砒砂岩陡坡面径流水动力学特征

为研究砒砂岩地区陡坡面径流的侵蚀规律,为该地区坡面水蚀预报模型的建立提供科学的理论依据,通过室内模拟冲刷试验,对不同冲刷流量和坡度的坡面径流水动力学特征进行研究。结果表明:在试验的冲刷流量和坡度范围内,砒砂岩坡面径流流速随冲刷流量和坡度的增大而增大,它们之间呈幂函数关系。径流雷诺数(Re)随随冲刷流量的增大而增大,40°则是Re变化的临界坡度,此时Re最大,而弗罗德数(Fr)的变化趋势正好相反。当冲刷流量大于4L/min时,径流流态为紊流和急流,其余处理坡面径流流态都为层流和急流。径流Darcy-Weisbach阻力系数(f)随压实度增大而减小,随冲刷流量的增大而增大,60°则是f变化的临界坡度,此时f最大,且f和输沙率有一定的正相关关系。     

不同植物边坡的糙率系数和水力学特征参数

[目的]研究北方土石山区植物边坡糙度,为坡面生态防护的最佳植物配置选择提供依据。[方法]在北京市昌平区试验基地设置多组不同地表类型的径流小区,设计了控制流速、流量的野外放水冲刷试验。[结果](1)与乔灌植被相比较,草本植被对地表径流流速具有良好的阻滞作用,毛白杨对地表流速有加速作用。(2)草地的平均糙率系数最大,裸地最小。对裸地进行处理后发现,铺设枯枝物,可以有效提高地表糙率系数值,通过砾石压盖处理的地表糙率系数并未有明显改变。(3)各类地表下垫面的雷诺系数Re均介于21.34~23.49之间,枯落物小区Re最大,毛白杨小区Re最小,水流均为层流,紊动性弱;弗劳德数Fr介于0.35~2.55之间;阻力系数f介于1.03~54.43之间。[结论]枯落物和草地可以有效减缓地表径流流速;毛白杨下垫面防蚀功能最弱。     

工程堆积体陡坡坡面径流水动力学特性

通过野外放水试验,对高速公路沿线典型堆积体陡坡(36°)在模拟径流冲刷条件下的坡面径流水动力学特性进行了研究,结果表明,平均流速与径流深均随流量的增加呈幂函数增加,不同坡面径流状态下(薄层水流和细沟流)流量的指数不同,且各自与室内研究结果有所差异;不同坡段的平均流速随坡长增加呈“S”形曲线变化.堆积体陡坡坡面径流属急流范畴,由过渡流向紊流转变的临界放水流量在20～25 L/min之间.Darcy-Weisbach阻力系数(f)与径流雷诺数(Re)之间存在幂函数正相关关系,与弗罗德数(Fr)之间存在幂函数负相关关系,不同坡段的平均阻力系数与坡长呈双曲线函数关系.     

黄土区坡耕地细沟间侵蚀和细沟侵蚀的研究

利用人工模拟降雨试验,通过在径流小区上覆盖纱网消除雨滴动能和增加雨滴除落高度来增加雨滴功能,并采用翻耕裸露作对照的试验处理,对黄土区坡耕地细沟间侵蚀和细沟侵蚀过程及其机理进行了研究。结果表明,坡面侵蚀产沙过程可明显的分为四个阶段,即溅蚀,细沟间侵蚀、细沟侵蚀和雨后径流侵蚀阶段。     

黄土高原地区鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程及水力学特征

为明确鱼鳞坑坡面抗侵蚀演化过程及其水流水力学特性,采用间歇性人工模拟降雨实验,对鱼鳞坑坡面水流水力学特性以及阻力规律进行了系统分析。结果表明:(1)鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程表现为:雨滴溅蚀—片蚀—股流冲刷—跌坑—细沟侵蚀—下切侵蚀—溯源侵蚀—崩塌。(2)随着降雨历时的增加,由于鱼鳞坑的层层拦截与蓄满,其下方的坡面径流流速、水深均呈波动式增长趋势,坑内出现旋涡,坡面径流呈现断续股流。降雨累积历时为58 min左右,总降雨量达到87 mm时,鱼鳞坑侵蚀量急剧增加,拦蓄径流作用失效。(3)五场降雨过程中,上坡和中坡水流流态为层流,下坡由于鱼鳞坑蓄满后径流出现波动,水流流态由层流变为紊流且时而为缓流时而为急流。(4)鱼鳞坑坡面水流阻力来源于降雨阻力、颗粒阻力、形态阻力叠加,在整个降雨过程中阻力总和呈下降趋势;其中,受地形高低起伏、地表糙度的影响,形态阻力一直居于主导地位。     

南方花岗岩红壤区不同土地利用类型坡地产流与侵蚀产沙研究

基于自然坡面径流小区,分析了南方花岗岩红壤区5种典型土地利用下坡面地表径流与侵蚀产沙规律.结果表明,不同地类地表径流与侵蚀产沙分异规律明显.裸露荒地、坡耕地、早地和疏林地的地表径流分别是典型林分林地的1 354.9%,1 099.9%,712.3%和285.4%;不同地类土壤侵蚀强度排序为裸露荒地＞坡耕地＞旱地＞疏林地＞典型林分林地,说明植被能较好地调蓄地表径流和减少侵蚀产沙.在不同降雨强度和雨型条件下,不同土地利用的坡面产流与侵蚀产沙也表现出显著的差异.裸露荒地、坡耕地、旱地、疏林地是研究区主要的侵蚀产沙地类.基于径流小区次降雨条件下径流和侵蚀产沙观测资料,建立了不同地类坡面径流与侵蚀产沙的回归方程.     

草地覆盖坡面流水动力参数的室内降雨试验

为研究两种典型黄土的坡面流水力特性变化规律,进行了室内人工降雨试验。以草地盖度为主要影响因子,土壤质地和雨强为辅助影响因子进行分析。结果表明:同一盖度下,随雨强逐渐增大,流量和流速也随之增加;当盖度增加时,流量和流速随之减小。流速随降雨历时的延长而逐渐增大;当雨强增大时,流速曲线整体抬高;当覆盖度逐渐增大,流速曲线整体降低。平均水深随流速增大而减小;同一雨强下,盖度增加时氟汝德数Fr随之增加,雷诺数Re降低,而Darcy-Weisbach阻力系数f及曼宁粗糙系数n均大致呈增加趋势;对同一盖度,雨强增加Fr随之减小,Re逐渐增加,同时f和n均随之减小。因此草地覆盖度增加将改善坡面流水力性质,总体上减小了坡面流速,增加了阻力和粗糙度。     

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。     

急陡黄土坡面薄层水流水力学参数变化特征

为探明降雨条件下黄土急陡坡坡面薄层水流水力学特性,采用室内模拟降雨的方法,研究了6个坡度(25°、30°、35°、40°、45°和50°)和3个雨强(1.0 mm min~(-1)、1.5 mm min~(-1)和2.0 mm min~(-1))组合条件下坡面薄层水流水力学参数的变化规律。结果表明:(1)坡度相同时,流速随雨强的增加而增大;雨强相同时,坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应(40°~45°),小于临界坡度,流速随坡度的增加而增大,大于临界坡度,流速随坡度增加而减小。(2)各坡度条件下,坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势;相同雨强时,径流深随坡度的增大有减小趋势。(3)黄土急陡坡坡面雷诺数(Re)整体较小(远小于580),试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区;弗劳德数(Fr)大于0.8,薄层水流属于急流。(4)阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大,随着坡度的增加而减小。(5)方差分析结果显示,雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响(p0.01),但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制,而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。     

陡坡面发育的细沟水动力学特性室内试验研究

为了为黄土高原陡坡水蚀预报模型的建立提供科学依据,通过组合不同坡度(21°、24°、27°)、不同流量(6.5、8.5、10.5 L/min)的陡坡室内放水冲刷试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究.结果表明,在试验的坡度和流量范围内,坡面流的雷诺数Re在798～4620之间变化,且雷诺数Re变化幅度随冲刷历时的增大而增大.而坡面流弗劳德数Fr在整个试验过程中均大于1,表明坡面流处于急流范围.坡面流阻力系数f随雷诺数Re的增大而增大,其变化还受坡度的影响.坡面在径流冲刷侵蚀过程中,流速随冲刷时间的延长和冲刷形态的变化呈现出先减小后增大义减小的变化趋势.     

日本北海道地区森林、牧场、草原和玉米田温室气体排放及模型研究

Information on the most influential factors determining gas flux from soils is needed in predictive models for greenhouse gases emissions.We conducted an intensive soil and air sampling along a 2 000 m transect extending from a forest,pasture,grassland and corn field in Shizunai,Hokkaido (Japan),measured CO 2 ,CH 4 ,N 2 O and NO fluxes and calculated soil bulk density (ρ b ),air-filled porosity (f a ) and total porosity (Φ).Using diffusivity models based on either f a alone or on a combination of f a and Φ,we predicted two pore space indices: the relative gas diffusion coefficient (D s /D o ) and the pore tortuosity factor (τ).The relationships between pore space indices (D s /D o and τ) and CO 2 ,CH 4 ,N 2 O and NO fluxes were also studied.Results showed that the grassland had the highest ρ b while f a and Φ were the highest in the forest.CO 2 ,CH 4 ,N 2 O and NO fluxes were the highest in the grassland while N 2 O dominated in the corn field.Few correlations existed between f a ,Φ,ρ b and gases fluxes while all models predicted that D s /D o and τ significantly correlated with CO 2 and CH 4 with correlation coefficient (r) ranging from 0.20 to 0.80.Overall,diffusivity models based on f a alone gave higher D s /D o ,lower τ,and higher R 2 and better explained the relationship between pore space indices (D s /D o and τ) and gases fluxes.Inclusion of D s /D o and τ in predictive models will improve our understanding of the dynamics of greenhouse gas fluxes from soils.D s /D o and τ can be easily obtained by measurements of soil air and water and existing diffusivity models.     

岷江上游土壤侵蚀时空演变特征及其成因分析

为研究岷江上游流域土壤侵蚀动态变化情况,使用通用土壤流失方程(USLE)和统计学、空间分析等方法探讨了该区域2001—2017年土壤侵蚀时空演变特征及其成因。结果表明：(1)岷江上游流域土壤侵蚀主要发生在西部、西南部、东北部和东南部。(2)土壤侵蚀模数显著减小区域主要分布在流域西部和西南部,从地形、降水和土地利用看,主要分布于海拔2 500～5 000 m、坡度大于15°、年均降水量800～1 200 mm的区域和林地侵蚀区。土壤侵蚀显著增加区域主要分布在北部和东南部,其中以中山、亚高山区域和年均降水量400～800 mm的干旱河谷区域为主。(3)土壤侵蚀状况与海拔、坡度、年降水量和植被类型在空间上呈显著正相关关系(p<0.05),随着海拔、坡度、年降水量增加,土壤侵蚀现象越明显。(4)未利用地、草地和林地土壤侵蚀较明显,侵蚀占比(轻度及以上侵蚀面积占该类型的比例)分别为87.11%,39.75%和9.49%。(5)不同类型林地侵蚀占比由大到小为疏林地(15.04%)>针叶林(13.50%)>混交林(4.41%)>阔叶林(0.97%)。林地土壤侵蚀主要受降水和植...     

REE示踪坡面侵蚀过程研究

在观测年度气候条件下,坡面产流初始阶段片蚀是坡面侵蚀的主要方式,试验期间的三次降雨片蚀分别占坡面总侵蚀量的71%、48%、49%,表明坡面侵蚀处于片蚀-细沟侵蚀演变的初期阶段;同时随着降雨的进行,细沟侵蚀量在不断增大,表明坡面由片蚀为主逐渐过渡到片蚀向细沟侵蚀转变的阶段。对次降雨条件下坡面不同部位的侵蚀泥沙来源研究表明:无论片蚀绝对量如何变化,坡面表层上段的相对侵蚀量始终不大于10%,表明坡面片蚀的来源主要集中在坡面下部;降雨结束后对不同坡段的细沟相对侵蚀量比较分析后发现,不同坡段的相对侵蚀量结果分别为:距坡脚0~1米坡段16%;2~4米坡段6%;5~9米坡段3%,三段的侵蚀量之比约为5∶2∶1,表明细沟侵蚀的主要来源集中在距坡脚4米段内。     

龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀对有机碳迁移的影响

坡耕地土壤再分布对土壤有机碳(SOC,soil organic carbon)迁移的作用机制研究已成为土壤侵蚀学研究的热点,然而目前极少有研究关注地震后生态脆弱的龙门山地震带坡耕地土壤侵蚀机理及其导致的土壤有机碳再分布规律。该研究选择龙门山地震带内(都江堰市)一块陡坡耕地和一个梯田系列,采用137Cs法和野外调查,对比分析强震导致田埂垮塌和未受损情况下坡耕地土壤侵蚀空间变化特征和有机碳运移变化机理。结果表明,该区黄棕壤有效137Cs背景值为1 473 Bq/m2;坡度较小的坡式梯田内部上坡表现为侵蚀,下坡表现为沉积,同时,上部梯田的侵蚀速率高于下部梯田,但整个梯田系列净侵蚀量非常小,这表明梯田之间由于缺乏田埂的保护,水力也起着侵蚀、搬运上坡梯田土壤的作用,但是整个坡式梯田系列可以起到较好的保土作用,同时,坡式梯田内部主要以耕作侵蚀为主,是造成梯田上部坡位土壤流失严重的主要原因;陡坡耕地的地形为复合坡,由于田埂垮塌导致其土壤侵蚀速率显著高于坡式梯田系列,在整个坡面上,除了坡顶土壤侵蚀速率高之外,下坡坡度变大(曲率较大)的部位土壤侵蚀速率也非常高,同时,土壤沉积也发生在2个坡位(中下坡坡度较缓的部位和坡脚部位);在梯田系列和陡坡耕地上,SOC与土壤137Cs的空间变化规律较为一致。研究结果表明,在龙门山地震带,质量较好的石埂梯田仍然发挥着较好的土壤保持效果,同时,耕作侵蚀是该区坡耕地上一种重要的土壤侵蚀形式,在制定相应的土壤保持措施时,必须充分考虑耕作侵蚀的作用,才能有效地控制土壤侵蚀,此外,该研究结果还表明采用137Cs核素示踪技术可以比较科学地解释该区域的土壤侵蚀速率和SOC的空间变异规律。     

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53 mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。     

雨滴侵蚀特征分析

引起水土流失发生的侵蚀营力是多方面的,其中雨滴的侵蚀作用不可忽视.雨滴击溅可分为干土溅散、泥浆溅散、层状侵蚀三个阶段.溅蚀具有明显的分带性,坡面上部的土壤溅蚀量大于坡面下部的土壤溅蚀量,雨滴击溅中约有75%的土粒向坡下迁移.雨滴中数直径D_(50)、降雨强度、雨滴终点速度与雨滴动能成正比关系,雨滴动能是地表径流动能的256倍,EI_(30)乘积是较好的表示雨滴侵蚀力指数的方法.     

黄土高原人为加速侵蚀下水土与养分流失耦合研究

利用野外模拟人工降雨试验,对人为加速侵蚀下耕地、草地和林地的水土与养分流失进行耦合研究.结果表明:人为加速侵蚀后养分随径流和泥沙的迁移,导致土壤肥力下降,其中泥沙结合态是养分流失的主要途径.耕地翻耕后加速土壤侵蚀,除产流量减少22.4%外,侵蚀速率和产沙量分别增加了27.1%和27.3%;总有机碳、总氮和总磷流失量分别...     

Reassessment of tillage erosion rates by manual tillage on steep slopes in northern Thailand

Changing land-use practices in northern Thailand have increased tillage intensity. This study re-assesses the rate of tillage erosion by manual hoeing on steep slopes (17–82%) in northern Thailand. Previously collected soil translocation data during an on-farm tillage erosion experiment and additionally collected data during an on-farm tillage erosion survey have been analysed whereby a new calculation method (i.e. trapezoid tillage step) has been used. A comparison with previously collected data indicates that the trapezoid tillage step method and the tracer method are the most reliable methods to assess downslope translocation by manual tillage. Based on newly acquired understanding of the processes involved, soil fluxes by tillage erosion are quantified by linear functions for different slope gradient classes rather than one single diffusion-type equation for the whole slope range. For slope gradients smaller than 3%, soil fluxes are close to zero as farmers do not have a preferred tillage direction. For slope gradients between 3% and 70%, soil is tilled only in the downslope direction and soil fluxes range between 16 and 67 kg m⁻¹ tillage pass⁻¹. On slopes with gradients in excess of 70%, the angle of repose for soil clods is often exceeded resulting in a sliding down of the complete tilled top layer. These data are used to assess the soil flux for complete cropping cycles for the most dominant cropping systems in the highlands of northern Thailand: i.e. upland rice, maize, (soy) beans, cabbage and ginger. The on-site effects of tillage erosion will be very pronounced if parcels are short with respect to their slope length, cultivated for upland rice or cabbage, or when weed pressure is high. Tillage erosion results in a tillage step with low soil fertility and low infiltration capacity. Solutions to reduce tillage erosion intensity depend on the degree that tillage intensity can be reduced. This might happen by an improved weed management or by changing landuse to perrenial cropping. Other strategies are concentrating nutrients on the truncated hillslope sections and retaining soil on the field by vegetative buffers.     

褐土与棕壤坡耕地细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化

为深入探究辽西低山丘陵区坡耕地土壤侵蚀机理,以该区的典型土壤类型褐土和棕壤为研究对象,采用室内人工降雨模拟试验,研究3种坡度(5°,10°,15°)和3种降雨强度(40,60,80 mm/h)下细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化过程。结果表明:褐土与棕壤坡面侵蚀过程可划分为3个阶段,即细沟侵蚀之前阶段、跌坎发育阶段和细沟侵蚀快速发育阶段;细沟侵蚀之前的面蚀阶段,同一坡度条件下,褐土与棕壤随雨强的增加,坡面流速呈增大趋势,而在同一雨强条件下,坡度对流速的影响并无明显规律;细沟侵蚀阶段,当坡度一定条件下,褐土与棕壤细沟内、细沟间的流速随雨强的增加而增大,当雨强一定时,褐土与棕壤随坡度的增加细沟间流速增加;细沟侵蚀阶段流速表现为细沟内流速坡面流速细沟间流速;细沟侵蚀快速发育阶段2种土壤产生的径流量占总径流量的80%以上,土壤侵蚀量占总侵蚀量均在70%以上,且棕壤对总体侵蚀量的贡献更稳定,更易发生细沟侵蚀。整场降雨的侵蚀方式是面蚀向细沟侵蚀的转变,坡面一旦发生侵蚀,细沟侵蚀对坡面总侵蚀的贡献更大。     

工程堆积体流速及产沙特征对坡长及砾石作用响应

随着经济社会的高速发展以及工程建设项目的快速递增,大量生产建设项目扰动地表并破坏原地貌植被,大范围且不平衡的挖填活动使得多余的土石混合堆积,尤其在山区工程建设形成的多余土石混合介质,堆积在沟道和河道上游及边坡,在强降雨条件下易发生严重水土流失,甚至造成滑坡、泥石流等灾害。以人为重塑工程堆积体为研究对象(坡度25°),通过模拟降雨试验,开展极端降雨条件下(降雨强度为2.5 mm/min)不同坡长(3,5,6.5,12 m)及砾石质量分数(0,10%,20%,30%)共同作用对堆积体流速空间分布特征及产沙特性影响的研究。结果表明：(1)坡长12 m时流速在降雨全过程始终处于波动状态,随砾石质量分数增大,波动幅度减小,而坡长3,5,6.5 m下的流速随产流历时呈先递增后趋于稳定的变化趋势。中下坡位平均流速是中上坡位的1.12～1.54倍,随着坡长增大,平均流速递增17.81%～335.94%,含砾石堆积体平均流速较纯土堆积体降低22.88%～54.67%,砾石质量分数比坡长对流速影响更显著。(2)纯土堆积体平均侵蚀速率随坡长显著增大,递增幅度达7.88%～87.67%,而含砾石堆积体随坡长增...