砾石覆盖条件下盐碱土边坡降雨侵蚀水动力学特征

为了探究砾石覆盖对盐碱土坡面侵蚀的减沙效应,通过室内模拟降雨试验,研究不同坡度和雨强条件下降雨径流水动力学特征及产沙受砾石覆盖的影响。试验坡度选取15°和30°,雨强选取92,119mm/h,坡面砾石覆盖度分别为0,10%,20%,40%,60%,80%,采用染色示踪法测定坡面径流流速。结果表明:不同坡度和雨强条件下,水流产沙率随坡面砾石覆盖度增大先增后减;雷诺数与弗劳德数均随砾石覆盖度增大呈先增后减的抛物线趋势,曼宁糙率、Dracy-Weisbach阻力系数、坡面径流剪切力和径流功率均与坡面砾石覆盖度呈线性正相关;径流功率预测产沙率效果较好,二者呈对数关系(R2=0.47)。     

模拟降雨条件下工程边坡土壤磷素流失特征

[目的]探究西南高山—亚高山地区工程边坡土壤磷素流失机理,为同类型工程边坡生态环境恢复研究提供理论依据。[方法]采用室内人工模拟降雨试验及原状土搬迁等方法,研究在2种坡度(30°,50°)和4种雨强(25,45,65,85 mm/h)条件下工程边坡全磷(TP),泥沙全磷(STP),溶解态磷(DP)迁移变化特征及其与土壤侵蚀状况的关系。[结果]①工程边坡径流平均DP浓度整体较低且受雨强影响较小,STP浓度在降雨初期较高,随之降低或趋于稳定。②不同雨强下工程边坡DP流失率、STP流失率变化曲线具有明显差异性,当雨强为25 mm/h和45 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率较低且较为稳定;当雨强为65 mm/h和85 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率迅速上升后趋于稳定;当雨强由45 mm/h增至65 mm/h时,工程边坡STP流失率、DP流失率迅速增大。③土壤侵蚀率与DP流失率、DP平均浓度、STP流失率和浓度、TP流失率有极显著正相关关系;径流率与DP流失率、STP流失率、TP流失率、DP平均浓度有极显著正相关关系,与STP浓度无显著相关关系。工程边坡TP流失率随径流率、土壤侵蚀率皆以幂函数形式逐渐增加。[结论]雨强和坡度对工程边坡磷素流失动态变化特征具有显著的影响且整体呈现出先增后减的趋势。     

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。（3）0%～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。     

含砾石锥状工程堆积体侵蚀水动力学特性和细沟形态特征

采用人工模拟降雨的方法,以陕西关中地区的重质土壤和工程中常见的破口石为试验材料,模拟散乱锥状工程堆积体的堆积过程和堆积形态,研究了不同砾石质量含量(0,10%,20%,30%,40%)散乱锥状工程堆积体在不同降雨强度下(1.0,1.5,2.0,2.5mm/min)的侵蚀水动力学特性和细沟形态特征。结果表明:(1)流速和径流强度随雨强的增加而增大,随砾石含量的增加而减小,雨强和砾石对两者均有显著影响,其中雨强的影响较大,起控制性作用;(2)坡面径流处于层流、缓流的状态,雷诺数和弗劳德数随雨强的增加而增大,随砾石含量的增加而减小;(3)剥蚀率随雨强的增加呈指数型增大,相同降雨强度下,随砾石含量的增加线性减小,径流剪切力、水流功率、单位水流功率、过水断面单位能与剥蚀率显著相关且呈幂函数的关系,其中水流功率相关性最好,拟合优度最高,是描述侵蚀动力机制的最优因子;(4)随着降雨强度的增加,细沟出现的时间提前,沟宽、沟深、沟长和细沟密度逐渐增加,雨强相同时,随着砾石含量的增加,细沟出现的时间推迟,且逐渐变窄、变浅,细沟下切侵蚀减弱。     

模拟降雨条件下锥状工程堆积体侵蚀水动力特征

为了确定描述锥状工程堆积体坡面侵蚀动力过程较好的水力学参数,以赣北红土为主要试验材料,在人工模拟降雨条件下,系统地分析了水流剪切力、水流功率、单位水流功率以及过水断面单位能同坡面剥蚀率之间的关系。结果表明:1)除过水断面单位能外,其他各个水蚀因子无论是平均值还是瞬时值均能较好的描述坡面侵蚀动力过程;2)赣北红土工程堆积体坡面剥蚀发生的临界单位水流功率为6.8×10-3 m/s;工程堆积体坡面剥蚀发生的临界瞬时单位水流功率为3.8×10-3 m/s,由赣北红土与砾石混合而成的堆积体材料的可蚀性参数介于0.0053~0.0059 s2/m2之间,要比纯红土的可蚀性参数大20~30倍;4)瞬时过水断面单位能与剥蚀率之间相关性不密切(R2=0.130),故瞬时过水断面单位能不适合作为描述锥状工程堆积体坡面侵蚀动力过程的参数指标。4)在各个水蚀因子中,水流功率与剥蚀率相关性最好(R2=0.972),故认为水流功率是描述锥状工程堆积体侵蚀动力过程最好的水力学参数。     

地表砾石对降雨径流及土壤侵蚀的影响

山区土壤表层常有大量砾石覆盖,地表砾石覆盖会对降雨入渗产生影响,从而影响径流和土壤侵蚀。利用人工降雨试验来评价北京山区普通褐土上不同砾石覆盖度对径流和土壤侵蚀的影响。试验降雨强度为30,67,92mm/h,土盘(1m×0.5m)坡度为20°,砾石覆盖度为0,5%,10%,20%,40%和60%。研究结果表明:对试验土壤,径流量随砾石覆盖度增加呈线性减小。水流流速和土壤侵蚀量随砾石覆盖度的增加呈负指数递减。降雨强度对径流量和土壤侵蚀量与砾石覆盖度之间的关系不存在影响。研究结果可为北京山区的土壤侵蚀预报提供数据基础。     

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70 mm/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     

工程弃土土壤侵蚀人工模拟降雨试验研究

在测定弃土粒径组成及含水量的基础上,用14．10 Pocket Vane Tester型三头抗剪仪对试验区土壤抗剪强度进行了测定;用人工模拟降雨的方法,对原地貌、新近堆土和堆积1年的弃土做了土壤侵蚀特征研究。结果表明：①有植被保护的原地貌产流时间滞后于弃土近1h,弃土产沙量达到0．927kg,是原地貌的2．06倍。②在场降雨过程中,弃土产流量是原地貌产流量的1．21倍,径流系数分别为：原地貌0．12,弃土0．62;弃土产沙远远多于原地貌,初始合沙量：原地貌〈弃土,分别为24kg／m^3,145kg／m^3,并且随着产流量的增加而增加。③随着弃土堆积时间的加长,抗剪强度不断增大,弃土细粒含量降低,含水量反而增大。     

不同砾石含量塿土堆积体坡面侵蚀特征研究

为明确砾石含量对关中塿土堆积体坡面径流和侵蚀特性的影响,采用室内模拟降雨试验方法,以土质坡面为对照,研究了10%、20%、30%三种砾石含量堆积体坡面的侵蚀特征。结果表明:(1)1.0mm·min–1雨强下,10%砾石含量时初始产流时间最大,雨强>1.0 mm·min–1时,各坡面初始产流时间在10%砾石含量时最小;(2)各砾石含量坡面平均流速均随雨强增大而增大,1.0和2.5mm·min–1雨强条件下10%砾石含量坡面流速最大,而1.5和2.0mm·min–1雨强下,含砾石坡面流速较土质坡面分别减少15.3%～21.2%和13.6%～14.1%;(3)不同雨强条件下各含砾石坡面含沙量在产流前期(0～6 min)急剧下降;产流6 min后,含沙量在1.0、1.5 mm·min–1雨强下逐渐趋于稳定,在2.0、2.5 mm·min–1雨强下呈多峰多谷的变化,该时期砾石主导产沙过程;(4)次降雨侵蚀量随雨强增大呈显著的幂函数关系;而随雨强的增大各砾石坡面侵蚀量较土质坡面分别减少22.4%～42.6%、8.2%～66.3%、2.2%～56.5%和45.0%～68.3%。该研究可为关中地区堆积体坡面水蚀模型的建立提供理论依据。     

连续降雨作用下褐土坡面侵蚀及其水动力学特征

为研究在长时间降雨侵蚀过程中北京褐土坡面侵蚀特征及其水动力学机制,通过室内人工模拟降雨试验,分别在60,90 mm/h雨强下对褐土坡面进行连续10场次降雨试验,探讨了坡面侵蚀过程中的产流产沙特征及其与水动力学参数间的关系。结果表明:(1)在雨强及次降雨量较一致的条件下,随降雨场次增加坡面次降雨产流量变动较小,而次降雨产沙量变化较大,60,90 mm/h雨强下次降雨产沙量的变异系数为23.94%和59.88%,且第10场降雨的产沙量仅为第1场降雨的59.74%和22.28%;(2)连续降雨条件下,平均次降雨产沙速率随雨强增大而增大,径流含沙量随降雨时间呈幂函数下降趋势;(3)受褐土坡面细沟形态变化和土壤粗化的影响,60,90 mm/h雨强下坡面径流平均流速分别随降雨时间呈指数函数和幂函数下降趋势,弗劳德数亦表现出相同趋势;坡面径流阻力系数随降雨历时均呈对数函数增加;(4)长时间降雨侵蚀条件下径流含沙量与平均流速、弗劳德数、阻力系数、径流功率相关关系极显著,其中平均流速是径流含沙量变化过程中与其关系最为密切的水动力学参数,径流含沙量的变化深刻受到坡面径流平均流速的动力作用过程影响。     

大豆调节坡耕地径流和泥沙作用研究

黄土高原地区坡耕地面积占该区总耕地面积的75%,产生严重的水土流失,治理坡耕地水土流失对该地农业生产和生态环境建设具有重大意义。大豆是黄土高原坡耕地的重要作物,然而,目前对于大豆在该地区调节径流和泥沙的能力还缺乏深入了解。以种植大豆的坡耕地为研究对象,研究在不同坡度和不同降雨强度下大豆调节径流和泥沙能力。试验设计包括大豆的5个生育期(幼苗期、始花期、盛花期、结荚期和始粒期),5个坡度(3°,5°,10°,15°,20°)和2个降雨强度(40,80 mm/h)。将大豆调节径流和泥沙的作用分为2部分:减少产流和减少产沙。采用产流时间、降雨初损量、径流量、产沙量、减流效益(RRB)和减沙效益(SRB)6个指标进行综合对比分析。结果表明:大豆在调节径流和泥沙方面作用显著。与裸地相比,大豆从幼苗期到始粒期,坡面径流量减少10.75%~64.94%,产沙量减少15.38%~84.24%。大豆的RRB和SRB值从整个生育期来看整体均呈增大趋势,且均与坡度成反比。同样,随着降雨强度增加,大豆的RRB和SRB略有降低且差异不显著,并且SRB值始终大于RRB值,因此发现大豆在减少泥沙方面比减少径流更有效。综上,黄土高原坡耕地上种植大豆对坡耕地土壤侵蚀具有积极的作用,并且对泥沙的拦截作用强于对径流的拦蓄作用。     

红壤喷洒粘着剂之防冲效果

台湾因地形、地质与气候的关系故崩塌与土壤流失颇多,加上人为过度开发与土地超限利用结果.遂造成不少土砂灾害问题.为了加速国土的复育,水土保持植生工程中常加入黏着剂除使植物种子有效的停留于坡面生长外,也有保护坡面防止土壤冲蚀的目的.研究乃以亚热带地区常见的红壤为试样,喷洒常用的3种粘着剂,并在降雨强度50,80,110 mm/h及坡度16.7°,21.8°与28.8°的情况下进行60 min试验.结果表明:高分子黏着剂较其它2种材料能保持稳定的抗冲蚀效果,压克力树脂于高强度降雨冲蚀较多,德国柏油乳剂则坡度愈陡冲蚀愈多.     

土石山区径流小区坡长对径流量和侵蚀量影响的研究

以土石山区径流小区所产生的径流量和侵蚀量为研究对象,对在山东省临朐县辛庄试验站径流小区坡长为10m,20m和40m多年的观测资料,分析了坡长与径流和侵蚀的关系.研究表明:不同坡长条件下降雨量与径流量和侵蚀量呈线性关系,同一坡长条件下,径流量和侵蚀量随降雨量的增加而增加,不同坡长条件下,随坡长的增加,径流量逐渐增加,在P<10mm时20m坡长的侵蚀量大于40m坡长的侵蚀量,在P>10mm时呈相反变化.不同坡长条件下I₃₀与径流量和侵蚀量呈幂函数关系,同一坡长条件下,径流量和侵蚀量随I₃₀的增加而增加,不同坡长条件下,随坡长的增加,侵蚀量逐渐增加,在I₃₀<20mm时20m坡长的径流量大于40m坡长的径流量,在I₃₀>20mm时呈相反变化.     

急陡黄土坡面土壤剥蚀率变化的水动力学机制研究

为探明模拟降雨条件下急陡黄土坡面侵蚀产沙的水动力学特征,采用室内模拟降雨的方法研究了6个坡度(25°,30°,35°,40°,45°,50°)和3个雨强(1.0,1.5,2.0mm/min)组合条件下急陡黄土坡面土壤剥蚀率变化规律以及土壤剥蚀率与各水动力学参数之间的关系。结果表明:同坡度下土壤剥蚀率随雨强的增加而增大,相同雨强下坡度对土壤剥蚀率的影响存在临界效应(40°~45°),当坡度小于临界坡度时,土壤剥蚀率随着坡度的增加而增大,当坡度大于临界坡度时,土壤剥蚀率随坡度的增加而减小;径流剪切力、径流功率与过水断面单位能随坡度和雨强的增大均呈增加趋势,其中规律最好的是径流功率;急陡黄土坡面土壤剥蚀率与平均径流剪切力、平均径流功率与平均过水断面单位能均呈幂函数关系,就拟合优度而言,R~2(ω)R~2(τ)R~2(E)。因此本试验条件下平均径流功率是描述急陡黄土坡面径流侵蚀的最优水力学参数。     

不同坡形坡面侵蚀产沙过程的影响研究

通过室内模拟降雨试验分析出不同坡形坡面侵蚀产沙过程,研究结果表明:同坡度、同雨强条件下,水流含沙量随坡形的变化具有明显的规律性,整个降雨过程中,凹形坡的水流含沙量最大,凸形坡的其次,直线形坡的最小.随着降雨历时的延长和雨强、坡度的增大,坡形对侵蚀产沙的影响还会越来越大;并且在同坡形条件下,水流含沙量随雨强、坡度的增加明显增大.     

雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀及氮磷流失的影响

采用人工模拟降雨的手段,在2种雨强(50,75mm/h)、4种坡度(5°,10°,15°,20°)条件下,研究了雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀和养分流失的影响。结果表明:(1)降雨强度从50mm/h增大到75mm/h,相同坡度的坡面开始产流时间提前了2.75~4.79min。(2)随着雨强的增大,同一坡度的坡面径流量增加了12.53~15.80mm/m2,增加幅度为1.24~1.31倍;同一坡度的坡面产沙量增加了0.47~3.61kg/m2,增加幅度为0.77~2.90倍。坡面侵蚀过程中,存在临界坡度,为15°左右。(3)氮素流失以径流流失为主,泥沙中总氮的流失量较低,仅占径流总氮流失量的1.4%~9.7%。坡度较小时,磷素流失途径以径流流失为主,随着坡度的增加,磷素的流失途径以泥沙流失为主。(4)径流总氮流失浓度与径流强度呈线性正相关,泥沙总氮和总磷流失浓度与产沙率也分别呈显著的线性正相关。