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。     

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。     

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。     

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...     

模拟径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程

基于可调控的放水冲刷试验,模拟风水复合侵蚀区典型覆沙黄土坡面,研究不同径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程。通过室内放水冲刷试验,采用3个放水流量(5,10,15L/min)和5个覆沙厚度(0,5,15,25,35mm)研究覆沙黄土坡面产流产沙过程。结果表明:覆沙坡面能够延长产流时间,且随覆沙厚度的增大而延长,不同放水流量条件下5,15,25,35 mm覆沙坡面的产流时间较黄土坡面分别延迟了1.29~1.46倍,1.66~2.5倍,2.32~3.76倍和3.64~4.72倍;覆沙坡面相对黄土坡面其产沙贡献率大于产流贡献率,在相同放水流量条件下,覆沙坡面的径流总量是黄土坡面的1.05~1.8倍,而产沙总量是黄土坡面的1.6~7.5倍;覆沙坡面在不同放水流量条件下,产流0~5min内,覆沙坡面产流率增长速率明显高于黄土坡面,而在后25min覆沙坡面与黄土坡面的产流率增长速率基本一致;在整个产流阶段,覆沙坡面的产流率波动程度显著高于黄土坡面。随着放水流量的增大,覆沙坡面的初始产沙强度显著增加;但在同一放水流量前提下,随着覆沙厚度的增大初始产沙强度增强不显著。不同放水流量和不同覆沙厚度条件下坡面产沙强度总体上表现为先剧烈增大后降低然后逐步达到平稳状态,且覆沙坡面产沙强度的波动性明显活跃于黄土坡面。覆沙坡面能够破坏水流的稳定性,在一定程度上加剧了土壤侵蚀。     

布设植物篱条件下工程堆积体坡面产流产沙过程研究

为了探究植物篱措施对工程堆积体坡面产流产沙过程和减流减沙效益的影响,采用35,45,55L/min 3个流量,对24°,28°,32°3个坡度的堆积体边坡(20m×5m标准小区)进行模拟放水冲刷试验。结果表明:植物篱坡面的初始产流时间和产流强度较对照坡面(裸坡)均有不同程度减小,产流强度在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱坡面产沙率先增大后减小,产沙率整体低于对照坡面,且二者差值随时间逐渐缩小;小流量条件下产沙较稳定,大流量条件下产沙率变化较大;产沙量与产流量之间有良好的线性关系;植物篱措施的平均减沙效益随坡度增大而减弱,平均减流效益随坡度增加而增大,减沙效益仅与坡度有显著相关性。减流效益与减沙效益的关系较复杂,但降低工程堆积体坡面坡度仍是防治水土流失的关键,对于植物篱措施减流减沙的局限性,应通过提升植物篱的布设参数来改善。     

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     

土石混合堆积体坡面土壤侵蚀研究进展

土石混合堆积体是一种堆弃物,因其特殊的物质组成与结构,受到雨水冲刷极易发生次生灾害,近年来越来越多的学者关注其坡面土壤侵蚀问题,但研究尚无完整的理论与方法,整体处于初步探索阶段;综述了土石混合堆积体坡面特性、入渗过程、水流水动力学特征及产流产沙特征等研究现状;提出在未来的研究中,可借鉴元素示踪等研究方法深入探讨土石混合堆积体内部水分运移规律,从物质来源、类型及研究方法等方面完善研究其坡面水流水动力学特性,注重探讨堆置形态、原地貌形态以及砾石的分布状况等对其坡面及地下土壤侵蚀的影响,着重研究降雨及径流共同作用下的坡面及地下侵蚀规律,进一步探究其不同治理措施的减水减沙效益,构建适宜各类型土石混合堆积体土壤侵蚀预报模型,为生态防护体系的构建及区域经济可持续发展奠定基础。     

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。     

紫鹊界梯田区坡面产流产沙特征的模拟试验研究

通过野外模拟降雨试验,研究了紫鹊界梯田区红薯地与裸地土壤入渗及坡面产流产沙特征。结果表明,与裸地坡面相比,红薯地坡面由于覆盖度高,土壤疏松,其土壤入渗率比裸地高。在小雨强(0.65mm/min)条件下无径流产生,中(1.15mm/min)、高(1.65mm/min)雨强下坡面产流产沙速率以及径流系数均有很大程度的降低,表现出较强的减流减沙效益,但径流含沙量分别为裸地的1.3和2.8倍试验条件下的坡面产流产沙和土壤入渗过程均符合幂函数关系,产流率与产沙率之间呈线性关系。     

模拟玉米茎秆流对土壤侵蚀的影响

玉米茎秆流是降雨过程中经玉米冠层截留后沿茎秆流向根部的水量,是种植坡地地表径流的重要组成部分,对植物根部的土壤侵蚀过程具有重要影响。采用人工模拟降雨方法,研究了成熟期玉米茎秆流对坡地土壤侵蚀的影响。试验土槽长为0.40 m、宽为0.23 m、深为0.14 m;采用直径为2 cm的PVC管模拟成熟期玉米茎秆,高度为1.2 m;模拟茎秆流量为5,10,15 g/s,用相同降雨条件下无茎秆流坡地作为对照措施;降雨强度为60,90,120 mm/h,降雨历时108 min,坡度为10°。结果表明:(1)与对照措施相比,茎秆流具有加快坡地地表产流的作用;(2)模拟茎秆流条件下地表产流量和产沙量均高于对照,相较无茎秆流坡地,3个降雨强度下各茎秆流量的产流贡献率为14.90%~43.10%,产沙贡献率为12.47%~26.75%;(3)茎秆流在茎秆周围地表形成细小股流,促使坡地土壤侵蚀过程由面蚀向细沟侵蚀转变,从而增加了坡地土壤侵蚀量。因此,在坡地水土流失计算与评价中应考虑茎秆流的土壤侵蚀作用。     

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,通过人工模拟降雨试验,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（3o、5o、10o、15o、20o）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20o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20o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20o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20o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10o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%。整体上而言,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。     

模拟降雨下黄土表土结皮的侵蚀响应

基于室内模拟降雨实验,对比分析有表土结皮、无表土结皮表面的溅蚀、坡面侵蚀过程,探讨表土结皮的侵蚀响应.结果表明,表土结皮对溅蚀量的影响与降雨历时有关,在短历时降雨(＜20 min)下,因有表土结皮表面存在松散细小颗粒,其溅蚀量大于无表土结皮表面;降雨历时＞20 min时,有表土结皮表面的溅蚀量表现出明显大于无表土结皮表面的趋势.有表土结皮表面的入渗率明显低于无表土结皮表面,因产流与入渗有紧密关系,表土结皮进而影响产流时间、产流量和产沙量;与无结皮表面相比,有表土结皮表面的产流时间提早,产流量快速增加,产沙量递增,易于发育细沟侵蚀.     

含结构体工程堆积体土壤侵蚀研究

为探究野外实际调查中常见的含结构体工程堆积体土壤侵蚀过程,设计含结构体工程堆积体和对照组2种试验材料（对照组为不含结构体工程堆积体,后文中对2种试验材料简称为结构体和堆积体）,通过室内模拟降雨试验,研究了结构体和堆积体坡面径流侵蚀特征与雨强和场次的关系。结果表明：（1）初产历时随雨强和场次的增加而减小,结构体对初产历时有延缓作用,这与结构体的土壤特性和下垫面特征有关;（2）平均径流率和平均流速均随雨强和场次的增加而增大,堆积体平均流速和平均径流率分别是结构体的1.11~1.22,1.11~1.37倍,而结构体流速和径流率快速增加和趋于稳定的时间均较堆积体提前,且用时更短;（3）雨强对侵蚀速率、流速和径流率的贡献率较大,场次与侵蚀速率负相关,各条件下结构体的侵蚀速率均大于堆积体,且侵蚀速率和总侵蚀量分别是堆积体的1.03~2.15,1.36~2.63倍;（4）径流功率能够更好地描述结构体和堆积体侵蚀动力过程,结构体发生侵蚀的临界径流剪切力和径流功率均小于堆积体。