不同土石比的工程堆积体边坡径流侵蚀过程

工程堆积体可在短时期内极大程度地改变原地貌地形、土壤和植被条件,使其在降雨径流作用下将发生严重土壤侵蚀,因此是生产建设项目区水土流失最为严重的地貌单元。该文采用土工试验方法及野外实地放水冲刷法研究不同物质来源和土石比的工程堆积体边坡物理性质、侵蚀动力及径流侵蚀过程。结果表明：1）2种松散工程堆积体的物质组成和入渗性能均较原土差异明显,其中黄沙壤工程堆积体以≤0.25mm颗粒为主,其颗粒变异系数为原土的1.2～2.0倍,稳定入渗率为原土1.70～4.07倍;而紫色土堆积体级配良好,颗粒变异系数是其原土的2.2倍,稳定入渗率为原土的7.02～11.59倍。2）各种工程堆积体边坡侵蚀动力学参数随放水流量变大而增加,黄沙壤工程堆积体边坡径流流速在0.155～0.318 m/s之间变化,径流剪切力变化在27.632～57.154 N/m2,土壤剥蚀率在0.337～77.071 g/(m2·s)之间;而紫色土工程堆积体边坡径流流速、剪切力和土壤剥蚀率分别在0.184～0.281 m/s,35.525～53.600 N/m2和1.445～61.910 g/(m2·s)。3）土石混合质边坡在产流9 min内存在不同程度突变或波动,在相同条件下边坡累积产流量均表现为偏土质>土石混合质,黄沙壤工程堆积体边坡累积产流量高于紫色土;而土石混合质边坡的产沙率呈连续性多峰多谷变化,边坡侵蚀沟壁土体崩塌脱落是造成产沙率波动的重要原因。该研究可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测和水土保持植物措施选择提供基本参数和技术支持。     

连续径流冲刷条件下工程堆积体土壤侵蚀特征

[目的] 探究连续径流冲刷条件下工程堆积体的坡面侵蚀响应,为进一步认识工程堆积体在连续冲刷过程中的侵蚀规律并为水土流失模型精准预测提供基础数据和科学参考。[方法] 设置3个放水梯度(8,12,16 L/min),在3个坡度(28,32,36°)条件下,进行野外连续3场径流冲刷试验(每场间隔24 h)。[结果] ①各场次产流特征为：第3场＞第2场＞第1场,其中,第3场径流量增量大于第2场,对比第1场增速分别为40.5%和33.4%。②各场次产沙量为:第1场＞第2场＞第3场,产沙量占比分别为31.74%～53.46%,29.03%～43.71%,17.42%～29.04%。③在任意流量段,连续径流冲刷下平均流速与沟宽的变化无关,沿径流方向流速与沟深变化一致。[结论] 上方来水条件下工程堆积体坡面产流随冲刷场次的增加逐场增大,产沙随场次增加逐场减少。冲刷场次对平均产流率具有显著影响。     

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。     

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。     

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。     

工程堆积体坡面产流产沙特性的现场试验

通过不同流量(35,45,55L/min)、不同坡度(24°,28°,32°)的野外放水冲刷试验,对工程堆积体坡面产流产沙的时空变化特性进行了研究。结果表明,径流强度与放水强度、产沙率密切相关,三者之间呈多元线性相关;坡面径流强度随冲刷时间呈波动式增大趋势;平均含沙量和产沙比均随坡度增大呈先增后减的趋势,峰值出现在坡度为28°时;径流强度和产沙率在冲刷时间为10min时出现第一个峰值;坡面产沙过程呈现产沙率剧增、波动和稳定发展3个阶段;累计产沙量与累计径流量呈线性关系。试验结果可为工程堆积体坡面水土流失预报模型的构建提供验证数据。     

坡长对黄土区工程堆积体产流产沙影响的模拟试验研究

[目的]探究坡长对黄土区工程堆积体产流产沙的影响,为生产实践中工程堆积体水土流失合理防控提供理论依据和技术支撑。[方法]在裸露的堆积体边坡上选取3个坡度(24°,28°,32°)5个坡长(4,8,12,16,20 m)进行野外模拟径流冲刷试验。[结果] 24°,28°,32°坡面产流率和产沙率均随坡长的增加持续波动;4和8 m处坡面的产流率和产沙率之间相关性显著,12,16和20 m处坡面的产流率和产沙率间只有在32°时相关性显著;累积产流量和累积产沙量均随坡长增加而增大且符合幂函数关系;累积产沙量与累积产流量之间具有线性函数关系。[结论]坡长对坡面产流率和产沙率的影响因坡度而存在差异性;累积产流量、产沙量均随坡长的增加而增加。     

模拟径流条件下工程堆积体陡坡土壤侵蚀过程

工程建设过程中形成的堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,堆积体表面土壤结构体缺失、土质松散、植物根系及有机质缺乏等,导致其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面的土壤侵蚀过程亦表现出不同的特点,该文通过野外放水试验,对高速公路沿线典型堆积体陡坡（36°）在模拟径流冲刷条件下的土壤侵蚀过程进行了研究,结果表明,次径流过程中径流强度变化与放水强度及径流含沙量密切相关,三者之间呈多元线性相关;重力侵蚀对径流含沙量的变化具有重要影响,试验条件下重力作用的临界放水条件在20～25 L/min之间;坡面产沙过程存在产沙量的突变、波动变化和稳定发展3个阶段;不同坡段产沙量的空间分布存在持续稳定减小和震荡式波动衰减2种变化形式;土壤剥蚀率与单宽流量呈线性关系,与时段产沙量及流宽呈幂函数关系;最后,时段产沙量与时段径流量呈幂函数关系,累积产沙量与累积径流量呈线性关系。     

高边坡工程堆积体产流产沙特性研究

工程堆积体在强降雨条件下极易发生严重的水土流失,成为某些建设项目主要的水土流失来源。为了系统揭示高边坡工程堆积体的土壤侵蚀特点,在建设的3个坡度(24°,28°和32°)、宽5m、坡长20m的小区上进行放水冲刷试验。结果表明,产流量、产沙量与放水流量、坡度之间存在线性正相关关系,即随着放水流量、坡度的增大,产流量、产沙量在不断增大。临界产流放水流量和临界产沙放水流量均说明工程堆积体下渗强烈。由于下渗强烈,流量较小时(30L/min),坡度对产流量的影响不明显。试验条件下产流量和产沙量存在密切的幂函数关系,具体表达式是Ms=0.560 W~(0.886)。     

两种工程堆积体坡面细沟形态与产沙关系对比研究

为探究不同土壤类型工程堆积体坡面细沟形态与水动力学参数及侵蚀产沙间的关系,选取沟宽、沟深、宽深比等作为细沟形态参数,在放水流量8、12、16、20 L·min–1和坡度32°条件下,对红土和塿土工程堆积体进行冲刷试验.结果表明:(1)两种堆积体坡面细沟沟宽、沟深在前24 min均发育迅速;随放水流量增大,沟宽和沟深均呈...     

鲁中山区小流域坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀方式变化过程的研究

采用模拟降雨的方法对鲁中山区坡面土壤降雨条件下产流、产沙和侵蚀方式的演变过程进行了研究,结果表明:产流量都是随时间递增最终达到稳定产流,但是各次降雨达到稳定产流的时间均随降雨强度和坡度的增大而递减。相同坡度条件下120mmh-1雨强产流较60mmh-1雨强先到稳态,而相同雨强条件下10°坡面则较5°坡面先达到稳态。产沙量呈递增趋势且逐渐达到稳定产沙,达到稳定产沙的时间随雨强和坡度的增大而递减。相同坡度条件下120mmh-1雨强处理较60mmh-1雨强处理先达到稳态,相同雨强条件下10°坡面比5°坡面产沙过程先达到稳定产沙状态;在降雨过程中坡面首先产生面蚀,后出现细沟侵蚀;面蚀率随降雨历时延长有减小趋势,但变幅较小,细沟侵蚀率随降雨时间先急剧增加后保持稳定。     

横坡垄作对坡耕地产流产沙及氮磷养分流失过程影响研究

横坡垄作是一种常见的水土保持耕作措施,它通过增大坡面拦蓄和入渗能力,进而影响坡面土壤侵蚀过程。为揭示黄土坡耕地养分流失特征,通过人工模拟降水试验,利用投影面积为4.5 m×1.5 m的径流小区,设计降雨强度(90 mm·h^-1)、5个地表坡度（3°、5°、10°、15°、20°）以及横坡垄作和平整坡面两种坡面处理,探究横坡垄作对不同坡度坡耕地产流产沙特性及其携带的氮磷养分流失情况。结果表明：（1）坡面坡度小于20°时,横坡垄作能明显降低降雨过程中坡面的产流产沙量,产流量和产沙量最大分别可降低95%和99%;而当坡度增大至20°时,横坡垄作坡面发生断垄,横坡垄作对径流和泥沙的控制效应随之减弱,产流和产沙量会接近或大于平整坡面。（2）横坡垄作对养分流失浓度的影响较小,但对养分流失量具有明显影响。坡面坡度小于20°时,横坡垄作具有较好的控制坡面养分流失量的效果;当坡度增大至20°时,横坡垄作控制养分流失的作用减弱。径流中全氮的流失量始终大于全磷的流失量;除横坡垄作10°坡面外,泥沙中全磷的流失量均大于全氮的流失量。（3）坡面养分流失量主要由坡面径流量和泥沙量决定。径流养分流失率和产流速率、泥沙养分流失率和产沙速率满足线性正相关关系。横坡垄作对径流和泥沙中养分减少效益分别可以达到45%～100%、59%～100%。整体而言,横坡垄作是控制坡面土壤侵蚀及减少养分流失的一种有效方法。     

冲刷条件下生物质炭添加对喀斯特黄壤坡面产流产沙的影响

【目的】揭示生物质炭添加对喀斯特地区黄壤坡面产流产沙的影响。【方法】通过土槽模拟冲刷试验,设置了四个生物质炭添加率(对照组（CK）、1.25%（BC1）、2.5%（BC2）和5%（BC3）)和三个坡度等级（5°、15°和25°）,以分析在这些坡度条件下,生物质炭添加对坡面初始产流时间及产流产沙过程的影响。【结果】相较于对照组,当生物质炭添加率为1.25%和2.5%时,黄壤坡面的初始产流时间明显缩短;而在5%的添加率下,初始产流时间则有所延长。就总产流量和总产沙量而言,不同坡度和生物质炭添加率均能显著提升土壤的入渗能力,从而减少了总产流量（降低了3.05%～13.32%）。此外,坡面总产沙量有所增加,增幅在16.88～926.79 g h^-1之间。黄壤坡面的总径流量与生物质炭添加率呈现线性负相关性。在5°坡度条件下,总产沙量与生物质炭添加率之间呈现指数函数关系;而在15°和25°坡度条件下,二者呈线性关系。方差分析显示,产沙速率在30 min达到稳定后,在5°坡度上,CK与BC3间的产沙速率存在显著差异,但与BC1和BC2间的差异不明显。在15°坡度时,CK与BC2间的产沙速率差异显著;在25°坡度时,添加生物质炭的各处理组与未添加生物质炭的对照组之间均显示出显著差异,且BC1与BC3添加率组间的产沙速率差异显著。这表明,在相同冲刷强度条件下,随着坡度的增加,添加生物质炭产沙速率的增大更为显著。【结论】在西南喀斯特黄壤坡耕地添加生物质炭在总体上可以增加土壤保水性,减少径流流失;但会有增加土壤流失的风险,而在产沙速率稳定时,在5°坡度上添加1.25%生物质炭能减少水土流失。     

放水冲刷对红壤坡面侵蚀过程及溶质迁移特征的影响研究

坡面薄层水流侵蚀不仅造成土壤养分流失,土壤质量恶化,同时对水体污染等环境问题造成一定影响。为了分析上方来水流量对红壤坡面径流侵蚀过程中泥沙的迁移规律及土壤溶质运移特征的影响,本试验利用室内放水冲刷试验,采用3个不同上方来水流量（10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1）对第四纪黏土发育红壤坡面径流侵蚀过程中坡面径流泥沙和径流中非吸附性离子（Br-）迁移过程进行了研究。结果表明：不同上方来水条件下,放水初期产流量迅速增大,后期趋于稳定,累积径流量与产流时间成显著的线性关系,10 L min-1、15 L min-1、20 L min-1三种上方来水流量下累积径流量分别为263.2 L、295.1 L、291.04 L;上方来水流量越大,薄层径流冲刷作用越强烈,径流含沙量随时间变化波动越剧烈,累积泥沙量随产流时间呈幂函数变化,15 L min-1、20 L min-1流量下累积泥沙量分别为10 L min-1流量下累积泥沙量的1.42倍、4.25倍;径流Br-浓度随产流时间呈幂函数衰减,反映了土壤溶质随径流迁移量变化主要受水流与土壤接触时间和作用程度的影响。研究表明放水冲刷对土壤侵蚀及溶质运移有重要作用,试验结果对有效预测与控制红壤坡面侵蚀及养分流失具有重要实际意义。     

跌水高度对元谋干热河谷冲沟沟头侵蚀产沙特征的影响初探

元谋干热河谷冲沟侵蚀强烈,以沟头溯源侵蚀过程为主,陡立沟壁跌坎是活跃沟头的重要形态特征之一。采用野外原位放水冲刷试验,研究了25和50 cm两种不同跌水高度对侵蚀产沙过程的影响。结果表明:2种跌水高度下,(1)径流跌水冲刷力差异显著。跌水势能转化量平均值分别为4.89和9.78 J s-1,跌水剪切力平均值分别为25.9和53.5 Pa,均呈现倍数关系。(2)跌穴发育形态特征及下游侵蚀量差异大。2个小区跌水最大下切深度分别为7.38和7.50 cm,平均下切深度分别为3.87和5.16 cm;沟头沟壁及下游沟床部位侵蚀量累积贡献平均为41%和54%。(3)径流含沙量差异显著(p0.1)。整个试验中2个小区径流平均含沙量分别为7.51和18.76 g L~(-1),且径流经过沟壁跌坎后,含沙量分别平均增大6.25和25.49 g L~(-1)。初步认为沟壁跌坎高度差异影响径流冲刷力及其侵蚀产沙特征,但仍需进一步开展更多跌坎高度下的相关研究,为干热河谷区冲沟沟头溯源侵蚀动力学机制研究提供补充。     

国内主要流域侵蚀产沙模型评述

流域侵蚀产沙模型是国际土壤侵蚀研究的重点领域之一,国内以往进行了较多研究,建立了许多模型。正确分析和评价这些模型对于合理地使用它们进行流域侵蚀产沙预报和水土保持规划等工作具有重要意义。从研究方法、模型结构、模型中各参数的确定等方面对我国主要流域侵蚀产沙经验模型和具有一定成因的模型进行了分析,并在此基础上对各模型进行了评价。     

草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀影响的试验研究

通过野外人工模拟降雨试验,研究了草本植被覆盖对坡面降雨径流侵蚀的影响,并从径流侵蚀功率和降雨侵蚀力两个方面对比分析了草本植被对坡面侵蚀动力的调控效果,结果表明草本植被覆盖深刻影响降雨侵蚀动力,并最终对坡面径流侵蚀量产生较大的影响。植被覆盖度为0%～60%时,产流产沙量随植被覆盖度的增加迅速降低,植被覆盖度>80%时,覆盖度的增加不能引起产流、产沙量的大幅度下降,植被水沙调控作用趋于稳定,确定本研究的临界植被覆盖度为60%～80%;以径流深和洪峰流量模数表示的坡面径流侵蚀功率以及降雨侵蚀力等侵蚀动力指标均与侵蚀产沙量呈正相关关系,但径流侵蚀功率与产沙量具有更强的相关性,说明径流侵蚀功率能更好地模拟侵蚀动力;以径流侵蚀功率/侵蚀量表示植被覆盖度对侵蚀结果的影响,反映了临界植被覆盖度的存在,可以作为评价植被侵蚀动力调控效应的一个指标。     

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 ,水流含沙量也出现了跳跃性增加     

紫色土区小流域侵蚀产沙对水土保持措施的响应

探讨降雨量与水土保持措施对流域水沙关系的影响,对流域水土流失预报和水土保持效益评价具有十分重要的科学意义,但在紫色土区这方面的研究还相当薄弱。以鹤鸣观小流域Ⅱ号支沟实测降雨径流泥沙数据为基础,分析了水土保持措施对流域径流、泥沙及水沙关系的影响。结果表明:流域治理后期,降雨产流量变化率、降雨产沙量变化率均减小,随着降雨的增多,水土保持措施对径流、产沙的影响效应增强;暴雨强度愈小,降雨量愈少,水土保持径流拦蓄作用愈显著;但降雨量愈大,泥沙拦蓄作用愈显著;流域减水量一般在30%~70%,而减沙量都高于90%,减沙量明显高于减水量;由于水土保持综合治理的作用,1989年后的多年平均径流量较1989年前减少33.11%,多年平均产沙量减少90.50%。     

区域尺度侵蚀产沙估算方法研究

 区域土壤侵蚀模型是大区域土壤侵蚀普查和水土保持宏观决策的支持工具,土壤侵蚀模型的研发是土壤侵蚀学科的前沿领域。基于DEM将区域划分为规则网格,设计产流、产沙过程的单元模型,包括植被截留、入渗、填洼、流速、携沙能力、径流剥蚀量、泥沙沉积等算法。将月降水当作1次降雨事件,并划分若干时段进行迭代计算,利用GIS空间分析功能完成水沙汇集运算,并在ArcGIS支持下进行计算机程序设计,有效地完成了区域侵蚀产沙量的计算。将模型应用于延河流域得到:1995年7月份平均径流深为35.6mm,径流系数为0.237,流域出口径流量为2.72亿m3,流域出口输沙量为0.38亿t,流域平均侵蚀模数为4575t/(km2.月);输出图形空间格局和结构符合实际情况,初步模拟结果令人较满意。