黄土裸坡降雨产流过程试验研究

采用人工模拟降雨试验法对黄土裸坡降雨产流过程进行了研究。结果表明:(1)坡面径流强度随降雨过程的变化可用对数相关方程进行描述,10~15min是径流强度随降雨过程变化的转折点;(2)坡度对坡面径流深的影响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;(3)坡长对坡面径流深的影响可用对数相关方程进行表述,80cm是径流深随坡长变化的转折点;(4)雨强对径流深的影响可用线性相关方程进行描述,雨强与坡度2个因子共同作用时,坡度的作用几乎完全被雨强所掩盖;(5)坡度、坡长及降雨强度对坡面径流深的综合影响可用多元线性相关方程进行描述,其中,降雨强度对坡面径流深的影响远大于坡长及坡度因子。     

坡面产流机制研究刍议

随着水文学的发展,坡面产流问题越来越受到水文学领域的重视。对坡面产流机制(这里的坡面产流包括地表径流产流和壤中流产流两个部分)的研究现状详细进行了回顾与分析,并提出了目前产流机制所面临的问题,以期推动降雨产流计算方法和流域水文模型机构的发展。     

聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响

复合坡是自然界常见的主要坡型。通过室内人工降雨模拟试验,研究了复合坡面降雨产流规律以及聚丙烯酰胺（polyacrylamide,PAM）应用对其的影响。试验采用2种复合坡型（凹型坡和凸型坡）的12个坡度组合和4个PAM施用量,共48个试验处理。结果显示,PAM应用显著缩短了初始降雨产流时间,初始产流时间平均比对照处理提前63.7%～71.6%。PAM应用明显改变了坡面径流随降雨历时的变化规律。PAM应用后,除了大坡度（≥10°）、小量PAM应用（0.5 g/m2）的凸型坡外,降雨径流系数在整个降雨过程中基本维持稳定。PAM应用增大了降雨径流系数和径流量,且径流系数和径流量随着PAM施用量的增大而增大。凸型坡的径流量平均比凹型坡的大14.7%～31.8%。当PAM施用量为0.5、1.0和2.0 g/m2时,凹型坡和凸型坡的径流量分别比对照处理增加55.7%、100.2%、147.3%和16.6%、69.3%、108.9%。在黄土坡地上大剂量（≥1.0 g/m2）应用PAM可明显增大坡面径流量,实际应用中应制定合理的PAM施用量。     

不同雨强和坡度下侵蚀性风化花岗岩母质坡地产流产沙特征

为研究解决南方侵蚀性风化花岗岩地区的水土流失问题,该文采用室内人工模拟降雨方法研究了不同降雨强度(30,60,90,120,150 mm/h)和不同坡度(5°,8°,15°,25°)条件下的风化花岗岩残积坡地的土壤侵蚀过程。结果表明:1)坡面径流的初始产流产沙时间都随着坡度和雨强的增大而提前;2)坡面径流量与坡度之间不呈简单的正相关关系,径流系数随雨强的变化呈现指数相关关系,入渗率在雨强为30~120 mm/h之间在坡度8°左右出现极大值;3)侵蚀产沙量随坡度和雨强的增大而增大,其与坡度之间的关系可以用幂函数表示,决定系数均达到0.815,与雨强之间为指数函数关系,决定系数均达到0.889以上;4)水力侵蚀对泥沙具有分选性,径流侵蚀挟带泥沙中的粉粒、黏粒以及细砂粒含量较多;5)坡度和雨强对于侵蚀产沙量的综合影响可以用线性相关方程来比较准确地描述,对产沙量的影响权重排序为:含沙量雨强径流系数坡度。     

坡面氮素流失的坡度和雨强效应模拟研究

为了研究坡面径流和壤中流中全氮(TN)的流失特征,探索坡度和雨强对TN流失的影响,以风化花岗岩母质发育的土壤为研究对象,选定坡度(5°,8°,15°,25°)和降雨强度(60,90,120,150mm/h)作为可变量,采用原状土搬迁的方式,在室内设计的径流槽上进行人工模拟降雨试验,设计试验降雨时长为坡面径流产流后90min,壤中流水样收集延续直至无出流为止。结果表明:(1)坡面径流TN流失浓度在产流初期快速下降,随雨强的减小或坡度的增大而增大,产流后期浓度趋于稳定且差距不大。(2)壤中流TN流失浓度均明显高于坡面径流,其流失过程规律为上升—下降—略有上升—平稳,总体上随雨强的减小或坡度的增大而增大。(3)坡面径流和壤中流的TN流失量均随雨强或坡度的增大而增大。壤中流是坡面TN流失的主要途径,流失比例可达91.26%~99.61%。坡面径流中TN流失量占坡面TN总流失量的比例随雨强的增大而增大。(4)雨强、流量与坡面径流、壤中流TN总流失量均呈极显著正相关,而坡度只与壤中流TN总流失量呈显著正相关。(5)在雨强90mm/h与120mm/h之间存在一个临界雨强,超过这个临界雨强,坡面径流TN流失量及其占总流失量的比例都会大幅上升。     

喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值初探

喀斯特坡地表层岩溶带发育,入渗强烈,产流机制与非喀斯特坡地有较大差异,为提高喀斯特坡地土壤流失模型预测准确性,以贵州省普定县陈旗小流域6个不同土地利用类型径流小区为观测对象,分析2007—2010年、2015—2019年2期泥沙和地表径流数据,了解产流产沙规律,并利用降雨侵蚀力偏差法计算各小区侵蚀性降雨量。结果表明：(1)植被覆盖率与喀斯特坡地地表产流产沙量呈负相关,高植被覆盖下,暴雨和极端暴雨是造成喀斯特坡地水土流失的主要降雨事件;(2)植被恢复十余年随着覆盖度的提高,年均土壤流失量呈显著下降趋势,多小于10 t/km²;(3)喀斯特坡地裂隙发育,地下漏失严重,土壤量少且不易被侵蚀,除少数极端暴雨外,多数降雨不产流不产沙,因此建议将喀斯特坡地侵蚀性降雨量阈值定为50 mm,该阈值显著高于非喀斯特地区。     

变雨强人工降雨条件下坡长对径流的影响研究

降雨、入渗、径流是水循环的重要环节,坡长是降雨产流的重要影响因素之一。为了进一步揭示坡长对坡面径流的影响,实验选取1～10 m坡长小区,在变雨强过程人工模拟降雨条件下,分析了坡长对径流的影响。结果表明:(1)坡长变化对产流时间没有明显影响,干运行和湿运行产流时间分别约为21 min和1.1 min。(2)时段径流深与坡长的关系,总体来说,在产流初始到降雨历时40 min,土壤含水量较小,时段径流深随坡长增加有明显下降的趋势;在40～90 min时段,平均雨强较大,各坡长时段径流深差别不大;在90～120 min,由于雨强很小,时段径流深随坡长增加又呈现下降的趋势。本实验结果有助于深入理解坡面产流过程。     

太行山花岗片麻岩区坡面产流的影响因素分析

通过自制的截流铲截取坡面径流,对太行山花岗片麻岩区产流过程的影响因素进行了研究.结果表明:(1)雨强是启动产流的关键因素,当降雨强度大于特定值时才能产生地表径流,且随着坡度降低,地表产流所需雨强增大.当雨强达到产流后,径流量和降雨量成显著正相关,与雨强的相关性不显著.(2)地表径流量不随着集水面积的增加而增加,坡面强烈的人渗能力,使得上方来水在产流过程中渗入土壤.坡度是影响地表径流的又一关键因素,随着坡度的增加,地表径流量明显的增加.由于不同坡向土壤质地不同,使得阳坡地表径流量要明显多于阴坡,平均径流系数也比阴坡高.总体上,研究坡面径流系数均较小,以2 m坡长为对象,最大径流系数仅为7.3%,说明坡面人渗能力很强,产流过程以入渗为主.     

侵蚀性风化花岗岩坡地土壤发育特性

采用CT扫描技术、X射线荧光光谱仪化学全量分析和实验室土壤理化特性测试方法,对浙江省典型风化花岗岩坡地土壤发育的主要物理指标、化学风化系数及风化强度进行了测量计算,分析了侵蚀环境下不同地貌部位的土壤发育特征。结果表明:坡地土壤的发育程度较弱,土壤分层不明显,不同地貌部位的土壤风化发育程度排序为坡底<坡中<坡顶,与坡面侵蚀强度的排序正好相反。土壤物理风化指标随土层深度增加的变化规律较强,脱硅富铝化过程随着剖面深度的增加越来越弱,物理风化指标和化学风化指标具有同等作用的表征效果,不同于当地地带性土壤发育中以化学风化为主的特性。水力侵蚀强烈地区的最大风化强度位于20-40 cm处,推得水力侵蚀对土壤发育的影响深度为0-40 cm。     

模拟降雨条件下第四纪红黏土坡面侵蚀过程

通过室内模拟降雨试验,分析雨强和坡度对第四纪红黏土坡面侵蚀过程的影响,揭示南方红壤低山丘陵区第四纪红黏土坡面侵蚀机理。根据研究区地形和降雨特点,设计坡度10°,15°,20°,雨强1.0,1.5,2.0mm/min,研究两者对坡面侵蚀过程的影响。结果表明:(1)坡面初始产流时间随着坡度和雨强的增大而逐渐减小;同一雨强下,径流系数大小为20°15°10°。(2)不同试验处理条件下,坡度由10°增加到20°,坡面累积产沙量增加0.46~1.98倍;降雨强度由1.0mm/min增加到2.0mm/min,坡面累积产沙量增加1.37~3.85倍。(3)1.0,1.5mm/min雨强条件下,坡面侵蚀泥沙以0.25mm水稳性团聚体占优,2.0mm/min雨强条件下,坡面侵蚀泥沙0.25mm水稳性团聚体为主。(4)坡度与雨强对坡面径流系数、侵蚀率和累积产沙量影响极显著(P0.01),坡面累积径流量和累积产沙量构成幂函数模型。研究结果为揭示坡度与雨强对第四纪红黏土坡面侵蚀过程的作用机理提供参考。     

南方风化花岗岩坡地产流过程与侵蚀率模拟研究

采用室内人工降雨模拟方法研究了不同坡度(5°,8°,15°,25°)和降雨强度(1.0,1.5,2.0,2.5 mm/min)对南方风化花岗岩坡地土壤侵蚀特征的影响。结果表明,径流量和径流率均随降雨强度的增大而增大,但随坡度的增大而减小。径流入渗率与坡度呈极显著正相关(r=0.660,p<0.01),而随着降雨时间的延长呈现出3个不同阶段的变化:初始全渗阶段、快速下降阶段和相对稳定阶段。降雨强度对径流量的影响比坡度更明显。平均产沙浓度与坡度呈极显著正相关(r=0.694,p<0.01),而其与降雨强度之间的关系取决于坡度条件。土壤侵蚀率随降雨延长呈先增后减趋势,整体上与坡度和降雨强度呈正相关(r>0.580,p<0.05)。土壤侵蚀率和径流率在陡坡上呈线性关系(R^2>0.861),在缓坡上呈幂函数关系(R^2>0.966)。最后采用修正的典型土壤流失方程模型来预测土壤侵蚀率,发现模拟值的变化趋势与实际测量值接近,表明该修正模型在研究区具有一定的适用性。研究结果可以为风化花岗岩地区的土壤侵蚀率研究提供数据支撑,对进一步理解土壤侵蚀过程有着重要的意义。     

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%。     

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。     

野外人工模拟降雨条件下荒草坡产流产污试验研究

采用人工模拟降雨的方法,以5种不同的降雨强度研究浙江省临安市青山湖流域内荒坡的产流产污特征.结果表明,降雨径流总量与降雨强度呈正相关,相关系数达到0.873 2;径流中平均含沙量浓度雨强关系不显著,不同污染物产污浓度大小排序为COD>TN>TP>水溶性磷;雨强越大,污染物浓度越小,说明雨水对污染物浓度有稀释作用;不同污染物的次产污模数与雨强呈正相关,相关系数均在0.9以上,说明降雨强度越大,产生的污染也越大.     

淮北平原黄潮土多雨强变坡度产流产沙规律试验模拟

针对淮北平原黄潮土水土流失严重的问题,为揭示其产流产沙规律,利用五道沟水文实验站大型人工模拟降雨径流试验场,开展了40,60,80mm/h 3个雨强及5°,10°,15°3个坡度产流产沙规律试验模拟。结果表明:坡面初始产流时间随坡度、雨强的增大而缩短,雨强、坡度越大缩短越不明显;单位时间产流、产沙量随降雨时间变化的转折点在产流后6～15min,单位时间产流量随降雨时间变化表现为前期快速增加,中期缓慢增加,后期平稳,其中40,60mm/h雨强单位时间产流量随坡度增加而减小,80mm/h雨强随坡度的增加而增加;单位时间产沙量随雨强、坡度的增大而增大;不同坡度累计产沙量及产流量随降雨时间变化呈幂函数或线性函数关系(R20.99);坡度及雨强与坡面产流、产沙总量分别呈多元线性和多元幂函数关系。     

川中丘陵区紫色土坡耕地产流特征试验研究

通过人工模拟降雨方法对四川盆地紫色土坡耕地产流特征进行研究,得到以下结论:(1)在大雨强情况下,起始产流时间受坡度影响不明显;在小雨强时,起始产流时间随坡度的增加而缩短。小雨强下坡度对起始产流时间的影响可用幂函数表示,相关性显著。(2)裸地径流强度明显大于农地,且变化剧烈;(3)大雨强下坡度对径流系数的影响显著,并存在临界坡度:裸地介于10~°15,°农地约为20°。     

坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性研究

针对降雨和床面大糙度共同作用下坡面降雨径流侵蚀不平衡输沙特性研究薄弱的问题,采用室内模拟降雨试验的方法,研究不同降雨强度和坡长条件下的坡面降雨径流侵蚀输沙特性。结果表明：（1）坡面为裸坡、坡度为10°条件下,径流含沙量随坡长的增加呈增大趋势,当坡长由1 m增加至8 m时,同一雨强下径流含沙量增大3.28~7.15倍;径流含沙量随雨强的增大而增加,当雨强由40 mm/h增大至120 mm/h时,同一坡长下径流含沙量增加1.41~2.97倍。（2）分析降雨径流侵蚀条件下,水动力学参数对坡面径流挟沙能力的影响发现,水流挟沙能力与流速的3次方成正比,与水力半径和沉速的乘积成反比,得到降雨条件下的水流挟沙能力计算公式。（3）研究坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性表明,雨强与恢复饱和系数之间呈幂函数关系,给出坡面不平衡输沙模型并进行验证,表明该模型可以较好地模拟坡面降雨径流侵蚀输沙沿程变化。研究结果可为预测坡面径流侵蚀输沙沿程变化及完善坡面径流侵蚀机理提供参考。     

侵蚀性风化花岗岩坡地壤中流携氮磷流失动态模拟

[目的]探究侵蚀环境下,风化花岗岩残积坡地土壤氮磷流失特征以及坡面径流和壤中流携带氮磷流失的强度和贡献率,为不同侵蚀环境及生态环境脆弱条件下,坡地氮磷流失规律的试验研究及防治提供理论依据。[方法]采用原状土搬迁,室内人工模拟降雨的方法,设计2个坡度(8°和25°),5个降雨强度(30,60,90,120,150mm/min),通过坡度与雨强的多重组合试验,在测试浓度与径流量分析的基础上,研究氮磷流失强度及在坡面径流和壤中流中的分配。[结果](1)在强烈侵蚀的坡地,土壤结构性较差,漏水漏肥现象严重,壤中流随携带的氮磷流失比重很大,壤中流携带的TN流失量均占到总流失量的90%以上,TP稍次之;(2)TN随径流的流失量远大于TP的流失量,径流中TN与TP总流失量的比值最高能达到160倍;(3)雨强对氮磷流失量的影响大于坡度的影响,径流量的影响大于浓度的影响。(4)雨强对氮磷流失的影响存在2个转折,在60mm/min附近存在一个蓄满产流和超渗产流的雨强分界,在90mm/min左右,出现一个侵蚀性雨强的转折。[结论]强烈的侵蚀影响土壤养分的流失方式及流失通道的比配,壤中流所携带氮磷流失所占比重很大,进而会影响到地下水的污染问题,加强残积土母质坡地土壤的侵蚀防治,是地表水和地下水面源污染控制及土壤养分流失减少的根本。     

喀斯特裸坡地径流对降雨强度与坡度的响应

为探究喀斯特裸坡坡面在不同降雨强度与坡度组合下径流过程及其径流总量特征。将表层岩溶带中孔(裂)隙视为可透水的筛孔,设定地下二元结构中孔(裂)隙度(5%)一致的情况下,探索裸坡地在不同降雨强度与坡度组合下地表/地下径流过程与总径流量的特征,并以此为基础揭示降雨强度、坡度对喀斯特坡面水文特征的影响。结果表明:(1)在较小降雨强度条件下(≤30 mm/h),裸坡地表并未出现产流迹象,以地下所产生的径流为主。在中大雨强(≥50 mm/h)条件下,裸坡地地表产流,且在设计降雨30 min时长内其径流过程并未出现规律性变化,而地下径流过程则在不同坡度与雨强下均呈现出先增加后趋于平缓的趋势,且其转折点多居于9～12 min时段内。(2)30 min内裸坡地地下总径流量在15 mm/h降雨强度且坡度为5°,10°,15°,20°这4个坡度条件下变化并不显著(P0.05),而其余降雨强度下地下/地表径流量均随着坡度增加差异显著(P0.05);同时除地下径流量与坡度呈极显著负相关(P0.01)外,其余地表/地下径流均与降雨强度与坡度均呈现出极显著正相关(P0.01);(3)降雨强度为大雨强(90 mm/h)条件下首次出现了地下径流系数0.5的情况,证明大雨强(90 mm/h)条件下存在着临界坡度使得地表与地下径流量相接近。研究成果能够为喀斯特坡地水土流失防治提供参考和合理意见。