黄土坡面产流动态变化过程实验模拟

采用模拟降雨试验方法对黄土坡面产流动态变化过程进行研究,取得了如下结果：（1）不同雨强条件下,坡面径漉率随降雨过程的动态变化可用对数相关方程描述,5-10min之间径流率随降雨过程的变化幅度较大,以后变缓,并趋于基本稳定状态;（2）不同坡度条件下,坡面径流深随降雨强度的动态变化可用线性相关方程进行描述,坡面径流深随降雨强度的增加而急剧增大;（3）不同雨强条件下,坡面径流深随坡度的动态变化总体可用抛物线相关方程进行描述,25’左右是径流深随坡度变化的转折点;（4）不同雨强条件下,坡面径流深随坡长的动态变化可用对数相关方程进行描述,随着雨强的增加,径流深随坡长的增加明显增大;（5）坡面径流深随坡度、坡长及降雨强度的动态变化可用多元幂函数相关方程进行描述,降雨强度对径流深的作用大干坡度及坡长因子。     

黄土坡面土壤侵蚀过程试验研究

采用人工模拟降雨的方法对黄土坡面土壤侵蚀过程进行了试验研究,取得了如下结果:①坡面土壤侵蚀随降雨过程的变化可用幂函数相关方程进行描述,15 m in和35 m in是土壤侵蚀强度随降雨过程变化的转折点;②雨强对坡面土壤侵蚀的影响可用幂函数相关方程进行描述,随着坡度的增大,土壤侵蚀强度随雨强的增大而增加的趋势更明显;③坡度对土壤侵蚀的影响可用抛物线相关方程进行描述,土壤侵蚀强度变化的临界坡度在25°附近;④坡长对土壤侵蚀的影响大体可用幂函数相关方程进行描述,但坡长对土壤侵蚀强度的影响比较复杂,随雨强大小的变化而表现为不同的形式;⑤坡度、坡长及雨强对坡面土壤侵蚀的综合影响可用多元线性相关方程进行描述,雨强对土壤侵蚀强度的影响远大于坡长及坡度因子,且坡度与土壤侵蚀强度的关系较坡长为密切。     

不同复合措施的次降雨径流、产沙调控率和作物产量

针对单一径流调控措施难以得到较好水土保持效果的问题,本研究通过天然降雨径流、产沙的试验定位观测,对几种措施复合后的次降雨径流、产沙的调控率,及对作物产量的影响做了分析.研究表明:复合措施可以有效地对坡面径流、产沙进行调控,减少坡面径流量和产沙量90%以上,同时提高农作物的产量10%以上.复合措施因其优异的径流、产沙调控能力,增产明显,成本低廉,实施简便,成为一种性价比较高的坡面径流调控模式.     

黄土坡面薄层流产流过程试验研究

薄层流径流过程是最基本的坡面水文过程,揭示黄土坡面薄层流产流过程机理对于认识坡面产流理论具有重要意义。试验采用人工模拟降雨试验方法,对黄土坡面薄层流产流过程进行研究,取得了如下结果:(1)坡面薄层流径流率随降雨历时的增长呈增加趋势,可用幂函数方程很好地描述,开始产流后的2~10 min内增加很快,以后逐渐趋于平缓、稳定;(2)不同坡度条件下,坡面薄层流径流深均随雨强的增大而呈显著增加,可用线性方程很好地表示;(3)不同雨强条件下,坡面薄层流径流深随坡度的变化趋势相似,皆可用对数线性方程描述;(4)不同雨强条件下,薄层流径流深随坡长增大总体呈增加趋势,可用倒数线性方程描述;(5)雨强、坡度、坡长对坡面薄层流径流深的综合影响可表述为三元线性经验方程,其中雨强的影响最大,坡度和坡长的影响小。     

基于WEPP模型进行坡度因子与侵蚀量关系研究

地面坡度是地形因素中对坡面土壤侵蚀的演变发展过程与侵蚀强度起重要作用的因子。本文以内蒙古准格尔旗皇甫川坡面径流小区的实测资料为基础,分析坡度因子与土壤侵蚀量的关系,并运用WEPP模型进行模拟,对其结果进行分析。结果表明在一定的坡度范围内,随着坡度的增加,土壤侵蚀量与坡度呈幂函数递增关系。用WEPP模型来模拟皇甫川流域坡面与侵蚀量的关系是可行的,根据试验观测及WEPP模型模拟得到结果,皇甫川地区的土壤侵蚀率在坡度是18~23o时最大,原因主要有坡度的陡缓决定了水力阻力的大小和坡面承雨面积的改变等。     

径流曲线数模型(SCS-CN)参数λ在黄土丘陵区的率定

径流曲线敷模型(SCS-CN)用来计算降雨形成的地表径流量,参数λ是模型中的重要参数之一.本文在对径流曲线数模型参λ敏感性分析的基础上,应用黄土丘陵区径流场62场实测降雨资料对参数λ与地表坡度关系进行了定量分析.结果表明,曲线教模型所描述的参数λ=0.2适合于黄土丘陵缓坡地,参数λ随着坡度的增大而减小;同时用实测降雨资料进行标定模型验证,得出径流量的预测值与实测值接近,其效率系数E=0.94,与直接运用模型计算径流量比较,效率系数有较显著提高.     

旱地保护性耕作地表径流和土壤水分平衡模型

在田间试验和对现有径流模型及土壤水分平衡模型改进的基础上，建立了适用于保护性耕作的地表径流和土壤水分平衡模型。该模型以日为步长，根据气象数据、土壤水分状况、作物生长发育及耕作管理措施，模拟不同耕作管理体系下地表径流和田间水分平衡的变化。针对保护性耕作的特点，主要对径流曲线数字(USDA—Curve Number)法进行了改进，在PERFECT模型的基础上增加了坡度和降雨强度两因素的影响，从而使模型较全面地考虑了残茬覆盖、耕作、坡度及降雨强度等多种因素对径流的影响；采用简单实用的Priestley—Taylor公式计算潜在蒸散量，并考虑作物覆盖与残茬覆盖对土壤蒸发与作物蒸腾的影响。通过田间径流试验和根层有效贮水量测定数据的验证，证明了地表径流和土壤水分的模拟值与实测值比较接近。     

薄土坡耕地石坎反坡水平阶水沙调控效果

为研究石坎反坡水平阶对于薄土坡耕地的水沙调控效果,设置了两个标准天然降雨径流小区（措施小区和对照小区）分别对次降雨径流和泥沙进行了观测,结果表明：石坎反坡水平阶措施能够有效地调控坡耕地地表径流,年均径流削减率为22.5%,且在短历时、大雨强降雨条件下的调控效果好于长历时、小雨强降雨;该措施对于坡耕地泥沙调控效果显著且稳定,年均泥沙削减率95.5%,措施小区的坡面产沙量随降雨特征值变化的波动幅度远远小于对照小区;石坎反坡水平阶措施通过减少坡面侵蚀,间接提高了坡耕地作物产量,春玉米年均增产6.2%。     

黄土丘陵区坡面水土流失规律研究

本文研究分析了三年大气降水，径流、泥沙资料，初步探求了坡度、降水和不同利用现状与水土流失的关系，并建立了降雨侵蚀力，坡度与坡面土壤侵蚀的数学模型，为该地区进行水蚀预报和防治工作提供了科学的依据。     

京津水源区坡耕地土壤侵蚀特征分析

坡耕地是保障粮食安全与经济发展的重要资源.本文利用承德市南山径流场资料对不同坡长下径流深、含沙量及侵蚀量进行对比分析,结果显示:坡长和降雨强度都对土壤侵蚀有影响,随着坡长变化,导致土壤侵蚀量变化的两个主导因素不断变换.雨强小于0.25 mm/min时,坡面土壤侵蚀模数随坡长的增加而增大;雨强大于0.25mm/min时,随坡长的增加先增大后减小,最大侵蚀量总是出现在22 m坡长范围内.径流深均值与侵蚀量增量随坡长变化趋势一致,含沙量均值变化与雨强关系密切.所以治理京津水源区坡耕地水土流失,应在22 m坡长以内采取等高植物篱等措施,既可降低工程投入,又减少坡面土壤流失,提高土地生产力.     

Freeze-thaw effects on erosion process in loess slope under simulated rainfall

Seasonal freeze-thaw processes have led to severe soil erosion in the middle and high latitudes. The area affected by freeze-thaw erosion in China exceeds 13% of the national territory. So understanding the effect of freeze-thaw on erosion process is of great significance for soil and water conservation as well as for ecological engineering. In this study, we designed simulated rainfall experiments to investigate soil erosion processes under two soil conditions, unfrozen slope (UFS) and frozen slope (FS), and three rainfall intensities of 0.6, 0.9 and 1.2 mm/min. The results showed that the initial runoff time of FS occurred much earlier than that of the UFS. Under the same rainfall intensity, the runoff of FS is 1.17-1.26 times that of UFS; and the sediment yield of FS is 6.48-10.49 times that of UFS. With increasing rainfall time, rills were produced on the slope. After the appearance of the rills, the sediment yield on the FS accounts for 74%-86% of the total sediment yield. Rill erosion was the main reason for the increase in soil erosion rate on FS, and the reduction in water percolation resulting from frozen layers was one of the important factors leading to the advancement of rills on slope. A linear relationship existed between the cumulative runoff and the sediment yield of UFS and FS (R²>0.97, P<0.01). The average mean weight diameter (MWD) on the slope erosion particles was as follows: UFS0.9 (73.84 μm)>FS0.6 (72.30 μm)>UFS1.2 (72.23 μm)>substrate (71.23 μm)>FS1.2 (71.06 μm)>FS0.9 (70.72 μm). During the early stage of the rainfall, the MWD of the FS was relatively large. However, during the middle to late rainfall, the particle composition gradually approached that of the soil substrate. Under different rainfall intensities, the mean soil erodibility (MK) of the FS was 7.22 times that of the UFS. The ratio of the mean regression coefficient C₂ (MC₂) between FS and UFS was roughly correspondent with MK. Therefore, the parameter C₂ can be used to evaluate soil erodibility after the appearance of the rills. This article explored the influence mechanism of freeze-thaw effects on loess soil erosion and provided a theoretical basis for further studies on soil erosion in the loess hilly regions.     

基于M-DEM黄土人工锄耕坡面微地形特征研究

黄土人工锄耕坡面微地形是地表径流和土壤侵蚀过程的重要影响因素。文中在1.0 mm/min雨强的人工模拟降雨试验条件下,采用微地形激光扫描测量方法获取5°人工锄耕坡面微地形相对高程,并进行拟合模型参数验证,进而构建了能反映真实地表情况的高精度M-DEM,并在ArcGIS中对其特征参量进行量化研究。结果表明:黄土人工锄耕坡面微地形起伏较小,整体属于凸形斜坡;虽在某些区域容易形成地表径流,但径流变化比较平缓,不容易形成较大的水流;微地形水系分维能较好地反映复杂微地形特征。论文可为在微地形层面进一步揭示黄土耕作坡面土壤侵蚀机理研究提供数据支持和方法参考。     

坡长对径流及侵蚀的影响

张家口市水保试验站坡长小区五年观测资料表明,降雨强度影响径流量、侵蚀量随坡长的变化。降雨强度较小时,径流量不能用坡长与降雨强度的乘积代替,侵蚀量随坡长增加较慢。降雨强度较大时,径流量可用坡长与降雨强度的乘积代替,侵蚀量方程中坡长指数较大。     

黄土区土质道路径流水动力学参数的灰色关联度分析

黄土区土质道路路面侵蚀是该地区土壤侵蚀中的重要形式之一,为了探讨其土壤剥蚀率与径流水动力学参数的相关关系,以便为该地区道路土壤侵蚀预报模型的建立提供帮助,采用室内人工降雨及放水冲刷实验、灰色关联度分析方法研究了裸露土质路和植草土质路的径流水动力学参数与土壤剥蚀率间的关系,结果表明:1)在15°坡度、不同雨强条件下,可根据径流量或水流功率计算土壤剥蚀率;2)在2mm.min-1雨强、不同坡度条件下,可根据水流功率或坡度计算土壤剥蚀率;3)在降雨加放水冲刷试验条件下,裸露土质路的土壤剥蚀率可通过径流水深或径流流速计算得出,而植草土质路的土壤剥蚀率可通过过水断面单位能量或径流量计算得出。因此,在无汇水条件时,根据径流水流功率计算土壤剥蚀率较为合理;在有汇水条件时,采用径流量计算土壤剥蚀率较为合理。     

聚丙烯酸钠对黄土坡面产流产沙的影响研究

通过野外模拟降雨试验,研究了施用SP对黄土坡面产流、产沙的影响,并对实验数据进行数学模拟,建立了SP施用量与产流、产沙强度间的关系模型.结果表明:SP施用量与产流时间、平均产流强度呈二次函数相关关系,与产沙强度呈线性负相关关系.SP用量在0～2.42 g/m\+2之间时,能够延缓坡面产流,用量为1.21 g/m\+2时延缓产流效果最明显;用量介于0～3.31 g/m2之间时,能够增加土壤入渗,减少坡面产流量,用量1.65 g/m2的增渗减流效果最佳;施用SP后,能够减少坡面输沙强度,且用量越大,减沙效果越明显.SP可影响坡面产流过程,用量1.8 g/m2时,能够减小产流初期径流强度增幅,用量为3.6 g/m2时,其产流过程线与对照极接近,而施用量增加到5.4 g/m2时,产流强度明显增大.SP对坡面产沙过程的影响表现为:随施用量增大,产沙强度峰值呈逐步减小的变化趋势.     

Two-dimensional hydrodynamic robust numerical model of soil erosion based on slopes and river basins

Erosion is an important issue in soil science and is related to many environmental problems, such as soil erosion and sediment transport. Establishing a simulation model suitable for soil erosion prediction is of great significance not only to accurately predict the process of soil separation by runoff, but also improve the physical model of soil erosion. In this study, we develop a graphic processing unit (GPU)-based numerical model that combines two-dimensional (2D) hydrodynamic and Green-Ampt (G-A) infiltration modelling to simulate soil erosion. A Godunov-type scheme on a uniform and structured square grid is then generated to solve the relevant shallow water equations (SWEs). The highlight of this study is the use of GPU-based acceleration technology to enable numerical models to simulate slope and watershed erosion in an efficient and high-resolution manner. The results show that the hydrodynamic model performs well in simulating soil erosion process. Soil erosion is studied by conducting calculation verification at the slope and basin scales. The first case involves simulating soil erosion process of a slope surface under indoor artificial rainfall conditions from 0 to 1000 s, and there is a good agreement between the simulated values and the measured values for the runoff velocity. The second case is a river basin experiment (Coquet River Basin) that involves watershed erosion. Simulations of the erosion depth change and erosion cumulative amount of the basin during a period of 1-40 h show an elevation difference of erosion at 0.5-3.0 m, especially during the period of 20-30 h. Nine cross sections in the basin are selected for simulation and the results reveal that the depth of erosion change value ranges from -0.86 to -2.79 m and the depth of deposition change value varies from 0.38 to 1.02 m. The findings indicate that the developed GPU-based hydrogeomorphological model can reproduce soil erosion processes. These results are valuable for rainfall runoff and soil erosion predictions on rilled hillslopes and river basins.     

PAM与SAP交并施用对旱区坡耕地氮素淋溶的影响

通过在旱区坡耕地上模拟降雨试验,研究在降雨强度40 mm·h^-1和历时为3 h的条件下,7种线性水溶性高分子聚合物（PAM）和新型节水保水材料（SAP）交并施用方式对径流和氮素淋溶的影响。结果表明：与对照处理（不施用PAM和SAP）相比较,施加PAM和SAP有效减少了径流量和氮素淋溶量,减少的地表径流量达93.29%,相应地降低水中总氮淋溶量达25.58%,保水作用SAP强于PAM;同时,减少的土壤侵蚀量达91.85%,相应地降低泥沙中总氮淋溶量达37.96%;由降雨后土壤剖面养分分布可知,0~15 cm深度土壤的含氮量比对照组高50.24%。说明施加PAM和SAP增加了根系层的持水和保肥能力,降低了土壤养分随水的深层渗漏,且保土作用PAM强于SAP。在坡耕地施加PAM和SAP不但可以减少水土流失,而且能降低土壤氮素的流失,防止肥料对地下水的污染。     

黄土坡面不同土地利用与覆盖方式的产流产沙效应

研究不同地类坡地产流产沙规律,对定量评价林草措施的水土保持效益具有重要的意义。利用布设在山西省吉县蔡家川流域的10个径流小区资料,分析了不同土地利用/覆盖方式对产流产沙的影响,研究结果表明:草地拦蓄暴雨功能明显小于灌木与乔木林地;农地(坡耕地)是坡面侵蚀的主要土地利用类型,天然灌木林与混交林的防蚀功能明显大于人工纯林;水土保持林地拦蓄径流明显大于经济林。