坡沟侵蚀产沙关系的模拟试验研究

黄土高原坡面从分水岭到坡脚,径流侵蚀产沙方式和产沙强度等特征表现出明显的垂直分带性。为了揭示造成这种垂直分带性特点的形成机理,本文设计了4m长坡面(坡度为20°)和3m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统试验土槽,采用四个不同流量(2.1Lmin-1、3.2Lmin-1、5.2Lmin-1、7.2Lmin-1)的放水冲刷试验,研究了坡面不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡侵蚀产沙的影响,并建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。结果表明:坡面放水径流强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率均影响着沟坡部分侵蚀产沙量的大小。坡面放水径流强度与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系;坡面来水含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量之间呈线性关系。根据单位水流功率的概念,计算得出试验条件下沟坡侵蚀产沙的临界单位水流功率值为0.632。最后,根据改进的Yalin公式及沟坡侵蚀产沙的影响因素,分别建立了坡面和沟坡侵蚀产沙的数学模型,经计算后与实测值进行对比发现结果基本令人满意。     

坡沟产沙关系及其侵蚀机理研究进展

坡沟系统侵蚀过程及其机理研究是当前土壤侵蚀过程研究的热点和难点所在。回顾了对坡沟侵蚀形态垂直分带、坡沟侵蚀产沙特征、上方来水来沙对土壤侵蚀过程的影响、坡沟侵蚀水力学机理以及坡沟侵蚀动力学机制的研究进展。分析了研究中存在的问题，提出了有待于进一步开展的研究工作。     

基于模拟降雨的坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征研究

利用水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室全自动人工降雨系统,对人工模拟的裸露坡沟系统进行了3组不同降雨强度的模拟试验,对坡沟系统侵蚀产沙时空分布特征进行了分析。结果表明:坡沟系统侵蚀产沙量随降雨历时增加呈波动增加趋势,沟谷中部和坡面过渡区域侵蚀发育较早且发展最快,沟谷产沙及沟谷径流含沙量对坡沟系统出口径流含沙量的贡献最大,坡沟系统中沟谷中下部和坡面-沟谷过渡区域为侵蚀易发区域。在实践中建议采取工程和植物措施,着重治沟、兼顾治坡,有助于控制黄土高原沟道的侵蚀产沙。     

放水冲刷条件下坡面植被空间布局对坡沟系统侵蚀产沙的影响研究

植被在有效防治水土流失、改善生态环境中具有不可替代的重要作用。研究表明,土壤表面没有植被的降雨侵蚀量是未扰动森林土壤的16倍[1]。Zheng在子午岭林区的研究也发现,当地表植被生长良好时,降雨、地形、坡度等因素对土壤侵蚀量的影响很小。而土壤表层一旦失去植被保护或根系的固结时,降雨和地形等因素对侵蚀的作用则十分     

基于三维激光扫描的坡沟系统侵蚀产沙过程研究

为了探究野外自然坡沟系统土壤侵蚀过程,研究于黄土丘陵沟壑区典型流域辛店沟内自然坡面开展5场放水冲刷试验,利用地面三维激光扫描技术(Terrestrial laser scanning, TLS)获取高精度地形信息,并采用DEM of difference(DoD)地形变化监测方法计算产沙量,利用实测产沙量评估TLS的监测精度,并探讨了坡沟系统侵蚀/沉积的变化特征。结果表明：(1)累积场次中,DoD不确定性(即level of detection, LoD)平均值(范围)为16.5 mm(16.2～16.8 mm)。单场次中,LoD值平均值为16.4 mm(16.2～16.6 mm);(2)累积场次中,梁峁坡、沟谷坡、坡沟系统TLS扫描所得产沙量相对误差的平均值(范围)为52.63%(26.06%～106.98%),56.68%(30.26%～75.49%)和56.28%(33.37%～73.28%),与实测数据显著相关(R²>0.9,p<0.05)。单场次TLS扫描相对误差波动范围更大且平均值高于累积场次,其值分别为83.70%(4.08%～190.4...     

黄土高原坡沟系统重力侵蚀数值模拟研究

采用有限差分软件FLAC3D对黄土高原坡沟系统重力侵蚀机理进行探索,对坡沟系统应力场和位移场进行数值模拟,分析了不同侵蚀基准面抬升高度对坡沟稳定性及重力侵蚀的影响。结果表明,随侵蚀基准面逐渐抬升,坡沟系统逐渐稳定,最大位移、安全系数及滑塌概率的变化符合指数函数分布规律。拟合方程精度较高,可应用于坡沟重力侵蚀的定性分析与定量计算。凹形边坡整体几何形态能够有效降低应力集中,减缓重力侵蚀的发生程度;坡沟系统上部位移是以"沉降"模式为主,梁峁顶和梁峁坡是重力侵蚀最为强烈的部位。随侵蚀基准面逐渐抬升,各方向位移均有不同程度降低。     

黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程的REE示踪研究

利用室内概化的坡沟系统模型,结合REE示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程进行了深入研究。结果表明,坡沟系统的坡面侵蚀速率大于沟坡的侵蚀速率,即坡面侵蚀较沟坡侵蚀剧烈;在本研究设计的流量范围内存在一个临界流量Q=12 L/min,当冲刷流量小于该值时,起始侵蚀率随流量的增大而增大,当冲刷流量大于该值时,起始侵蚀率随冲刷流量的增大而减小;相同流量下,随着冲刷历时的延长,其侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小,而且随着流量的增大,La元素示踪带和Eu元素示踪带侵蚀率达到最大的时间越来越短。     

黄土坡面细沟发育过程及侵蚀产沙特征研究

研究细沟发育及其产沙特征对细沟侵蚀预报模型至关重要.采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,在不同坡度(10°,15°,20°,25°)和不同雨强(1.5,2.0 mm/min)条件下,研究了细沟的发育过程,并讨论分析各发育阶段产沙特征及其影响因素.结果表明,根据坡面含沙量与细沟形态的变化特征,细沟侵蚀过程可划分为面蚀、细沟雏形、细沟发育、细沟调整4个阶段;各阶段的侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例均不同,其中细沟发育阶段最大,约占总侵蚀量的40％;各阶段持续时间随着坡度的改变而改变;雨强增大对细沟间与细沟流速有促进作用,细沟流速为细沟间流速的0.75～1.77倍;坡面侵蚀速率受雨强与坡度的影响很大,在同一坡面上细沟流速与侵蚀速率的关系更紧密,但二者的定量关系有待进一步探索.     

黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙来源模拟试验

为了进一步明确黄土高原坡沟系统侵蚀泥沙主要来源及其动态变化过程,该文利用室内概化坡沟系统模型,结合稀土元素（REE）示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原的坡沟系统侵蚀泥沙来源问题进行了研究。结果表明,在该试验的坡沟系统中,侵蚀泥沙主要来自坡沟系统的坡面,距离坡面顶端2 m的侵蚀产沙量占到坡面总侵蚀量的57%～74%,沟坡部分的侵蚀产沙量较少;坡面部分的4种示踪元素侵蚀带,在流量为6、8、10和14 L/min时,各个侵蚀带的侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Tb元素示踪带＞Sm元素示踪带,但在流量为12 L/min时,侵蚀量大小依次为La元素示踪带＞Ce元素示踪带＞Sm元素示踪带＞Tb元素示踪带;坡面侵蚀产沙泥沙百分比随着冲刷历时的增长,总体上呈现出波动式的递增趋势,25 min以后又开始减小,沟坡侵蚀产沙量的变化趋势与坡面相反。研究为黄土高原小流域坡沟的治理提供了科学依据。     

林地开垦后坡沟侵蚀产沙关系的研究

利用在子午岭林区布设的林地开垦后全梁坡、全沟坡（不接收上万来水）和全坡面径流小区，研究了子午岭林区林地开垦后坡沟侵蚀产沙关系。结果表明，子午岭林区林地开垦后，沟坟接收上方来水来沙的侵蚀产沙量是沟坡不接收上方米水来沙侵蚀产沙量的１．９５～３．９倍；全坡面侵蚀产沙在梁坡来水来沙的影响下，侵蚀产沙量增加１０％～３５％；沟坡侵蚀产沙量占总侵蚀产沙量的５３％左右，但其中有２０％的侵蚀产沙量是由于粱坡坡面径流下沟造成的，故受人类活动强烈影响的梁坡，实质上造成了６８％左右的侵蚀产沙量。     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统产流产沙对源-汇-路径格局的响应

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统（2个无人为干扰的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG1和SG2、2个人为扰动的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG3和SG4、以及1个果园+坡耕地的坡沟系统SG5）内泥沙源、汇及其输移路径分布特征,并在量化指标的基础上,结合2016—2022年坊塌小流域5个坡沟系统的降雨和产流产沙的监测数据,研究了不同坡沟系统的产流产沙特征及其对源-汇-路径格局的响应。结果表明：次降雨条件下,SG1和SG2的产沙模数显著低于其他坡沟系统（P<0.05）,且SG3径流深和产沙模数均较大;SG2的年平均径流深显著低于SG5（P<0.05）。坡沟系统径流深分别与总坡沟系统、沟间地、沟谷地的泥沙源和汇最大斑块面积比显著正相关（P<0.05）,且与沟间地泥沙源、汇指数的相关系数均要大于沟谷地,径流深与总坡沟系统路径的分岔比、沟间地与沟谷地的路径比降均呈现出显著负相关（P<0.05）;产沙模数与各源汇指数之间均无显著的相关性,但与路径数量密度、长度密度、沟间地的路径分岔比呈显著正相关（P<0.05）;径流深和产沙模数均与路径复杂度呈显著负相关。可见,降低源/汇比例大小,适当增加泥沙输移路径的复杂度和输移距离,可有效减少坡沟系统的水土流失。研究可为坡沟系统土壤侵蚀防控以及流域生态保护和修复提供科学支撑。     

黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验

为了研究坡沟系统中坡面与沟道之间的侵蚀产沙关系,该研究采用双坡段（坡面和沟坡）组合模型,通过室内放水冲刷试验,结合REE示踪技术,研究了黄土高原地区径流的水动力学特性。结果表明：在试验流量范围内,坡沟系统径流雷诺数变化位于342.3～858.8之间,且变化幅度随冲刷历时的增大而增大;弗罗德数变化位于1.36～8.92之间,且具有时空分异特征。相同流量下,坡沟系统的坡面径流流速沿程有先增大后减小的趋势,在从坡面向沟坡过渡时,各流量下的流速均达到极小值,进入沟坡以后,流速又开始增大。当流量相同时,Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数沿程均呈先减小后增大然后再减小的趋势。该研究为黄土高原坡沟系统侵蚀产沙模型的建立提供理论依据。     

植被和梯田措施对坡沟系统细沟侵蚀调控作用

坡沟系统作为黄土丘陵沟壑区基本的地貌单元,也是黄土高原侵蚀泥沙的主要来源区。植被和梯田作为坡面水土流失治理的主要措施,对于土壤侵蚀控制和生态恢复发挥着重要的作用,定量评估林草、梯田对坡面细沟侵蚀的调控作用以及多措施协同配置问题对于黄土高原水土流失治理和生态保护具有重要意义。为了揭示植被和梯田的格局和配置对坡沟系统细沟侵蚀的协同调控作用,该研究采用人工模拟降雨,结合三维激光扫描技术,分析了坡面4种措施：上坡位植被（措施A）、下坡位植被（措施B）、梯田（措施C）、梯田+植被（措施D）对细沟侵蚀发生和演变过程的影响。结果表明：1）相同植被覆盖度下,下坡位的植被布设细沟最大长度较上坡位的植被布设细沟最大长度减小量更大;2）第1次降雨中,侵蚀率最大值达到3 500 g/min以上,第2次降雨过程中侵蚀率最大值仅为1 100 g/min以上,在各产流时间内第2次降雨侵蚀率均为第1次降雨侵蚀率的1/3～1/2;3）对于各措施下细沟沟长发育率由大到小表现为措施A(6.55 cm/min)、措施C(5.71 cm/min)、措施B(3.60 cm/min)、措施D(2.69 cm/min);4）梯田与植...     

不同质地重塑土坡面细沟侵蚀形态与水力特性及产沙的关系

土壤质地对坡面侵蚀产沙与细沟形态具有重要影响。为明确不同质地土壤坡面的细沟形态与侵蚀产沙特征的关系,该研究以土沙混合配制不同颗粒组成的重塑土坡面为研究对象,采用室内放水冲刷动床试验,选取了平均沟深、平均沟宽及断面宽深比等作为细沟基本形态参数,分析了坡面细沟形态与水力学特性、侵蚀产沙的定量关系,并建立坡面侵蚀经验预测方程。结果表明:1)沟深随坡度增大而增大,沟宽随坡度增大而减小,两者随流量的变化不明显,细沟断面宽深比随坡度和流量的增加逐渐减小;2)同一试验条件下,坡面含沙量的增加使细沟断面形态整体由"窄深式"趋向"宽浅式";3)单位水流功率、水流功率与坡面细沟形态参数的关系最为密切(r0.784,p0.01),平均沟宽与水力学参数关系不显著;4)平均沟深与细沟形态综合量化参数对坡面产沙有较好的预测效果(R20.747,NES0.755,p0.01);5)引入坡面土壤黏粒含量参数后,基于细沟形态参数与坡面土壤黏粒含量的坡面侵蚀经验预测方程可信程度与预测精度显著提高(R20.879,NES0.887,p0.01)。该研究为坡面侵蚀预测与侵蚀机理研究提供参考依据。     

裸露耕地土壤风蚀跃移颗粒分布特征的试验研究

以内蒙古阴山北部的典型农牧交错带耕地为试验区,利用DEM6型轻便三杯风向风速表和LV50便携式风速仪(可测瞬时风速和任一时段的平均风速),采用SC—I型沙尘采集器收集跃移沙粒,并对收集到的沙粒进行筛分、称重,详细地分析了不同高度风蚀物百分含量、输沙量等风沙运动主要影响因素的变化特征,得出了耕地土壤在风沙跃移运动中的粒径分布特征,初步了解了该地区土壤风蚀的特点,为今后风沙运动力学理论的深入研究,以及实施保护性耕作和其他土地荒漠化的防治提供依据。     

坡面径流类型对侵蚀产沙及水沙传递关系的影响

降雨-径流格局对土壤侵蚀过程具有重要影响,以团山沟七号全坡面径流场1961-1969年间65次径流事件的径流泥沙数据为基础,选取历时、径流深和径流变率为径流过程的特征指标,采用K均值聚类和判别分析相结合的方法,将坡面径流划分为5种类型。其中,A型径流具有超长历时、低变率、小径流的特点,是较为特殊的类型,B、C型径流具有中长历时、中高变率、大径流的特点,D型径流具有短历时、低变率、小径流的特点,是最为普遍的类型。E型径流具有中历时、中变率、中径流的特点。不同径流类型下的输沙模数、平均含沙量及最大含沙量由大到小依次为:CBEDA,B、E、C型径流应是坡面径流调控的重点。不同径流类型输沙模数的差异主要来源于径流量(深)的变化,相同径流量(深)条件下,不同径流类型输沙模数的差异主要来源于由径流历时和径流变率所引起的水沙传递关系的改变;与A型径流相比,其作用使D、E、B、C型径流的输沙模数相对增大7.9、6.3、4.8和4.5倍,增大倍数随径流量(深)的增加呈逐渐减小趋势。通过构建包含主要径流特征指标的动力参数ξ,对不同径流类型及径流阶段的径流-泥沙传递关系进行数学描述,其最优回归关系均符合S=alnξ+b的一般形式,能合理解释不同径流类型及不同径流阶段含沙量变化的主要驱动因素。研究结果可为坡面径流类型划分、水沙传递关系构建、全面评估坡面径流调控系统的水土保持意义、进一步丰富坡面径流调控理论的内涵提供一定的参考。     

黄土高原梯田和淤地坝坡沟治理措施对产流产沙的协同效应

黄土高原地区的梯田和淤地坝措施发挥了重要的水土保持功能,然而现有的研究主要关注单个措施的减水减沙效应,对坡沟治理措施综合配置协同调控水沙过程的作用一直认识不清。因此,该研究为解析梯田和淤地坝措施对水沙过程的协同调控效应,构建了10个坡沟系统物理模型,设置了对照组（CO）,单一措施组（梯田措施（T0）,4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短（L1、L2、L3和L4））和组合措施组（梯田与4种因淤地坝淤积导致坡沟区域的坡长缩短的综合配置（T1、T2、T3和T4））,进行降雨强度为90 mm/h的室内模拟降雨试验,量化不同试验方案下坡沟系统的产流产沙过程。结果表明：1）梯田措施和淤地坝淤积导致坡沟区域坡长缩短均有效调控了坡沟系统的产流产沙过程,梯田能分别减少46.30%～83.59%的径流总量和25.82%～82.41%的泥沙总量,淤地坝导致坡沟区域坡长缩短能分别减少7.87%～33.42%的径流总量和10.20%～30.57%的泥沙总量。2）不同试验方案下坡沟系统的产沙率和产流率之间满足线性关系,而累计产沙量和累计产流量满足幂函数关系。3）综合措施配置发挥了“1+1> 2”的水土保持...