不同植被类型下坡面径流侵蚀产沙差异性

利用野外模拟降雨试验分析不同植被类型不同雨强下坡面降雨入渗产流和侵蚀产沙过程特征及径流侵蚀产沙差异性,阐明了不同植被类型对坡面降雨侵蚀产沙过程的调控机理及其差异。结果表明:荒地、草地和坡耕地坡面产流产沙过程线均较林地强烈,呈现出多峰多谷的特点;植被类型和雨强及二者的交互效应均对产沙有显著影响,植被类型的作用大于雨强,交互效应相对较弱;植被类型和雨强对径流有显著影响,植被类型的作用大于雨强,此时交互效应的影响并不显著。各种类型的产沙量均存在显著差异,除荒地和草地两者径流量无明显差别外,其他两者之间存在显著差异。林地具有蓄水减沙的水土保持功效,草地具有直接拦沙的水土保持功效,植被对有效控制水土流失至关重要。该项研究有助于更好地理解植被、降雨和侵蚀之间的相互关系。     

坡沟产沙关系及其侵蚀机理研究进展

坡沟系统侵蚀过程及其机理研究是当前土壤侵蚀过程研究的热点和难点所在。回顾了对坡沟侵蚀形态垂直分带、坡沟侵蚀产沙特征、上方来水来沙对土壤侵蚀过程的影响、坡沟侵蚀水力学机理以及坡沟侵蚀动力学机制的研究进展。分析了研究中存在的问题，提出了有待于进一步开展的研究工作。     

坡沟侵蚀产沙关系的模拟试验研究

黄土高原坡面从分水岭到坡脚,径流侵蚀产沙方式和产沙强度等特征表现出明显的垂直分带性。为了揭示造成这种垂直分带性特点的形成机理,本文设计了4m长坡面(坡度为20°)和3m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统试验土槽,采用四个不同流量(2.1Lmin-1、3.2Lmin-1、5.2Lmin-1、7.2Lmin-1)的放水冲刷试验,研究了坡面不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡侵蚀产沙的影响,并建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。结果表明:坡面放水径流强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率均影响着沟坡部分侵蚀产沙量的大小。坡面放水径流强度与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系;坡面来水含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量之间呈线性关系。根据单位水流功率的概念,计算得出试验条件下沟坡侵蚀产沙的临界单位水流功率值为0.632。最后,根据改进的Yalin公式及沟坡侵蚀产沙的影响因素,分别建立了坡面和沟坡侵蚀产沙的数学模型,经计算后与实测值进行对比发现结果基本令人满意。     

黄土坡面细沟侵蚀带产流产沙模型研究

坡耕地细沟侵蚀的研究,不仅对防治坡耕地的土壤侵蚀、发展农业生产有重要的实际意义,而且对揭示坡面沟蚀的发展过程和坡耕地的土壤侵蚀本质有重要的理论意义.现今,将地貌学、水文水力学、泥沙运动力学、土壤侵蚀学等学科知识和研究方法相结合,来分析坡面流形成及坡地的侵蚀机制,探讨侵蚀变化过程的相关参数,是国内外坡地侵蚀研究的最新趋势之一.本研究在前人研究基础上,运用理论分析,通过室内放水模拟实验,主要研究了黄土坡面上细沟侵蚀过程的水力学机理,包括细沟侵蚀带坡面上的产汇流规律,细沟流的流态,细沟水力几何特征,细沟流内水流阻力规律,细沟冲刷率,并在这些研究基础上建立了细沟侵蚀带的综合产流模型及细沟侵蚀产沙的数学物理模型.主要成果有:     

放水冲刷条件下坡面植被空间布局对坡沟系统侵蚀产沙的影响研究

植被在有效防治水土流失、改善生态环境中具有不可替代的重要作用。研究表明,土壤表面没有植被的降雨侵蚀量是未扰动森林土壤的16倍[1]。Zheng在子午岭林区的研究也发现,当地表植被生长良好时,降雨、地形、坡度等因素对土壤侵蚀量的影响很小。而土壤表层一旦失去植被保护或根系的固结时,降雨和地形等因素对侵蚀的作用则十分     

侵蚀产沙系统模型概述

根据目前国内外侵蚀产沙模型的研究现状，系统地阐述了流域从降雨到地表径流、沟间地产沙输移，细沟侵蚀产沙输移和泥沙的演进计算过程。     

坡沟系统侵蚀产沙特征模拟试验研究

坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间，揭示其侵蚀产沙特征对于认识流域侵蚀产沙及建立流域土壤侵蚀预报模型有重要意义。采用放水冲刷法，通过2.125、3.205、5.250、7.185 L/min 4个不同的放水流量，在4 m长坡面(坡度为20°)和3 m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统上，对坡沟系统的侵蚀产沙特征进行了模拟试验研究。结果表明：对试验条件下的每一个放水流量来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势。沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水流量2.125 L/min时的38.13％，增加到放水流量7.185 L/min时的56.01％。对于黄土高原水土流失治理，单纯治坡或治沟均不能明显减少土壤流失量，采取坡、沟兼治才是有效减少土壤流失的有效措施。     

基于三维激光扫描的坡沟系统侵蚀产沙过程研究

为了探究野外自然坡沟系统土壤侵蚀过程,研究于黄土丘陵沟壑区典型流域辛店沟内自然坡面开展5场放水冲刷试验,利用地面三维激光扫描技术(Terrestrial laser scanning, TLS)获取高精度地形信息,并采用DEM of difference(DoD)地形变化监测方法计算产沙量,利用实测产沙量评估TLS的监测精度,并探讨了坡沟系统侵蚀/沉积的变化特征。结果表明：(1)累积场次中,DoD不确定性(即level of detection, LoD)平均值(范围)为16.5 mm(16.2～16.8 mm)。单场次中,LoD值平均值为16.4 mm(16.2～16.6 mm);(2)累积场次中,梁峁坡、沟谷坡、坡沟系统TLS扫描所得产沙量相对误差的平均值(范围)为52.63%(26.06%～106.98%),56.68%(30.26%～75.49%)和56.28%(33.37%～73.28%),与实测数据显著相关(R²>0.9,p<0.05)。单场次TLS扫描相对误差波动范围更大且平均值高于累积场次,其值分别为83.70%(4.08%～190.4...     

黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程的REE示踪研究

利用室内概化的坡沟系统模型,结合REE示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程进行了深入研究。结果表明,坡沟系统的坡面侵蚀速率大于沟坡的侵蚀速率,即坡面侵蚀较沟坡侵蚀剧烈;在本研究设计的流量范围内存在一个临界流量Q=12 L/min,当冲刷流量小于该值时,起始侵蚀率随流量的增大而增大,当冲刷流量大于该值时,起始侵蚀率随冲刷流量的增大而减小;相同流量下,随着冲刷历时的延长,其侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小,而且随着流量的增大,La元素示踪带和Eu元素示踪带侵蚀率达到最大的时间越来越短。     

基于模拟降雨的坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征研究

利用水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室全自动人工降雨系统,对人工模拟的裸露坡沟系统进行了3组不同降雨强度的模拟试验,对坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征进行了分析。结果表明:坡沟系统侵蚀产沙量随降雨历时增加呈波动增加趋势,沟谷中部和坡面过渡区域侵蚀发育较早且发展最快,沟谷产沙及沟谷径流含沙量对坡沟系统出口径流含沙量的贡献最大,坡沟系统中沟谷中下部和坡面-沟谷过渡区域为侵蚀易发区域。在实践中建议采取工程和植物措施,着重治沟、兼顾治坡,有助于控制黄土高原沟道的侵蚀产沙。     

砒砂岩区小流域坡沟系统地形及侵蚀分异规律

作为黄河流域典型生态脆弱区之一的砒砂岩区,水土流失治理难度大,区域地形、侵蚀在坡沟系统的分布迥异。区域土壤侵蚀研究多集中于刻画侵蚀空间分布及不同地类差异性研究,从坡沟系统细化开展研究工作较少,不能较好地为后续精细化治理提供支撑。因此,选取位于准格尔旗的3个典型砒砂岩区小流域,结合目视解译的流域沟沿线,开展了流域地形、水力侵蚀分布规律及其关联性研究。结果表明：流域地形因子分布特征与地貌特征分布一致,高值集中分布在沟道,低值则集中在坡面,且特拉沟小流域(覆沙)沟道处的地形因子统计值最大;砒砂岩典型流域水力侵蚀在坡面、沟道空间分布存在差异,流域坡面以微度侵蚀为主,占比达87%～97%,沟道微度侵蚀占比较坡面该值下降54%～72%,什卜尔泰支沟(裸露)沟道处的水力侵蚀模数均值最高,达97.5 t/(hm²·a);坡度、地表粗糙度、地表切割深度与水力侵蚀模数呈显著正相关关系(p<0.001),阳坡成为强度侵蚀以上单元的主要分布坡向,占比达56.8%～75.8%。因此,该区在后续小流域综合治理过程中,沟道及其阳坡是亟待加强的区域。     

不同草带对坡耕地土壤侵蚀的影响

于20012002年进行了“不同草带对坡耕地土壤侵蚀的影响”研究,试验设高羊茅(A)单作、高羊茅与红三叶混作(B)、非洲狗尾草与红三叶混作(C)和一个无草带种植(对照D)4个处理,坡地在13.2°14°。在每个处理上部等高种植玉米,基部种0.5 m宽的草带,底部设径流收集池,主要收集510月玉米生长期间的水土流失量。结果表明:①草带可显著减少径流量和侵蚀量,3种草带处理2年的总径流量和总侵蚀量均极显著(P<0.01)小于对照D,其中非洲狗尾草与红三叶混作的水土保持效果最好,高羊茅与红三叶混作次之,高羊茅单作为第三。②试验地水土流失主要发生在68三个月,这3个月的径流量和侵蚀量分别占总量的96.8%,99.9%,特别是6月径流量和侵蚀量分别占总量的63.2%,80.3%,草带在此期间水土保持效果最显著。所以,在坡耕地上结合农作物等高种植多年生草带是一项简单有效的水土保持技术。     

喀斯特地区不同林草植被的减流减沙作用

为了进行水土保持生物措施的合理配置,因地制宜治理贵州喀斯特地区水土流失,通过径流小区观测法,对贵州喀斯特地区不同林草植被的减流减沙作用进行了研究.结果显示,观测试验期间(2008-2010年),大部分林草植被类型都经历了明显的变化过程:完全不具减流减沙作用-部分具有减流减沙作用-减流减沙作用.至2010年各林草植被的减流作用的大小顺序为:经济林(减流率为52.5％～64.3％)＞杨树与墨西哥柏混交林＞黑麦草＞墨西哥柏＞白三叶＞杨树;减沙作用的大小顺序为:经济林(平均减沙率达99.3％)＞黑麦草＞杨树与墨西哥柏混交林＞墨西哥柏＞杨树＞白三叶.林草植被配置方式对产流产沙量也有很大影响,因此采取林草措施应同时考虑林草类型和配置方式,才能达到最佳的水土保持效果.     

不同下垫面对坡面侵蚀特征的影响

为研究不同下垫面对黄土坡面侵蚀特征的影响,2008年在黄河水利科学研究院模型黄河试验基地,用人工降雨的方法研究了黄土坡面小区在不同立地条件和不同雨强下的径流量、侵蚀量.结果表明:在小雨强条件下,裸地和坡耕地的径流量随时间延续逐渐增加,在试验进行到30min左右时达到波动稳定状态,约为10kg/min,约为相同雨强下草地坡面径流量的40倍左右.中雨强时,裸地和农耕地的径流量约是草地径流量的7倍;大雨强时,草地径流量在试验初期呈缓慢增加的态势,在试验进行到12min左右时基本稳定在10kg;裸地和农耕地径流量在试验初期急剧增加,在试验进行到20min左右时达到各自的最高点,然后维持在一个较低的水平.不同下垫面坡面在小雨强时,裸地和农耕地的侵蚀产沙量远远大于草地,约是其20倍,为10kg左右.中雨强时,裸地和农耕地的侵蚀产沙量约是草地的100倍左右;大雨强时,裸地和农耕地的侵蚀量仍远远大于草地的侵蚀量,二者在试验初期急剧增加,在试验进行到18min左右时达到各自的最高点,然后坡面侵蚀量维持在一个较低的水平.综合分析表明,草被覆盖坡面可以防护中小雨强下的土壤流失.     

草带宽度对紫色土坡面细沟形态及水土流失特征的影响

为了解不同草带宽度对紫色土坡耕地水土流失的影响,以铺设四季青草带的紫色土坡面为研究对象,采用放水冲刷模拟试验,以裸坡为对照组,研究不同放水冲刷流量和草带宽度条件下坡面细沟形态变化和减沙减流效应.结果表明:(1)沟深随草带宽度增大呈先减小后增大趋势,而沟宽、沟长和沟宽深比均随草带宽度呈先增加后减小趋势;此外,沟宽、沟深和...     

草带措施对坡耕地产流产沙和氮磷迁移的控制作用

植被在坡面的位置对坡面保持水土的作用是不同的。动态监测澄江抚仙湖一级支流尖山河小流域坡耕地降雨-径流过程及水土流失量,研究草带措施对云南红壤坡耕地产流产沙和氮磷迁移的削减作用。结果表明:草带调控处理下雨季降雨量、总产流次数、径流深和土壤侵蚀量较原状坡面明显减少,次降雨下,宽草带的径流控制率和土壤侵蚀控制率分别为79.19%和64.55%,窄草带的径流控制率和土壤侵蚀控制率分别为85.15%和73.77%,坡耕地土壤侵蚀量变异系数>径流深变异系数>降雨量变异系数,原状坡面变异系数间增幅差异为31.42%,宽草带调控措施作用下变异系数间增幅差异为20.37%,窄草带调控措施作用下变异系数间增幅差异为19.11%,窄草带对坡耕地径流和泥沙的调控能力更强;宽草带和窄草带2种草带作用下,径流氮磷迁移浓度差异不显著,较原状坡面相比,草带措施明显控制氮磷迁移通量,径流总氮迁移通量控制率分别为81.23%和81.68%,铵态氮迁移通量控制率为78.25%和59.50%,总磷迁移通量控制率为71.36%和82.03%;径流泥沙速效养分含量明显增加,较原状坡面相比,草带措施能明显控制径流泥沙氮磷迁移通量,且径流泥沙氮磷迁移控制率较径流氮磷迁移控制率高,径流泥沙全氮迁移通量控制率为98.43%和94.30%,碱解氮迁移通量控制率为98.43%和93.10%,全磷迁移通量控制率为96.43%和89.77%,速效磷迁移通量控制率为90.34%和57.43%。     

淤地坝控制黄土高原坡沟系统重力侵蚀的空间特征

基于有限元技术,建立了关地沟4号坝上游典型坡沟系统的概化模型,结果发现随淤地坝坝地的淤高,坡沟系统的稳定性和滑塌量分别增强和减少,其随坝地淤高的变化分别满足二项式和直线规律;通过软件模拟计算,结果发现在坡沟系统重力侵蚀中,随着淤地坝的淤高,峁坡和沟坡滑塌物的体积和重量之比基本为1:50;峁坡滑塌物的体积和重量占总滑塌物的体积和重量的2%,而沟坡滑塌物的体积和重量占总滑塌物的体积和重量的98%,沟坡重力侵蚀是沟道泥沙的主要来源。该研究结果可为小流域沟道重力侵蚀的预报和侵蚀量的评估提供重要参数和科学依据。     

关于林草地减沙效益计算研究

林草地减沙效益表现在固土、拦沙和防蚀三个方面。传统的用封闭径流小区试验法测定的林草地的减沙量实质上仅为林草地自身的固土量，用这种固土量来计算林草地的减沙效益是不完全的、片面的。