覆沙坡面水动力学参数与径流产沙的关系

坡面流水动学特征对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,通过模拟降雨试验,定量研究了1.5 mm/min雨强下,不同覆沙厚度(0.5、1.0、1.5 cm)下坡面水动力学参数的时空分布特征及其与产流产沙的关系,以期揭示坡面水动力学参数的内在规律性。结果表明,坡面流的水动力学参数的时空分布呈波动趋势,与黄土坡面相比,雷诺数增加了0.39~1.03倍,佛罗德数增加了0.05~0.29倍,阻力系数增加了0.05~1.55倍;覆沙坡面在整个降雨过程中主要以层流—急流为主,细沟形成主要发生在产流后第10 min后,主要集中在1~10断面处(从坡底依次向上每1 m划分为一个断面);坡面产流和产沙速率与各水动力学参数均可用y=ax+b来描述,雷诺数Re和相对水深曼宁糙率n/h可以较好地表征覆沙坡面侵蚀产沙过程。此研究可为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学依据。     

模拟径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程

基于可调控的放水冲刷试验,模拟风水复合侵蚀区典型覆沙黄土坡面,研究不同径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程。通过室内放水冲刷试验,采用3个放水流量(5,10,15L/min)和5个覆沙厚度(0,5,15,25,35mm)研究覆沙黄土坡面产流产沙过程。结果表明:覆沙坡面能够延长产流时间,且随覆沙厚度的增大而延长,不同放水流量条件下5,15,25,35 mm覆沙坡面的产流时间较黄土坡面分别延迟了1.29~1.46倍,1.66~2.5倍,2.32~3.76倍和3.64~4.72倍;覆沙坡面相对黄土坡面其产沙贡献率大于产流贡献率,在相同放水流量条件下,覆沙坡面的径流总量是黄土坡面的1.05~1.8倍,而产沙总量是黄土坡面的1.6~7.5倍;覆沙坡面在不同放水流量条件下,产流0~5min内,覆沙坡面产流率增长速率明显高于黄土坡面,而在后25min覆沙坡面与黄土坡面的产流率增长速率基本一致;在整个产流阶段,覆沙坡面的产流率波动程度显著高于黄土坡面。随着放水流量的增大,覆沙坡面的初始产沙强度显著增加;但在同一放水流量前提下,随着覆沙厚度的增大初始产沙强度增强不显著。不同放水流量和不同覆沙厚度条件下坡面产沙强度总体上表现为先剧烈增大后降低然后逐步达到平稳状态,且覆沙坡面产沙强度的波动性明显活跃于黄土坡面。覆沙坡面能够破坏水流的稳定性,在一定程度上加剧了土壤侵蚀。     

模拟降雨下覆沙坡面侵蚀颗粒特征研究

风水交错侵蚀是风蚀水蚀交错区土壤侵蚀的主要形式,研究风水交错侵蚀对土壤颗粒的影响对于进一步研究风水交错侵蚀耦合机制及其对环境的影响有重要意义。采用人工模拟降雨试验,研究不同雨强和覆沙厚度及长度)条件下覆沙坡面侵蚀泥沙颗粒的变化特征。结果表明:不同降雨条件下侵蚀泥沙颗粒中粉粒和砂粒的含量较高,分别达到了48.86%、42.77%;坡面覆沙后,侵蚀泥沙中以粗颗粒居多,以黄土作为供试土壤,表层覆盖沙物质以后,仅有黏粒的富集率大于1;侵蚀泥沙的分形维数随着覆沙厚度和长度的增大而减小,d50则随着覆沙厚度和长度的增大而增大;覆沙厚度和长度对分形维数和d50的影响大于雨强。     

工程堆积体坡面产流产沙特性的现场试验

通过不同流量(35,45,55L/min)、不同坡度(24°,28°,32°)的野外放水冲刷试验,对工程堆积体坡面产流产沙的时空变化特性进行了研究。结果表明,径流强度与放水强度、产沙率密切相关,三者之间呈多元线性相关;坡面径流强度随冲刷时间呈波动式增大趋势;平均含沙量和产沙比均随坡度增大呈先增后减的趋势,峰值出现在坡度为28°时;径流强度和产沙率在冲刷时间为10min时出现第一个峰值;坡面产沙过程呈现产沙率剧增、波动和稳定发展3个阶段;累计产沙量与累计径流量呈线性关系。试验结果可为工程堆积体坡面水土流失预报模型的构建提供验证数据。     

草地坡面径流调控放水试验研究

通过坡面放水模拟径流冲刷试验，研究了不同放水流量下草地减水减沙效应，并从起流历时、径流流速、径流深度等方面分析了草地调控水沙的机理。结果表明：（1）草地具有显著的减水减沙效应，平均径流系数较对照减少28．3％，输沙率较对照减少78．4％。（2）裸地与草地坡面产流规律一致，裸地土壤坡面的输沙率呈先增后减再增的变化趋势，而草地坡面的输沙率呈先增后减然后逐渐趋于稳定。（3）草地能将坡面径流起流历时推迟3倍以上，可将径流流速减小40％，从而使草地坡面的径流入渗率明显增加，使径流的冲刷能力和输沙能力迅速下降。（4）草地对径流深度的影响不明显，径流深度的变化难以反映草地对径流的调控作用，径流流速可能会更好地反映水土保持措施的径流调控效果和能力。     

解冻期覆沙黄土坡面能量参数与径流产沙关系

为探究春季解冻期覆沙黄土坡面能量参数动态响应时空演化过程,在相同放水流量(1 L/min)条件下,采用2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3 cm)进行室内模拟冷冻和放水冲刷试验,系统分析了径流流速(V)、径流功率(W)、单位径流功率(P)和径流动能(E)在不同土壤处理和不同覆沙厚度条件下的时空演化过程。结果表明:(1)不同处理下的径流流速随产流时间的延长总体呈下降趋势,随着距坡顶距离的增大总体呈增大趋势。未冻坡面和冻结坡面径流流速的均值在0.23~0.35,0.18~0.35 m/s变化。径流深的时空变化规律与径流流速相反,未冻坡面和冻结坡面的值分别在0.36~1.32,0.46~2.89 mm变化。(2)未冻坡面和冻结坡面径流功率的变化范围分别为0.22~0.82,0.29~1.13 N/(m·s)。不同处理下的单位径流功率随产流时间的延长总体呈下降趋势,未冻坡面和冻结坡面的单位径流功率的均值分别在0.047~0.072,0.037~0.072 m/s变化。未冻坡面的径流动能随着覆沙厚度的增加而增大,冻结坡面的径流动能随着时间的延长总体呈先增大后减小的趋势。在空间上,未冻坡面和冻结坡面的能量参数和距坡顶距离均可用线性函数表示(R^2>0.71)。(3)产流率与径流流速和能量参数之间呈显著的线性关系(p<0.01),径流流速和单位径流功率可以对未冻坡面和冻结坡面在不同覆沙厚度条件下的产流过程进行描述。研究结果可为建立解冻期的覆沙黄土坡面侵蚀模型提供参考。     

沙层厚度和粒径组成对覆沙黄土坡面产流产沙的影响

片沙覆盖黄土区是水蚀风蚀交错带内土壤侵蚀最为强烈的区域,研究该区内土壤侵蚀特征可对水蚀风蚀交错带水土流失的预报及防治提供理论依据。采用室内模拟降雨,研究黄土坡面不同覆沙厚度(2 cm、5 cm和10 cm)和沙层粒径组成(100%0.25 mm、75%0.25 mm+25%0.25mm、50%0.25 mm+50%0.25 mm、未处理原沙和100%0.25 mm)对坡面产流产沙的影响。结果表明,覆沙黄土坡面较黄土坡面的初始产流时间明显延长,产流速率和产流量减小,产沙速率和产沙量增大,降雨过程中产流产沙波动性增大,且这些变化随覆沙厚度增加而明显加强;沙层粒径组成在不同覆沙厚度下对坡面产流产沙的影响不同,2 cm覆沙厚度坡面在降雨前期随粒径变粗产流产沙呈增大趋势,降雨后期无明显变化;5 cm覆沙厚度坡面随沙层粒径变粗产流速率呈增加趋势,降雨前期上覆粗粒径沙层坡面的侵蚀速率高于细粒径沙层坡面,降雨后期恰好相反;10 cm覆沙厚度的坡面产流产沙随沙层粒径组成变化不明显。典型覆沙黄土坡面的产流过程为雨水垂直入渗―沙土界面潜流―沙层边缘渗流―地表径流,产沙过程为沙层边缘渗流侵蚀―沙层坍塌重力侵蚀―地表径流输移,明显不同于无覆沙黄土坡面的超渗产流方式及溅蚀―片蚀―细沟侵蚀的侵蚀发展过程。     

基于近景摄影测量的径流冲刷条件下冻融坡面侵蚀产沙过程

为研究冻融坡面径流冲刷条件下侵蚀产沙过程,采用2个坡度(10°,15°)、3个流量(3,6,9 L/min)、2个起始解冻深度(6,12 cm)组合进行野外冲刷试验,结合近景摄影测量技术分析不同解冻深度、不同坡度和不同流量条件下的产沙量,运用线性回归方程对近景摄影测量值和实测值进行拟合。结果表明:起始解冻深度和坡度相同条件下,冻融坡面的土壤侵蚀产沙量随着径流量和坡度的增大而增大;随着时间推移,产沙量越来越小。在流量和坡度相同时,随着初始解冻深度的增大,坡面产沙量也逐渐增大;在流量和解冻深度相同时,随着坡度的增大,坡面产沙量也逐渐增大。当流量、解冻深度和坡度最大时,坡面侵蚀产沙量达到最大。坡面产沙量实测值与近景摄影测量对比分析得到误差平均精度为90.67%,近景摄影测量技术可以在冻融条件下土壤侵蚀监测中应用。     

连续径流冲刷条件下工程堆积体土壤侵蚀特征

[目的] 探究连续径流冲刷条件下工程堆积体的坡面侵蚀响应，为进一步认识工程堆积体在连续冲刷过程中的侵蚀规律并为水土流失模型精准预测提供基础数据和科学参考。[方法] 设置3个放水梯度(8，12，16 L/min)，在3个坡度(28，32，36°)条件下，进行野外连续3场径流冲刷试验(每场间隔24 h)。[结果] ①各场次产流特征为：第3场＞第2场＞第1场，其中，第3场径流量增量大于第2场，对比第1场增速分别为40.5%和33.4%。②各场次产沙量为:第1场＞第2场＞第3场，产沙量占比分别为31.74%～53.46%，29.03%～43.71%，17.42%～29.04%。③在任意流量段，连续径流冲刷下平均流速与沟宽的变化无关，沿径流方向流速与沟深变化一致。[结论] 上方来水条件下工程堆积体坡面产流随冲刷场次的增加逐场增大，产沙随场次增加逐场减少。冲刷场次对平均产流率具有显著影响。     

坡度对浅沟侵蚀产沙的野外放水冲刷试验影响

为了研究坡度对坡面浅沟侵蚀产沙的影响,以黄土丘陵沟壑区坡面浅沟为研究对象,选取野外实地坡面14.0°,18.5°,26.0°,29.0°坡度和5,10,15,20,25L/min放水流量进行典型野外坡面浅沟径流小区放水冲刷试验,研究坡度对浅沟径流率、产沙率、含沙量、总径流量、总产沙量的影响。结果表明:5,10,15,20,25L/min不同放水流量下,坡度与径流率、总径流量成正相关,既随着坡度增大径流率、总径流量增大;5,10,15,20,25L/min不同放水流量和14.0°,18.5°,26.0°,29.0°坡度下产沙率、含沙量和总产沙量随时间变化的规律一致,表现为试验时间内,均出现先增大—到达最大—波动减小—稳定趋势;产沙率、含沙量、总产沙量与坡度的关系表现为产沙率、含沙量、总产沙量随着坡度的增大先增大,达到最大值后减小,最大值出现在26.0°,26.0°的产沙率、含沙量和总产沙量分别为14.0°的1.06~2.87,1.31~2.21,1.08~2.77倍,产沙率、含沙量、总产沙量均存在临界坡度,临界坡度范围为18.5°~29.0°。     

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。     

喀斯特地区坡面径流对产沙的影响

贵州省关岭县蚂蝗田小流域属典型喀斯特流域,根据小流域2009—2012年6个坡面径流小区的定位观测资料,研究了乔木林（黄花梨）、灌木林（女贞）、撂荒草地三种不同植被类型下坡面径流对产沙的影响。结果表明:三种植被类型的产流次数相同,但产沙次数存在较大差异,表现为荒草地 > 乔木林 > 灌木林;灌木林与乔木林的年均径流量相差不大,荒草地的年均径流量是它们总和的2倍;荒草地的年均产沙量最大,为55.17 t/km²,是灌木林的11倍,乔木林的6倍;乔木林的产流量与产沙量无明显相关关系;灌木林表现出线性关系,拟合方程为y=0.1707x+0.2526,R²值为0.48;荒草地表现为幂函数关系,拟合方程为y=0.3246x^1.2965,R²值为0.64。     

坡长对黄土区工程堆积体产流产沙影响的模拟试验研究

[目的]探究坡长对黄土区工程堆积体产流产沙的影响,为生产实践中工程堆积体水土流失合理防控提供理论依据和技术支撑。[方法]在裸露的堆积体边坡上选取3个坡度(24°,28°,32°)5个坡长(4,8,12,16,20 m)进行野外模拟径流冲刷试验。[结果] 24°,28°,32°坡面产流率和产沙率均随坡长的增加持续波动;4和8 m处坡面的产流率和产沙率之间相关性显著,12,16和20 m处坡面的产流率和产沙率间只有在32°时相关性显著;累积产流量和累积产沙量均随坡长增加而增大且符合幂函数关系;累积产沙量与累积产流量之间具有线性函数关系。[结论]坡长对坡面产流率和产沙率的影响因坡度而存在差异性;累积产流量、产沙量均随坡长的增加而增加。     

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。     

巨尾桉工业原料林坡面产流产沙动态特征

[目的]分析对比3种不同土地利用类型3a坡面产流产沙动态变化,为巨尾桉工业原料的可持续经营管理服务。[方法]对云南省普洱市巨尾桉工业原料林、灌木林、撂荒地3种土地利用类型径流小区进行连续3年定位观测。[结果]2010—2012年研究区降雨集中在6—10月,3a降雨量逐年减少。径流小区年径流总量变化依次为:2012年2010年2011年,2012年径流总量比2011及2010年分别减少了52.28%和40.92%。2010—2012年6—10月坡面产流顺序依次为:巨尾桉工业原料林灌木林撂荒地,巨尾桉工业原料林比灌木林和撂荒地分别减少产流25.01%和30.86%。2010—2012年土壤侵蚀总量变化依次为:2012年2010年2011年,2012年土壤侵蚀总量比2011及2010年分别减少了41.83%和18.49%。3a间土壤侵蚀总量与年际径流总量变化趋势一致。巨尾桉工业原料林比灌木林及撂荒地分别减少土壤侵蚀量47.56%和50.69%,3个径流小区土壤侵蚀量大小顺序与产流量一致。[结论]巨尾桉工业原料林水土保持效益最为显著,防止水土流失的效益最佳。     

高边坡工程堆积体产流产沙特性研究

工程堆积体在强降雨条件下极易发生严重的水土流失,成为某些建设项目主要的水土流失来源。为了系统揭示高边坡工程堆积体的土壤侵蚀特点,在建设的3个坡度(24°,28°和32°)、宽5m、坡长20m的小区上进行放水冲刷试验。结果表明,产流量、产沙量与放水流量、坡度之间存在线性正相关关系,即随着放水流量、坡度的增大,产流量、产沙量在不断增大。临界产流放水流量和临界产沙放水流量均说明工程堆积体下渗强烈。由于下渗强烈,流量较小时(30L/min),坡度对产流量的影响不明显。试验条件下产流量和产沙量存在密切的幂函数关系,具体表达式是Ms=0.560 W~(0.886)。