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。 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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

人工模拟降雨条件下不同雨强、坡度对紫色土坡面产流的影响

[目的]研究不同降雨强度和坡度对紫色土坡面产流过程的影响,为紫色土区域的水土流失防治提供科学依据。[方法]基于室内人工模拟降雨试验开展研究。[结果]不同雨强和坡度下的产流过程可大致分为"下凹"型和"上凸"型,且分别可以用指数函数和对数函数描述。随着雨强和坡度的增大,产流时间逐渐减小,产流过程逐渐趋于一致,坡面径流量逐渐增加。坡度和雨强对径流总量的贡献率有着对比消长的关系,小雨强下(雨强为33和54mm/h),坡度是坡面径流总量的主要贡献因子,随着雨强增大(雨强为94和125mm/h),雨强为坡面径流总量的主要贡献因子。[结论]坡度和雨强均为坡面侵蚀的主要影响因子,随着坡度和雨强的增加,坡面侵蚀更加剧烈,主要侵蚀因子也由坡度转变为雨强。     

模拟降雨条件下金银花对片麻岩坡地土壤侵蚀的影响

通过室内人工模拟降雨的方法,研究不同树龄金银花对片麻岩坡地土壤侵蚀的影响。结果表明:种植金银花能明显减缓雨水对片麻岩坡地的土壤侵蚀。金银花能延迟初始产流时间,降低径流模数和输沙模数,且随树龄的增加效果明显增加。相比裸地,种植1,3,6年树龄金银花分别延迟产流时间0.71%,23.33%和39.20%;6年金银花降低径流模数和径流深分别达75%和51%,降低输沙模数为23.42%～57.60%。金银花能提高土壤抗侵蚀能力,相比裸地,种植1,3,6年树龄金银花坡面WAS_0.25分别提高11.52%,19.37%和24.35%。在近根区,相比1年树龄金银花根系生物量,种植3,6年金银花依次增加82.67%和191.26%。根系生物量与金银花坡面的总减流率和总减沙率呈极显著正相关,其相关系数(R^2)分别为0.801和0.911。总体上,金银花能够控制片麻岩坡地土壤侵蚀,并在一定程度上提高土壤抗侵蚀能力。     

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。     

间歇降雨对红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

自然条件下降雨多以间歇形式出现,而坡面土壤侵蚀又是一个渐变发育的复杂过程。通过3个雨强(60,90,120 mm/h)、5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的15场室内模拟降雨,研究一、二次降雨条件下不同雨强、坡度及降雨量对红壤坡面径流和侵蚀过程的影响,探讨间歇降雨条件下坡面侵蚀发育过程及其主要影响因素的变化。结果表明:(1)二次降雨的产流时间相比一次降雨均提前,一次降雨径流总量受到雨强、坡度和降雨量的共同影响,15°坡度是径流总量变化的一个转折点,二次降雨时降雨量的作用减弱,各雨强下的最大相差倍数减小,各坡度之间的倍数差距也减小。(2)一次降雨发生细沟侵蚀最主要的动力是降雨强度,大雨强、陡坡情况下细沟侵蚀更容易产生,而15°坡度对细沟侵蚀的产生具有重要作用,此时若发生细沟侵蚀,坡面侵蚀则多以细沟侵蚀为主,二者侵蚀量呈正比例函数关系,二次降雨的细沟侵蚀量和一次降雨过程中细沟发育情况相关,一次降雨的细沟发育越剧烈,二次降雨的细沟侵蚀量越少,此时细沟侵蚀量和总侵蚀量呈一次函数关系。总体来说,侵蚀总量的变化和细沟发育所处阶段紧密相关。(3)间歇降雨条件下,不同雨强、坡度、降雨量对坡面土壤径流和侵蚀过程的影响存在差异;同时,一次降雨土壤径流和侵蚀的变化对后期二次降雨径流和侵蚀的发展具有重要影响,使得在不同土壤侵蚀发展阶段,雨强、坡度、降雨量等因子对坡面土壤径流和侵蚀影响的程度也随之改变。     

砾石覆盖对紫色土坡面流水动力学参数的影响

地表砾石覆盖可以促进降雨入渗,减少土壤侵蚀。然而,砾石覆盖对紫色土坡面流的影响尚缺乏深入研究。通过室内模拟冲刷试验,在3个冲刷流量(2,4,6 L/min)下,研究不同砾石覆盖度(0,10%,20%,30%和40%)对紫色土坡面流水动力学特性的影响。结果表明:(1)随着砾石覆盖度的增大,流速和弗劳德数呈减小趋势;径流深、水流剪切力、阻力系数和曼宁糙率系数呈增大趋势,雷诺数变化不明显。(2)坡面总侵蚀量随着砾石覆盖度的增加呈负指数减少,且砾石覆盖在冲刷流量较小的情况下,对坡面侵蚀量的减少效果越明显。(3)冲刷流量的大小并不影响砾石覆盖度和坡面总侵蚀量之间的关系。研究结果为探究紫色土坡面流侵蚀过程及机理研究提供一定的理论基础。     

三峡库区野外模拟降雨条件下弃渣场土壤侵蚀特性

[目的]揭示三峡库区弃渣场土壤侵蚀规律,为该地区弃渣场的土壤侵蚀治理提供依据。[方法]通过现场搭建径流小区并采用人工模拟降雨的方法进行研究。[结果]降雨量同侵蚀量存在极显著的线性关系;降雨强度同渣场产流时间呈极显著的幂函数关系,同径流含沙率呈极显著的指数函数关系;渣场表层较高的细砾石含量,一定程度上可以减少溅蚀与面蚀量,但在强降雨或持续降雨条件下会促进坡面沟蚀的发育;渣场侵蚀具有一定季节分布,非雨季时,渣场侵蚀以面蚀与轻微沟蚀为主,坡面主要发育为细沟与浅沟,侵蚀量较少;雨季时,渣场坡面浅沟迅速转化为切沟,泥沙流失严重。[结论]研究区渣场侵蚀具有一定的季节性,渣场施工时应根据气候特征适当调配,主动避开雨季,并在雨季前完成渣场的水土保护设置;采取相应防护措施抑制或减缓雨季沟蚀的发育是研究区渣场水土保持防护的重点。     

模拟降雨条件下坡度和降雨强度对桂南崩积体侵蚀产沙的影响

[目的]探究坡度和降雨强度对崩岗崩积体坡面侵蚀产沙特征的影响,为桂南地区崩积体水土流失预测及其防治提供科学依据。[方法]采用室内模拟降雨试验,研究不同坡度(15°,20°,25°)和降雨强度(60,90,120 mm/h)条件下崩积体坡面侵蚀产沙过程。[结果]各坡度条件下,60 mm/h降雨强度时,崩积体坡面侵蚀速率变化过程较为稳定,且侵蚀速率多低于5.0 g/(m²·s),并呈现出一定的下降趋势;90～120 mm/h降雨强度下,侵蚀速率呈先波动增大后波动减小的变化趋势。降雨过程中侵蚀速率最大值随降雨强度和坡度的增大而增大,侵蚀速率最大值出现的时间集中在0～25 min内,且随坡度的增大有提前的趋势。次降雨产沙量(3.64～48.07 kg/m²)随降雨强度和坡度的增大而增大,与降雨强度和坡度之间的非线性回归结果(幂函数)优于线性回归结果。次降雨产沙量与坡度和降雨强度的交互项相关性最为显著,二者呈极显著线性函数关系。[结论]次降雨产沙量对降雨强度的敏感系数要高于对坡度的敏感系数,降雨强度对次降雨产沙量的影响强于坡度,崩积体侵蚀防治中建议做好...