅速下降,在大雨强、陡斜坡条件下此现象尤为明显;(3)坡面径流平均流速与单宽流量、坡度比存在显著的幂函数关系,流速与径流量、侵蚀产沙量有着类似的变化规律。[结论]红壤侵蚀过程中雨强为主要影响因素,坡面流速可作为表征红壤坡面侵蚀特征的重要因子。     

连续模拟降雨下岩溶区含砾石堆积体坡面径流产沙特征

为明确砾石含量对岩溶区石灰土质堆积体坡面径流产沙特征的影响,以土质坡面为对照,采用室内模拟降雨试验方法,研究了递增型降雨(0.5,1.0,2.0,2.5,3.0 mm/min)条件下偏土质(砾石含量30%)和偏石质(砾石含量70%)石灰土坡面的径流特性及侵蚀特征。结果表明:(1)随雨强增大,各坡面径流率呈稳定增长—波动的变化趋势,且土质坡面径流率整体小于2种含砾石坡面;偏土质、偏石质坡面累计产流量较土质坡面增加了0.49,0.37倍;(2)1.0~3.0 mm/min雨强下,土质坡面侵蚀速率在0.16~5.4 g/(m^2·s)范围内波动,整体呈稳定—波动增加的变化趋势;偏土质和偏石质坡面分别为0.16~5.4,0.06~0.74 g/(m^2·s),前者侵蚀速率变化范围大且波动剧烈,后者变化范围小且稳定;随砾石含量的增加,各坡面累计侵蚀量呈先增后减的变化趋势,偏土质坡面侵蚀量较土质坡面增加2.5倍,偏石质坡面较其减少了0.9倍;(3)土质、偏土质和偏石质坡面的侵蚀速率与径流率分别呈极显著正相关幂函数、线性函数和线性函数关系。研究结果可为桂西北岩溶区弃渣场水土流失治理提供一定的科学依据。