土壤侵蚀过程中坡面流水力学特性及侵蚀动力研究评述

土壤侵蚀动力过程是水流和土壤两者相互作用的复杂物理过程,而含沙水流是土壤侵蚀的主要动力,深入理解坡面流水力学特征及侵蚀动力是研究土壤侵蚀动力学规律的基础.本文从坡面流水力学特性及侵蚀动力,包括:流速、水深、流态、阻力规律以及坡面流的切应力、冲刷动力、运动能量等多方面对国内外关于土壤侵蚀动力过程研究进行了系统深入的评述,并探讨了研究中存在的问题,重点指出:坡面流作为三维、非恒定非均匀沿程变量流,流动形态千变万化,坡面状况较为复杂,其均匀流理论远不能真实反应自然界复杂地表状况下的水流水力学特性及其变化规律.开展复杂地表的水流运动过程、水力学参数变化规律及坡面侵蚀水动力过程研究是今后土壤侵蚀水动力学研究的重要方向,这对于深入了解土壤侵蚀水动力过程的内在机制、构建物理侵蚀模型具有重要的研究意义.     

连续降雨条件下工程堆积体产流产沙对砾石含量的响应

[目的] 探究连续降雨条件下不同砾石含量对陕北沙壤土上方有来水工程堆积体坡面产流产沙的影响,为生产建设项目水土流失治理提供数据支撑和理论参考。 [方法] 通过室内模拟降雨试验,研究不同砾石含量(0,10%,20%,30%,40%)工程堆积体坡面土壤水动力学特性及产流产沙特征。 [结果] ①降雨强度相同,随砾石含量增加,工程堆积体坡面初始产流时间表现为递减趋势,减幅为27.22%～64.62%,35.09%～71.70%,47.37%～78.77%,51.75%～82.31%。次降雨径流率表现为“迅速增加—稳定波动”的变化趋势,平均径流率随砾石含量、降雨时间的增加显著增大;但产流峰值随砾石含量增加而降低,且出现时间逐渐提前。 ②试验各场次雷诺数的变化范围介于74.13～165.05,均小于500,水流属于层流;弗劳德数的变化范围集中在2.14～3.71,表现为急流。水流剪切力、水流功率和单位水流功率随降雨场次的增加而显著增加。 ③0%～40%砾石含量工程堆积体坡面侵蚀速率介于0.45～6.73,0.13～4.09,0.25～1.26,0.14～0.96,0.13～0.88 g/(m²·min),各砾石含量堆积体减沙幅度分别为36.06%,49.05%,55.23%和56.62%,其中砾石高覆盖度(40%)的沙壤土工程堆积体坡面土壤侵蚀强度较小。 [结论] 砾石覆盖在沙壤土工程堆积体坡面的水土流失过程中可显著降低土壤侵蚀速率,从而实现拦蓄水土,保持较高的减沙效益。     

集中水流下土石混合崩积体坡面侵蚀水动力特征试验研究

为了探究土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学机理,采用室内放水冲刷试验,研究了不同流量(2,4,8,16L/min)和坡度(10°,20°,30°,40°)条件下4种土石混合崩积体(0,20%,40%,60%砾石质量百分数)坡面侵蚀的水动力学特征。结果表明:(1)在小坡度和小流量条件下,侵蚀率随砾石含量的增大而减小;当流量或者坡度增大时,侵蚀率随砾石含量的增加呈先减小后增大的规律;各土石混合物侵蚀率均能用坡度和流量的二元幂函数来表达。(2)水流剪切力、水流功率和单位水流功率与侵蚀率均呈线性函数关系,其中水流功率和水流剪切力可优先作为模拟土石混合崩积体坡面侵蚀的水动力学参数。(3)可蚀性参数及临界侵蚀动力随着砾石含量的增加而增加。研究结果可为进一步深化认识崩积体侵蚀机理提供参考。     

汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀率及水动力学参数研究

汶川震区滑坡堆积体土石结构松散,在降雨径流作用下易产生剧烈沟蚀,导致严重的水土流失,研究堆积体水流泥沙输移运动规律具有重要意义。根据野外调查结果,采用4种石土比(质量比分别为0∶1、1∶3、1∶2和1∶1),3级流量(4、8、12 L min-1),在近临界休止角34°和36°条件下进行放水冲刷试验,研究汶川震区滑坡堆积体土壤侵蚀率和水动力学参数的变化特征及其关系。结果表明:随着冲刷时间的推延,土壤侵蚀率、水流功率和单位水流功率逐渐减小,水流剪切力先增加后减小,过水断面单位能量先减后增再减小。全土以及石土比分别为1∶3和1∶1条件下,土壤侵蚀率、水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加而增大;在石土比1∶2条件下,土壤侵蚀率随流量的增加而增大,水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加,变化规律不稳定。水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量对土壤侵蚀率的影响均可用幂函数方程描述,而单位水流功率的影响不显著。该结果可为汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础。     

坡面侵蚀动力学及其相关参数的探讨

 从分析坡面水流形态动力学特性着手,对比土壤侵蚀临界坡度的研究;概述土壤侵蚀的机制,以及坡面水流中水流速度、泥沙含量和下垫面三者相互作用的关系。发现及时、准确和动态地测量水流速度和泥沙含量,是分析这些复杂关系的关键,它使定量研究坡面土壤侵蚀的机理成为可能。     

降雨和上方来水条件下工程堆积体坡面土壤侵蚀特征

定量分析降雨和上方来水共同作用下堆积体坡面产流产沙过程,对于完善多驱动力条件下堆积体坡面土壤侵蚀特征具有重要意义。该研究运用人工模拟降雨和冲刷试验,在野外径流小区(7 m×1 m×0.5 m,坡度36°)上分别开展5个降雨强度(40、50、70、100、120 mm/h)、4个上方来水强度(10、15、20、25 L/min)单独作用及共同作用下坡面土壤侵蚀过程试验,比较2种驱动力单独作用及共同下堆积体坡面土壤侵蚀与形态特征。结果表明:1)降雨条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现阶段性差异发育,中小雨强(40、50和70mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时延续呈现2个不同阶段(波动、平稳),侵蚀形态为不连续跌坎,大雨强(100和120 mm/h)条件下,产流率和产沙率随历时的延续呈现3个不同阶段(波动、平稳、剧烈),坡面侵蚀形态为细沟。2)上方来水条件下,堆积体坡面侵蚀过程呈现相对平稳发育,坡面侵蚀形态均为细沟。3)上方来水与降雨共同作用下,堆积体坡面侵蚀过程呈现剧烈波动发育,产沙率随历时的延续呈现持续"多峰多谷"变化态势,随着时间延续,产沙率波动振幅逐渐增大,堆积体坡面侵蚀形态均为侵蚀沟,且发育剧烈。4)上方来水和降雨共同作用下,坡面径流量和泥沙量均增大,且泥沙量的增大幅度大于径流量,相比单独降雨,径流量和泥沙量分别增大86%~629%和86%~4914%,相比单独上方来水,径流量和泥沙量分别增大12%~175%和15%~505%。上方来水和降雨共同作用下,汇流与降雨之间存在交互作用,两者对径流和泥沙的影响均显著。研究结果对于完善堆积坡面土壤侵蚀特征及揭示复杂水动力条件下的侵蚀机理具有重要意义。     

定西黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀规律研究

通过在高泉沟小流域建立的水土流失监测网络,系统研究了小流域自然因素和人为因素与土壤侵蚀的关系,小流域水土流失时空变化规律及小东流泥沙概念性耦合模型,揭示了定西黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀规律,并建立了坡面土壤侵蚀数学模型,人为因素减水减沙的贡献率分别为７９．１１％和８５．６９％,由降雨减少引起的减水减沙的贡献率分别为２０．８９％和１４．３％,并应用水流泥沙概念性耦合模型,对“两期”治理效果进行了分析评价     

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。     

工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力学过程

工程堆积体产生的新增水土流失严重威胁工程建设区及其附近区域的生态安全。该文采用野外放水冲刷试验的方法,对神木-府谷高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀水动力过程进行了研究,结果表明,1）水流剪切力、水流功率及径流动能对薄层水流侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率、过水断面单位能量的影响不显著;2）水流剪切力、水流功率、过水断面单位能量对细沟侵蚀土壤剥蚀率的影响皆可用线性方程描述,单位水流功率的影响可用幂函数方程描述,径流动能的影响可用对数线性方程描述;3）水流功率是与土壤剥蚀率关系最好的水动力学参数,是坡面侵蚀的动力根源;4）发生细沟侵蚀的临界水流功率为3 N/(m·s),细沟可蚀性参数为8×10-3 s2/m2。该结果可为工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础,为生产建设项目区新增水土流失治理提供科学依据。     

土壤结皮坡面流水动力学特征

为了深入探讨土壤结皮对侵蚀的影响机制以及两者之间的关系,以10°坡为例,在变流量(1.0,1.4,2.0,2.4和2.8 L/min)条件下进行室内冲刷试验,研究土壤结皮坡面径流水动力学特征(平均流速、平均径流深度、雷诺数、水流剪切力、水流功率、阻力系数)并分析坡面流水动力学参数与土壤侵蚀量的关系。结果表明,土壤结皮对坡面流水动力学参数影响显著。土壤结皮坡面雷诺数始终小于500,坡面流流态为层流;土壤结皮坡面具有较大坡面流流速,较小径流深度、水流剪切力和水流功率。结皮坡面的土壤侵蚀量明显低于无结皮坡面的土壤侵蚀量。土壤侵蚀量与坡面水动力学参数相关关系显著(相关系数R0.90),土壤侵蚀量与雷诺数呈线性正相关,与水流剪切力、水流功率的对数呈线性正相关,与阻力系数呈线性负相关。因此,在本研究中,单纯从径流冲刷侵蚀的角度土壤结皮的存在有利于减小坡面土壤侵蚀量。由于降雨因素对土壤结皮的侵蚀效应影响较大,将雨滴打击与径流冲刷相结合才能更好地研究土壤结皮对侵蚀的影响机制。     

喀斯特坡地裸露心土层产流产沙模拟研究

通过人工降雨探索表土剥离后喀斯特坡地侵蚀产沙特征及机制,为该地区开展地下水土流失研究及指导水土流失防治工作具有重要的理论和现实意义。试验采用钢槽装填土石模拟喀斯特地区表土剥离后坡地的"二元结构",通过人工模拟降雨揭示了雨强(30、50、80mm h~(-1))、坡度(10°、15°、20°、25°)和地下孔(裂)隙度(1%、2%、3%、4%、5%)对坡地土壤侵蚀的影响,并在此基础上进一步讨论了各因子对剥离表土后的坡地造成的影响。结果表明:(1)表土剥离后地下漏失的隐蔽性增强,小雨强的坡地土壤侵蚀容易被忽视,30、50 mm h~(-1)雨强条件下,仅当坡地坡度≥15°时地表出现径流,坡地侵蚀产沙以地下流失为主,地下产流量、产沙量随雨强先增大后减小。(2)喀斯特地区坡地土壤侵蚀治理不应只重视地表水土流失,更应关注垂直方向上的土壤侵蚀——地下漏失,低坡度(坡度≤15°)条件下,地表近乎无产流产沙,坡地侵蚀产沙集中在地下孔(裂)隙,而坡度为20°、25°的坡地,其地下产沙比重仍分别高达0.85~0.97、0.59~0.84。剥离表土后的坡地水土保持应从地表、地下两个方向进行,避免由地下漏失引起的岩溶塌陷。增大地下孔(裂)隙度能显著提高地下产流量和产流系数,并促进地下孔裂隙产沙量和产沙比重的增加。     

辽西春季解冻期褐土工程堆积体坡面产流产沙模拟试验研究

为揭示春季解冻期工程堆积体土壤侵蚀过程机理,以辽西地区的开挖河道工程堆积体为研究对象,采用室内模拟放水冲刷试验对春季解冻期褐土工程堆积体坡面侵蚀过程进行研究.结果表明:各解冻坡面径流量随着放水冲刷量的增加而增加,并且在相同放水冲刷量下,坡面径流量整体呈现未解冻坡面>解冻2h坡面>解冻4h坡面>对照;解冻时间越长,坡面对...     

工程堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机制研究

工程堆积体极易产生水土流失,是生产建设项目水土流失防治的重点。为探明工程堆积体植物篱控蚀效果和机理,通过野外模拟径流冲刷试验,该文采用35、45、55 L/min 3种放水流量,对24°、28°、32°三种坡度的植物篱(H)及裸露对照小区(C)堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取产沙率、径流含沙量、减沙量、径流挟沙力、剪切力、剥蚀率和径流功率等因子对堆积体坡面植物篱的控蚀效果及其机理进行分析。结果表明:堆积体侵蚀时间段集中在产流中后期(10~32 min),侵蚀位置主要在坡面中上段(0~10 m),植物篱具有10%~45%的减沙效益,其控蚀能力与冲刷历时之间存在二次函数的关系,临界时间随坡度和流量的增加而提前;植物篱坡面产流后期径流含沙量超过裸坡,这与其在侵蚀过程中的"源-汇"转变有关;植物篱可降低坡面土壤剥蚀率,提高坡面的临界剪切力和临界径流功率,能抑制细沟向坡面下部的发育,基于径流功率,其可蚀性参数(3.58 g/(N·m))大于对照坡面的可蚀性参数(2.83 g/(N·m))。研究结果可为坡面植物篱的合理利用提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体措施条件下土壤侵蚀预报模型的建立提供部分参数支持。     

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。     

坡面水系工程技术应用研究

坡面水系工程是引导坡面径流、控制坡耕地水土流失的根本措施 ,将不同形式的坡面水系工程有机地结合起来 ,可截短坡面流水线 ,拦截地面径流 ,防止坡面冲刷 ,起到滞洪、沉沙、保护坡面水土资源和土壤肥力的作用。介绍了常见坡面水系工程设计要点     

人工模拟降雨下汶川震区滑坡堆积体产沙规律

为明确震区滑坡堆积体坡面产沙的特点,该文采用室内人工模拟降雨试验,对不同土石比(质量比为1:1、1:2、1:4)的滑坡堆积体侵蚀产沙规律进行研究。结果表明,同一土石比不同降雨强度与同一雨强不同土石比条件下,震区滑坡堆积体产沙随时间的变化形式,为波动型和平缓型。土石比和雨强对滑坡堆积体径流含沙量有显著影响,即当滑坡堆积体土石比为1:1时,稳定产沙率随着雨强增大而增大,即2.80 g/min(1.0 mm/min)7.76 g/min(1.5 mm/min)10.84 g/min(2.0 mm/min);在土石比为1:2雨强1.0 mm/min时没有产流产沙,1.5 mm/min雨强条件下的产沙率小于雨强2.0 mm/min的产沙率;土石比为1:4的滑坡堆积体在整个试验过程中没有产流产沙。土石比与平均产沙率、累积产沙量的偏相关系数相比于雨强更大,累积径流量和累积产沙量为极显著线性关系。研究为汶川震区滑坡堆积体的水土流失预测和治理提供理论依据。     

石漠化区薄土层坡地雨水转化及土壤侵蚀影响因素分析

为了探究影响喀斯特坡地雨水转化及土壤侵蚀的影响因素,该研究采用人工模拟降雨方法,降雨强度选取50、75和100 mm/h,降雨次数为相同降雨强度下的连续3次降雨,坡度为5°、15°和25°,坡地包括地下基岩具有裂隙的地下裂隙坡地和地下基岩无裂隙的无地下裂隙坡地,研究了不同降雨强度、降雨次数和坡度下喀斯特坡地地表-地下的径流和土壤侵蚀变化。结果表明：1）两种坡地的地表径流率随降雨强度、降雨次数和坡度的增加而增加;壤中流率随降雨强度和坡度的变化也呈相同的趋势,但随降雨次数增加,两种坡地的壤中流率减少;岩土界面流率和地下裂隙流率随坡度和降雨次数增加而减少,随降雨强度增加先增大后减小。2）在降雨强度（50和75 mm/h）、降雨次数（第1场）和坡度（5°和15°）较小时,坡地径流以岩土界面流和地下裂隙流为主,分别占总雨水的24%～39%和28%～51%;随着影响因素增强,两坡地径流转变为以地表径流为主,分别占总雨水的30%～50%和25%～43%。3）降雨强度和坡度是驱动两个坡地地表土壤侵蚀的主要驱动力（P<0.01）,但降雨强度、降雨次数和坡度对两坡地地下土壤侵蚀的影响较小（R2<0.3,P>0.05）;总体上,无地下裂隙坡地和地下裂隙坡地土壤侵蚀以地表土壤侵蚀为主,分别占总侵蚀量的54%～97%和39%～96%;以岩土界面侵蚀或地下裂隙侵蚀为辅,分别占总侵蚀量的1%～45%和2%～60%。研究结果可为理解识别喀斯特坡地雨水转化和土壤侵蚀驱动因素以及喀斯特石漠化防治提供参考。     

模拟降雨条件下林木裸露根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响

为探究喀斯特地区林木根系分布方式对坡面土壤侵蚀的影响,采用人工模拟降雨方法,研究林木根系3类分布方式：根系横坡方向局部裸露（横向）、根系顺坡方向局部裸露（顺向）、根系垂直坡面（垂直）的土壤侵蚀特征。降雨强度为75 mm/h,降雨历时为90 min,坡度为25°。结果表明：（1）降雨过程中,横向和垂直生长根系影响土壤入渗,壤中流和地下径流产流时间表现为顺向>横向>垂直;顺向坡面地表径流初始产流时间比横向和垂直坡面略有提前,但差异不显著（p>0.05）;（2）横向、顺向及垂直坡面地表径流总量大小表现为顺向>垂直>横向,壤中流与地下径流产流速率在降雨过程中缓慢增加,降雨停止后急剧减小;（3）林木根系3类分布方式坡面间的地表减沙效益表现为横向>垂直>顺向。综上所述,顺向坡面的汇流作用促使地表产流产沙增加,垂直坡面增加土壤降雨入渗并减少侵蚀,横向坡面对坡面径流泥沙的拦蓄作用最为明显。研究结果对认识喀斯特石漠化坡地土壤侵蚀机理和水土流失防治措施提供了参考。