模拟降雨下不同坡度土壤坡面产流产沙特征及磷和钾素流失研究

采用室内模拟降雨研究了不同坡度对土壤坡面产流产沙特征及其养分流失的影响。结果表明:在降雨条件下,初始产流时间随坡度的增加而趋于提前,初始产流时间变化范围为0.63~1.62 min,说明坡面产流时间因坡面坡度的增加而缩短。不同坡度条件下径流强度随降雨历时的增加而增加,在降雨历时前20 min,径流强度急剧增加,降雨历时20 min以后,径流强度增加趋势趋于平稳,径流强度遵循幂函数变化规律;不同坡度条件下入渗强度随降雨历时的增加而降低,在降雨历时前20 min,入渗强度急剧降低,降雨历时20 min以后,入渗强度降低趋势趋于平稳,坡面入渗强度随时间则呈对数函数变化。不同坡度下径流量均随降雨历时呈“增加—稳定”趋势（单峰曲线,抛物线规律）,在整个降雨过程中,径流量随坡度的增加而增加,在0~20 min内,径流量随降雨历时的增加陡然上升趋势,20~40 min,不同坡度条件下土壤泥沙侵蚀量均达到最大值,40 min以后泥沙侵蚀量随降雨历时的增加呈现基本平稳趋势,泥沙侵蚀量中DP,K⁺,SEP和SEK均随着坡度的增加而增加。不同坡度条件下,泥沙量与侵蚀泥沙中养分的含量均存在不同程度的正相关关系,其中坡面坡度为20°,25°和30°时,侵蚀泥沙养分含量与泥沙流失量间的相关性明显优于其他坡度,说明侵蚀泥沙量的增加会引起泥沙中各种类养分含量的增加效应,而随着坡度的增加,侵蚀泥沙量与侵蚀泥沙中养分的含量并非均显示出更进一步的相关性。     

降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响

采用室内人工模拟降雨技术,研究短历时暴雨和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)不同降雨强度条件下,不同坡度间的坡面径流量、产沙量及径流泥沙含量均呈现随着降雨历时的增加而增加的动态变化趋势,不同的是径流量在15～24 min后逐渐趋于稳定。(2)不同降雨强度条件下,裸露铁尾矿砂坡面径流量及产沙量与坡度相关关系均存在临界降雨强度,该临界降雨强度约为90 mm/h。(3)不同降雨强度条件下,不同坡度间的产沙量及径流泥沙含量随着降雨强度的增加,二者与坡度的关系均由负相关逐渐转变为正相关。(4)当降雨强度从60 mm/h增加到120 mm/h的过程中,不同坡度条件下的径流量及产沙量与降雨强度总体上呈逐渐上升的趋势,局部存在特殊情况。当坡度从25°增加到35°的过程中,不同降雨强度条件下的径流量及产沙量与坡度的关系均不明显;但同一坡度条件下,随着降雨强度的增加,径流量和产沙量均逐渐增加。研究成果为揭示降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂产流产沙机理提供参考。     

降雨类型与坡度对棕壤垄沟系统产流产沙的影响

为深入理解棕壤垄作坡耕地的土壤侵蚀机理,利用1.60 m×0.53 m的试验土槽,设计2个降雨类型,即增强型(70～70～100～100 mm/h)和减弱型(100～100～70～70 mm/h),以及2个坡度(9°和18°)的人工模拟降雨试验。每个雨型分2个阶段(阶段I、阶段II),每个阶段进行相同雨强的2个场次降雨,每个场次降雨历时20 min。结果表明:(1)雨强对径流量呈显著影响(P0.05),100 mm/h雨强下的径流量70 mm/h时的径流量。在减弱型雨型下,坡度对径流量影响显著(P0.05),而增强型雨型下在不同阶段坡度对径流量的影响不同。(2)雨强对产沙量的影响显著(P0.05),在阶段Ⅰ降雨中,100 mm/h雨强下9°和18°坡面的平均每分钟产沙量分别为70 mm/h雨强下的23.98,9.07倍。在70 mm/h雨强下,坡度对产沙量的影响显著(P0.05),而100 mm/h雨强下不同阶段坡度对径流量的影响具有差异性。(3)100 mm/h雨强在不同雨型中出现的时序对产沙量影响不显著(P0.05);在70 mm/h雨强下,产沙量整体较小,基本在15 g/min以下。同一雨强在不同雨型中的时序对径流量均存在显著影响(P0.05)。(4)总径流量从大到小依次为:9°减弱型18°减弱型9°增强型18°增强型;总产沙量从大到小依次为:18°增强型18°减弱型9°减弱型9°增强型。不同雨型下,雨强发生改变后,累计径流量和累计产沙量增加速率和雨强的改变具有一致性。     

坡度和刺槐覆盖对黄土坡面产流产沙影响的模拟降雨研究

 选用处于黄土高原的山西省吉县蔡家川刺槐覆盖坡面的表层土壤,栽植刺槐幼林后进行人工降雨模拟试验,对比研究不同坡度对刺槐覆盖坡面和裸露坡面的产流和侵蚀产沙的影响。结果表明:当降雨强度一定时,在一定的坡度范围内,随着坡度增加,开始产流时间提前,径流的速度加快,树冠截留率减小,径流量增大,侵蚀量、含沙量增加;刺槐林树冠截留率与坡度的关系为I=29.556α-0.311（R2=0.9874）;刺槐覆盖坡面侵蚀量与坡度之间的关系为W=0.116 84α3.005 9（R2=0.9795）;同一坡度条件下,裸露坡面比刺槐覆盖坡面径流平均速度高15%～25%,径流量高15%～48%,侵蚀量高10%～117%,平均含沙量高55.5%～133.0%。     

雨强和坡度对铁尾矿砂坡面复垦前后产流产沙的影响

运用人工模拟降雨技术,研究铁尾矿砂裸坡及复垦坡面在雨强和坡度共同作用下的产流产沙特征。结果表明:(1)坡面产流及产沙受各因子影响程度均为:雨强>坡度>基质类型。(2)就铁尾矿砂裸坡而言,雨强对坡面产流影响显著,坡面产流随着雨强和坡度的增大均呈现递增趋势,随着雨强的增大,其作为坡面产流主导因素的作用突显,会出现掩盖坡度对坡面产流影响的现象;坡面产沙随着雨强的增大基本呈现递增趋势,且坡度越大产沙的增幅越大,雨强和坡度对坡面产沙影响均显著。(3)在复垦设计坡度25°条件下,就减流效果而言,不同基质类型复垦坡面间减流规律相似、效果差别甚微,随着雨强的增大减流效果逐渐消失;单纯考虑减沙效果,不同复垦坡面的减沙效果因基质的不同存在一定的差异,综合考虑不同雨强下的减沙效果,铁尾矿砂与菌糠混合物是复垦坡面基质的最优选择。研究结果可为铁尾矿砂裸坡土壤侵蚀的防治和铁尾矿库复垦提供经验参考和合理建议。     

不同放牧强度荒漠草原产流产沙过程模拟

为揭示长期放牧的荒漠草原坡面产流产沙特征,以放牧15年的4种放牧强度的内蒙古荒漠草场土壤为研究对象,在室内人工模拟降雨条件下,探究放牧强度及雨强对草原坡面产流产沙耦合过程的影响。结果表明:(1)不同雨强下,不同放牧草场间的初始产流时间均随放牧强度的增大而提前;产流速率呈现先增长后稳定的状态,4种放牧强度草场的产流速率规律及其波动幅度均为重度放牧(HG)中度放牧(MG)对照(CK)轻度放牧(LG),且雨强对产流速率的影响大于放牧强度。荒漠草原累计径流量与降雨历时呈线性相关,且拟合度较高;(2)荒漠草原产沙速率变化呈现多谷多峰的特点,雨强和放牧强度及二者的交互效应对产沙速率有极显著影响。不同雨强下,4种放牧强度草场的产沙速率规律及其波动幅度均为HGMGCKLG。泥沙流失总量与降雨历时之间呈二次曲线关系。     

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。     

坡地产流产沙规律数值模拟研究

联立并求解降雨入渗模型、坡面产流模型及泥沙输运模型,并利用matlab编写模型计算程序,模拟计算了坡地的产流产沙过程。通过野外模拟降雨试验数据与模型计算值之间的对比验证了模型的可靠性,最后利用模型模拟了在不同雨强、坡度、坡长及土壤前期含水率条件下的坡面出口处的单宽流量、含沙率、总产沙量及坡面平均流速、平均水深的变化规律。结果表明:雨强及坡长的增大均会导致产流量及产沙量的显著增大;坡度的增大会导致产流量减小,而产沙量则出现先增大再减小的规律;土壤前期含水率的增大会导致产流量及产沙量有一定程度增大,但影响并不显著。     

弃土场侵蚀产沙模拟试验研究

鉴于目前很多学者对弃土场的研究,主要集中在室外天然降雨和人工模拟降雨监测上,而在室外由于受到工程建设时限和其他因素制约,并不能对各影响因素做定性研究的实际,利用室内模拟降雨对弃土场侵蚀产沙过程进行模拟试验研究,寻求侵蚀产沙规律及主要影响因素。试验结果为:弃土坡面侵蚀沟出现时间随降雨强度的增加而缩短;产沙量随降雨强度的增加而增加,但在雨强较小情况下,坡面产沙量最初随降雨的持续而逐渐增加,达到一个峰值后,便开始减少,并趋于稳定,而在大雨强条件下,坡面产沙量随降雨的持续呈波动增加状态,侵蚀量增加较快;在同一降雨强度条件下,坡面产沙量随坡度的增加而增加。     

土壤表面特性与坡度对产流产沙的影响

通过不同坡度下，前期有、无发育土壤结皮及前期打破土壤结皮的对比试验．分析了土壤表面特性与坡度对产流产沙的影响。结果发现，土壤结皮与坡度对产流均有影响，土壤结皮与坡度均通过降低入渗而增加产流；随着坡度的增加土壤结皮的贡献率降低，坡度的贡献率增加；不同坡度下，随着降雨历时的增加，土壤结皮的影响在降低。产生土壤结皮后，侵蚀力的增大远远大于抗蚀力的增大，导致产沙量增大。打破土壤结皮下产流量与产沙量仍旧很高，说明仅在表层扰动并不能彻底消除土壤结皮的影响。     

雨强和坡度对嵌套砾石红壤坡面产流产沙的影响

采用人工模拟降雨的方法研究了嵌套砾石红壤坡面的产流产沙特征,分析了雨强(60,120mm/h)和坡度(10°,15°,20°,25°)条件下嵌套砾石和无砾石红壤坡面的产流和产沙过程差异。结果表明:(1)产流开始时间T_(嵌套砾石)T_(无砾石),60mm/h雨强条件下嵌套砾石较无砾石坡面在10°,15°,20°,25°坡度分别延迟4.20,2.95,2.23,1.03min;(2)坡度相同时,嵌套砾石坡面较无砾石坡面产流率明显减少,但雨强的增大会掩盖嵌套砾石对坡面产流率减小的影响;(3)嵌套砾石红壤坡面在60mm/h雨强、坡度10°条件下平均产流率最小,在120mm/h雨强、25°坡面下平均产流率是前者的4.5倍;无砾石红壤坡面在120mm/h雨强、坡度25°条件下平均产流率最大,为最小平均产流率的4.8倍;(4)各坡面产沙强度、次降雨产沙量随雨强和坡度增大而增大,60mm/h雨强、坡度10°和25°时,嵌套砾石坡面平均产沙强度为无砾石坡面的6.0%和28.4%;120mm/h雨强时,此两个坡度的嵌套砾石坡面为无砾石坡面平均产沙强度的33.9%和25.3%。     

不同雨强条件下坡度对红壤坡面侵蚀的影响

坡度是红壤坡面侵蚀的重要因子,通过室内模拟降雨试验研究3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min),3个坡度(10°,15°,20°)条件下坡度对红壤坡面产流、产沙过程影响。结果表明:(1)相同雨强下,坡面初始产流时间随坡度增加逐渐缩短,坡度与坡面径流量呈正相关关系;相同坡度下,随雨强增加初始产流时间及坡面径流量差异均减小。(2)坡度对红壤坡面含沙量的影响表现为平均产沙量随坡度增加而增大,其中15°坡度下坡面产沙过程波动较大。(3)坡度对坡面径流量的贡献率在60%以上,而坡度对坡面产沙量贡献率保持在30%左右。通过分析不同降雨条件下坡度对红壤坡面侵蚀过程影响,以期为红壤水土流失地区的水土保持预测与措施布没提供相应理论参考。     

不同降雨强度下地面坡度对红壤坡面土壤侵蚀过程的影响

通过室内模拟降雨试验,研究了不同降雨条件下地面坡度对红壤坡面产流过程和侵蚀过程的影响,结果表明,红壤坡面起始产流时间随坡度的增加有所提前,但不明显,坡面起始产流时间的早晚主要受降雨强度控制;坡面径流量随雨强的增大而增大,随坡度的变化比较复杂,在雨强为50mm/h时,径流量随坡度的增加而减小,在雨强为75mm/h时,径流量随坡度的增加先增大后减小;不同降雨强度下各坡度的侵蚀产沙率都是在降雨初期急剧上升,随后以指数下降,形成一个向左倾斜的曲线。坡度对坡面侵蚀产沙的影响随雨强的增大而增强;红壤坡面土壤侵蚀量随雨强的增大明显增大,随坡度的增加,在50mm/h小雨强时呈现先增加后减小的变化趋势,在坡度20°附近存在临界坡度;在75mm/h雨强下,侵蚀量随坡度增大而增大。     

红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律

为探究红壤区裸露坡地在不同类型次降雨下的产流产沙规律,研究收集长汀县水土保持科教园红壤裸露坡地径流小区2013年1月至2020年12月共388场降雨—径流—土壤侵蚀观测资料,采用K-means将降雨划分为4类进行分析。结果表明:(1)主要降雨类型有A(短历时、大雨强、小雨量、低频次)、B(长历时、小雨强、大雨量、中频次)、C(中等历时、小雨强、小雨量、高频次)3类,B、C为研究区主要产流产沙来源,贡献85%以上的径流和土壤侵蚀量。(2)次降雨径流深及土壤侵蚀量与降雨量(P)、最大30 min雨强(I₃₀)和降雨动能(E)呈线性正相关,与降雨侵蚀力(EI₃₀)呈幂函数关系。但降雨特征对产流产沙的总解释度小于65%,且随着降雨历时的增加而减小。(3)降雨特征与产流产沙存在3种约束关系,其约束线表明降雨特征对次降雨潜在最大产流产沙的影响。其中,潜在最大径流深主要由P和E决定,潜在最大土壤侵蚀量的上限为800~900 t/hm²。从降雨特征单因子影响、综合影响和约束效应3个方面分析了红壤裸露坡地的产流产沙特征,为红壤区水土流失防治提供了数据基础。     

喀斯特土石异质坡面产流产沙规律

侵蚀性降雨是引起喀斯特黄壤坡面水土流失的主要动力因子。采用贵州省遵义市浒洋水流域2018—2020年4个径流小区92次侵蚀性降雨产流产沙实测数据,研究次降雨条件下,裸露坡面和块石出露小区对产流产沙的影响。结果表明：(1)侵蚀性降雨可以分为A、B、C 3类,A类降雨是造成喀斯特黄壤坡面土壤侵蚀的主要雨型。侵蚀性降雨的标准为次降雨量>6.6 mm或I₃₀>3.6 mm/h。(2)裸露坡面63.27%的侵蚀性降雨径流深<0.4 mm, 66.30%的侵蚀性降雨土壤流失量<1 g/m²,坡面土壤侵蚀量主要是由个别的次降雨所贡献。比较3类降雨,产流产沙的规律总体上表现为A雨型>C雨型>B雨型。(3)土壤流失量主要是由径流深决定,径流深直接决定着坡面产沙的多少。A类降雨中20 mm降雨量是喀斯特黄壤坡面径流深和土壤流失量明显增加的突变值。(4)3类降雨下,块石出露增加了坡面产流量,产流量随着出露率的增加而变大。但产沙量的变化比较复杂,A类降雨下,产沙量随着块石出露率的提高呈明显增加。研究结果对喀斯特坡面水土流失治理和土...     

不同雨强条件下工程措施对坡地产流产沙影响

基于试验站不同坡地措施（坡耕地和坡改梯）2016年和2017年的逐日降水、产流产沙数据,研究不同坡地措施和雨强下产流产沙规律特征,定量揭示坡改梯和坡耕地对产流产沙的影响。结果表明：（1）7月平均雨强I、最大雨强I₃₀及坡地产流量最大,8月最大雨强I₆₀与坡地产沙量最大,表明坡地产流产沙高峰期与雨强高峰期一致。（2）春夏两季产流、产沙量与I、I₃₀和I₆₀相关性显著（超过95%置信度检验）。其中坡耕地产流产沙量与I、I₃₀、I₆₀的相关系数整体高于坡改梯。春夏季坡耕地产沙量分别是坡改梯的3.91,7.85倍。（3）降雨主要集中在I（1~3 mm/h）、I₃₀（3~29 mm/h）、I₆₀（2~27 mm/h）之间,且坡地产流产沙量与最大雨强I₃₀、最大雨强I₆₀在95%置信度水平呈现显著正相关。当I₃₀达到29.0 mm/h、I₆₀达到26.6 mm/h时,坡地产流产沙达到最大,坡耕地产流产沙峰值是坡改梯的2.43,7.52倍以上,并且坡耕地全年产流产沙变异系数总体高于坡改梯,因此坡改梯工程在一定程度上防治了水土流失,使产流产沙变化减小。