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.     

室内模拟降雨条件下径流侵蚀产沙试验研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为水土保持与生态建设提供重要科学依据。利用室内模拟降雨试验,研究了不同植被格局条件下的坡面侵蚀产沙、径流、入渗规律及相关关系。研究结果表明,裸坡坡面下,雨强是影响径流的主要因素,径流贡献率为87%;坡度是影响产沙的主要因素,产沙贡献率为76%;在大雨强或陡坡条件下,这种趋势更加明显。模拟降雨条件下,坡面含水量以坡面中下部最大,坡面中部居中,坡面上部最小。坡面植被覆盖对侵蚀产沙的影响大于坡度因素的影响;相同覆盖度条件下,植被空间位置对水沙调控作用大小顺序依次为:坡底>坡中>坡顶。随植被覆盖率的增加,径流总量呈幂函数减小趋势,产沙总量和径流含沙量呈指数函数减小趋势,植被对水沙调控作用逐渐增强。本文研究成果对于深入理解流域径流产流产沙过程具有重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持。     

植被格局对坡面流阻力影响的试验研究

利用室内模拟降雨试验,定量研究在15°坡度和60,90,120,150mm/h降雨强度下,茵陈蒿(Artemisia capillaris)不同分布格局对坡面流阻力(Darcy-Weisbach阻力系数,f)的影响。结果表明:由于植被格局的阻滞作用,相对于裸地坡面,不同格局坡面流阻力系数明显增大,平均阻力系数是裸坡的1.25~13.13倍;带状格局(BP)、棋盘状格局(CP)和小斑块格局(XP)增强坡面流阻力的作用显著高于长条状格局(LP)。剪除地上部分后,根系作用坡面阻力系数显著降低,约为裸坡的0.75~3.78倍。裸坡平均阻力系数随雨强增大呈减小趋势,完整植被格局和根系作用坡面相对阻力系数(与裸坡阻力系数比值)随雨强增大呈指数函数增大。阻力系数与水流雷诺数的关系可用幂函数表示;阻力系数与坡面侵蚀速率呈极显著幂函数关系。     

坡面径流含沙量随雨强和坡长的动态过程

坡面径流的含沙特征是研究坡面侵蚀产沙的重要内容。为了研究坡面径流含沙特征及动态过程,揭示坡面径流含沙量随雨强和坡长的复合关系。采用人工模拟降雨的方式,通过不同坡长和雨强的组合试验,基于跨雨强和跨坡长的综合性分析思路,对特定坡度(20°)下,5个坡长(1,2,3,4,5m)13个降雨强度的试验监测数据进行了分析。结果表明:(1)坡长不同,含沙量与雨强的相关性不同,以2,3,4m坡长含沙量随雨强增加的规律性最明显,5m坡长的相关性最差,1m坡长的直线相关性较好,但增长斜率很小,由此可推得,研究坡面径流含沙量随雨强变化时,以2~4m坡长的试验槽较为适宜;(2)含沙量随产流历时总体上呈现出波动递减的趋势。含沙量波动特征值在2~4m坡长范围内波动性小而波动频率大,在1,5m坡长的波动性大但频率小。坡面径流含沙量变化的频率远大于河川径流含沙量的变化频率,即稳定性较差;(3)含沙量与主要水文要素和水力学特征参数的拟合都呈现出极显著相关性,流速、流量和剪切力是影响含沙量波动的重要因素。     

模拟降雨条件下紫色土坡地壤中流氮浓度的动态特征

通过模拟降雨试验,研究了1、2 mm/min雨强下紫色土坡地地表径流中的养分浓度,不同坡位和土层深度处壤中流的养分浓度,以及土壤含水量随时间的动态变化规律。结果表明,2 mm/min雨强下,地表径流中铵态氮和硝态氮浓度随降雨时间推移逐渐减小并最终趋于稳定,总氮浓度呈现波动状态,总体呈减小趋势。降雨结束后,紫色土中不同空间位置壤中流的铵态氮浓度呈现波动状态,且雨强越大,波动幅度越大。硝态氮浓度动态变化存在时空分异性:同一土层不同坡位处壤中流的硝态氮浓度随时间变化趋势相同,不同土层深度处变化趋势不同;同一土层中,从坡底到坡顶,不同坡位处壤中流硝态氮浓度呈递减的规律,这种规律在浅层土壤中越发明显。土壤中不同空间位置壤中流总氮浓度均呈现逐渐增大并最终稳定的趋势。同一土层中,从坡底到坡顶,土壤含水量达到峰值的时间逐渐推迟。     

不同坡形坡面侵蚀规律试验研究

采用室内人工模拟降雨方法,研究不同坡形坡面侵蚀规律.结果表明产流量和含沙量、总径流量和侵蚀量大体上是凹形坡大于凸形坡,其次是内聚直坡,直线形坡最小,并且随着雨强和坡度的增大而增大.坡面上部和坡脚侵蚀较弱,坡面侵蚀的剧烈段在坡面中下部,并随雨强和坡度增大而逐渐上移.细沟的宽度和深度随雨强的增大而增大,产生细沟后侵蚀量将迅速增大,最大占总侵蚀量的91%.     

草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响

径流含沙量的大小体现水沙关系的消长和演变，可以作为评价植被影响下径流和产沙的交互演变过程特征的重要指标。通过人工降雨试验，研究不同草被覆盖度变化在不同雨强和不同坡度条件下对黄土坡面径流含沙量的综合影响特征。结果表明：(1)草被盖度越大，坡面径流的初始产流时间越滞后。有草被覆盖坡面的径流含沙量随降雨历时变化为降雨前15 min有波动，但总体上呈降低趋势，之后达到稳定，且有草被覆盖坡面的径流含沙量显著低于裸地。(2)径流平均含沙量均随雨强和坡度的增大而增大，平均含沙量对雨强和坡度的响应均可用幂函数方程描述，R²分别为0.823～0.974和0.880～0.971。随着盖度的增加，平均含沙量降低，且雨强对平均含沙量的影响随盖度的增加而减弱。平均含沙量对盖度的响应可用线性方程描述，R²为0.732～0.979。(3)径流平均含沙量对盖度和雨强(R²=0.822,NE=0.921,p<0.01)及对盖度和坡度(R²=0.975,NE=0.697,p<0.01)的响应关系皆可用二元幂函数方程描述，径...     

雨强对片麻岩坡面径流养分流失规律的影响

通过室内模拟降雨试验,研究降雨强度对太行山区片麻岩坡地产沙产流和养分流失的影响,结果表明:初始产流时间与雨强具有明显的负相关;不同雨强对坡面累积产流产沙影响较大,随雨强的增大,径流量和泥沙量也呈现增大的趋势。在整场降雨过程中,产流率呈现出先增加,到达峰值后产流率趋于稳定不再继续增大,不同雨强片麻岩坡面(60,80,100mm/h)的产流率达到的峰值分别为1 068,2 930,3 019ml/min;泥沙浓度在整场降雨中表现为先降低然后趋于稳定,比较不同雨强片麻岩坡面(60,80,100mm/h)的产沙量为351.49,2 882.33,3 613.23g,发现雨强对坡面径流的影响较大。坡面养分流失主要以泥沙结合态为主,泥沙态养分所占比例达到98%以上,并随雨强增大,泥沙态含量也随之增加,坡面氮素流失在雨强较小时养分流失方式为溶解态氮和泥沙态氮共同作用,随着雨强增加,泥沙态所占比例增大到92%,94%。径流流失的总养分量(总氮、总磷和总钾)与雨强之间具有正相关性,整场降雨过程中水样氮浓度随降雨历时增加呈下降趋势;泥沙中养分随时间变化波动较大,没有反映出与雨强的相关性。     

贵州喀斯特地区降雨强度对土壤侵蚀特征的影响

降雨对坡面产流、侵蚀过程及养分流失有重要的影响,选取我国西南喀斯特地区作为研究区域,采用人工降雨方法,研究了不同降雨强度对贵州喀斯特地区(裸地和植被覆盖小区)与土壤侵蚀特征的影响。结果表明:(1)在不同降雨强度下,裸地和植被覆盖小区初始产流时间均随降雨强度的增大产流时间提前,并且裸地和植被覆盖小区初始产流时间在不同降雨强度下差异均显著(p0.05)。(2)裸地和植被覆盖小区径流速率在5~6min之后保持稳定,径流速率均随雨强的增大而增大;不同降雨强度下,径流速率均表现为裸地植被覆盖小区。(3)裸地和植被覆盖小区输沙率变化表现为快速增大、迅速减小、缓慢减小和趋于稳定4个阶段,不同降雨强度下,输沙率均表现为裸地植被覆盖小区。(4)裸地和植被覆盖小区总径流量和总侵蚀量随雨强的增大而增大,裸地坡面各降雨强度下坡面总径流量差异均显著(p0.05),25,50mm/h降雨强度下植被覆盖小区坡面总径流量差异不显著(p0.05),相同降雨强度时总径流量表现为裸地植被;25,50mm/h降雨强度下裸地和植被覆盖小区坡面总侵蚀量差异不显著(p0.05),相同降雨强度时总径流量和总侵蚀量均表现为裸地植被覆盖小区。(5)裸地坡面侵蚀养分中DP,K~+,SEP和SEK含量均高于植被覆盖小区,其中裸地坡面侵蚀养分DP,K~+和SEK含量均显著高于植被覆盖小区(p0.05),而SEP含量二者差异不显著(p0.05)。(6)相关性分析表明降雨强度为75,100mm/h时,裸地和植被覆盖小区侵烛泥沙养分含量与泥沙流失量间的相关性明显优于降雨强度为25,50mm/h时,相同降雨条件下裸地侵蚀量与养分含量的相关系数基本高于植被覆盖小区。以上研究结果表明植被覆盖具有减沙减流、减少土壤侵蚀及养分流失等作用。     

坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性研究

针对降雨和床面大糙度共同作用下坡面降雨径流侵蚀不平衡输沙特性研究薄弱的问题,采用室内模拟降雨试验的方法,研究不同降雨强度和坡长条件下的坡面降雨径流侵蚀输沙特性。结果表明：（1）坡面为裸坡、坡度为10°条件下,径流含沙量随坡长的增加呈增大趋势,当坡长由1 m增加至8 m时,同一雨强下径流含沙量增大3.28~7.15倍;径流含沙量随雨强的增大而增加,当雨强由40 mm/h增大至120 mm/h时,同一坡长下径流含沙量增加1.41~2.97倍。（2）分析降雨径流侵蚀条件下,水动力学参数对坡面径流挟沙能力的影响发现,水流挟沙能力与流速的3次方成正比,与水力半径和沉速的乘积成反比,得到降雨条件下的水流挟沙能力计算公式。（3）研究坡面降雨径流侵蚀输沙的不平衡特性表明,雨强与恢复饱和系数之间呈幂函数关系,给出坡面不平衡输沙模型并进行验证,表明该模型可以较好地模拟坡面降雨径流侵蚀输沙沿程变化。研究结果可为预测坡面径流侵蚀输沙沿程变化及完善坡面径流侵蚀机理提供参考。     

间隔覆盖条件下塿土坡面产流状况模拟研究

采用间隔覆盖技术,利用室内人工模拟降雨实验对间隔覆盖塿土坡面产流动态变化过程进行研究。选取对坡面产流影响的主要因素坡度、降雨强度、覆盖面积比,通过正交试验设计,采用人工降雨的方法,探讨各因素对坡面产流的作用效应。结果表明,起始产流时间在各坡度间差异不明显;起始产流时间随雨强增大而减小,不同覆盖面积比条件下产流起始时间不稳定。当降雨强度和覆盖面积比一定时,累积径流量随坡度增加的趋势呈现一定不连续性,存在一个临界坡度;当覆盖面积比和坡度一定时,累积径流量不仅随雨强增大,而且与降雨历时呈现显著的线性关系,不同降雨强度条件下产流过程存在明显差别。不同覆盖面积比条件下坡面产流情况主要表现为累积径流量和径流速率均随覆盖面积比的增加而增加;雨水利用率与覆盖面积比及降雨强度等因素密切相关,降雨强度和覆盖面积比越大,雨水利用率越低。间隔覆盖法在降雨强度较小的情况下应用效果会更好。     

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。     

草地植被覆盖度坡度及雨强对坡面径流含沙量影响试验研究

为研究植被修复状态下径流含沙量变化。该试验运用人工模拟降雨试验方法,分析了径流含沙量草被调控效益变化。结果:1)不同降雨强度或坡度下,平均径流含沙量随草被盖度的增大而减小,草被盖度从30%~70%,含沙量分别降低约10或5 kg/m3,可用线性方程显著描述。草被消减雨强对径流含沙量影响大于草被消减坡度的。平均径流含沙量随降雨强度或坡度的增大而增大,分别可用幂函数或指数函数方程显著描述,决定系数在0.5或0.8以上。2)基于单位水流功率建立幂函数模型决定系数为0.940,模型有效系数为0.986,说明模型模拟精度都较高。3)基于坡度、雨强和盖度建立指数函数模型决定系数为0.937,模型有效系数为0.894,说明模型模拟精度都较高。该研究可以预测草地坡面含沙量,为生态建设和流域管理提供指导。     

黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程试验研究

采用人工模拟降雨试验方法对黄土坡面片蚀水流含沙量变化过程进行研究,结果表明:不同雨强和坡度条件下,片蚀水流含沙量变化过程均表现为先增大后减小,最终趋于相对稳定的趋势;片蚀水流平均含沙量随雨强和坡度的增大而增大,分别可用幂函数方程和对数方程描述;雨强和坡度对片蚀水流含沙量的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述,其中坡度对坡面片蚀水流含沙量的影响大于雨强;单位水流功率是与片蚀水流含沙量变化过程关系最密切的水动力学参数,是坡面片蚀水流含沙量变化过程发生发展的动力根源。     

黄土坡面土壤侵蚀动态变化过程试验研究

采用人工模拟降雨试验的方法对黄土坡面土壤侵蚀动态变化过程进行了研究.(1)不同雨强条件下,土壤侵蚀强度随降雨过程的动态变化趋势基本一致,整体皆随降雨历时的增长而递增,并皆可用对数线性组合方程很好地描述.开始降雨后的15 min和35 min是侵蚀强度随降雨过程变化的转折点;(2)不同坡度条件下,土壤侵蚀强度皆随雨强的增大而迅速增大,变化趋势基本一致,可用线性方程很好地描述;(3)不同雨强条件下,土壤侵蚀强度随坡度的增加表现为先增大后减小的趋势,可用对数线性组合方程很好地描述,25°左右是侵蚀强度发生变化的临界坡度;(4)不同雨强条件下,土壤侵蚀强度随坡长的增加整体表现为先增大后减小的趋势,可用对数线性组合方程很好地描述,坡长80 cm左右是侵蚀强度发生变化的转折点;(5)土壤侵蚀强度随雨强、坡度、坡长的动态变化可用三元线性方程描述,雨强对土壤侵蚀的影响远超过坡度与坡长,且坡度与侵蚀强度的关系较坡长为密切.     

不同降雨强度下地面坡度对红壤坡面土壤侵蚀过程的影响

通过室内模拟降雨试验,研究了不同降雨条件下地面坡度对红壤坡面产流过程和侵蚀过程的影响,结果表明,红壤坡面起始产流时间随坡度的增加有所提前,但不明显,坡面起始产流时间的早晚主要受降雨强度控制;坡面径流量随雨强的增大而增大,随坡度的变化比较复杂,在雨强为50mm/h时,径流量随坡度的增加而减小,在雨强为75mm/h时,径流量随坡度的增加先增大后减小;不同降雨强度下各坡度的侵蚀产沙率都是在降雨初期急剧上升,随后以指数下降,形成一个向左倾斜的曲线。坡度对坡面侵蚀产沙的影响随雨强的增大而增强;红壤坡面土壤侵蚀量随雨强的增大明显增大,随坡度的增加,在50mm/h小雨强时呈现先增加后减小的变化趋势,在坡度20°附近存在临界坡度;在75mm/h雨强下,侵蚀量随坡度增大而增大。     

雨强和植被覆盖度对红壤坡面产流产沙的影响

为探究雨强和植被覆盖度对花岗岩红壤坡面产流产沙的影响,通过室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(0.5,1.0,1.5 mm/min)和植被覆盖度(0,20%,40%,60%)下坡面侵蚀的产流、产沙规律及相关关系。结果表明:(1)同一雨强下,初始产流时间随植被覆盖度增加而延迟,并随雨强增大而提前,雨强越大,产流时间提前越明显;(2)各坡面径流率、侵蚀率随植被覆盖度增加而减小,且植被覆盖度越高,径流率和侵蚀率波动范围越小,侵蚀过程越稳定;(3)有植被覆盖的坡面,产沙主要以0.25 mm的水稳性团聚体为主,侵蚀泥沙中0.25 mm水稳性团聚体比重随雨强增大而增加,且增加的幅度随覆盖度的提高而减小;(4)雨强、植被覆盖度均与产流时间、径流率、侵蚀率呈现极显著相关关系(P0.01),且坡面产流过程与雨强变化的相关性大于其与植被覆盖度变化的相关性,坡面产沙过程与植被覆盖度变化的相关性大于其与雨强变化的相关性,不同雨强下植被覆盖坡面累积径流量和累积产沙量关系符合幂函数模型(R~20.98)。研究结果可为南方红壤丘陵区水土流失治理与生态恢复提供科学参考。     

坡面生物调控措施对土壤水分入渗的影响

为了研究不同生物调控措施的植被覆盖度、降雨强度和坡度以及各因素间交互作用对土壤水分入渗的影响,本文通过室外人工模拟降雨试验,对不同生物调控措施坡面的土壤水分入渗规律进行了探索。结果表明：1）有生物调控措施坡面的土壤稳定入渗率较裸坡偏大,且差异极显著,但生物调控措施坡面之间的差异并不明显。2）降雨强度、坡度与土壤稳定入渗率间不是线性单值函数,均存在使土壤稳定入渗率最大的临界雨强与临界坡度。稳定入渗率随植被覆盖度增加的速率是非恒定的,存在着增速变化的临界植被覆盖度。临界植被覆盖度前,稳定入渗率的增加速率很快,之后,迅速降低并趋于稳定。3）坡面径流调控度随雨强增大而减小;相同雨强下不同措施坡面径流调控度排序为：黑麦草＞春小麦＞苜蓿＞裸坡。4）采用SPSS软件通过逐步回归分析法提取了影响土壤稳定入渗率最显著的单因子交互作用项,建立了包含降雨强度、坡度和植被覆盖度在内的多因素非线性入渗模型,通过实测数据对其进行验证发现该模型精度较高。     

经济林地坡长对侵蚀产流动态过程影响的模拟试验研究

经济林经营是低丘缓坡土地利用的主要方式之一,对经济林坡地水土流失问题的研究已是南方水土保持工作的重中之重.为了研究低丘缓坡经济林地坡长对坡面侵蚀产流过程的影响规律.本研究以浙江省常山县胡柚林地为例,通过野外人工模拟降雨试验法,分析探讨了该经济林地的侵蚀产流情况.得结论如下:(1)相同坡长下,当雨强大于或等于1.8 mm/min时,累积径流量增幅较大;降雨12 min后,各雨强累积径流量增幅均较明显;随着坡长的延长其对坡面累积径流量的影响逐渐明显.(2)该经济林地坡面径流量随坡长呈每隔4m有规律的起伏变化,该结果启示我们,在坡面栽植经济林时.沿坡长按每隔4 m的规律进行布局.能有效减缓坡面径流的产生.(3)相同坡长坡面产流量随雨强增大总体上呈增加趋势,雨强1.45 mm/min大约是该地区经济林地侵蚀性降雨的分界点.(4)土壤初始含水率、雨强以及坡长对产流量的综合影响可以用线性相关方程描述,其中降雨强度对产流量的影响最大.愿此研究结论能为经济林坡地水土流失的防治提供借鉴.     

黄土坡面细沟水流含沙量变化过程试验研究

细沟侵蚀是我国黄土坡面主要侵蚀过程之一,阐明细沟水流含沙量变化过程对于揭示坡面细沟侵蚀产沙过程机理及治理坡面水土流失具有重要意义。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,对黄土坡面细沟水流含沙量变化过程进行研究。结果表明：（1）在不同雨强及不同坡度下,细沟水流含沙量随径流过程的变化具有很大的相似性,都随径流历时增长而逐步递增,可用幂函数方程很好地描述;（2）细沟水流平均含沙量随雨强及坡度的增大都相应增大,分别可用线性方程和指数很好地描述;（3）雨强及坡度对细沟水流含沙量的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述,其中雨强对坡面细沟水流含沙量的影响大于坡度的影响;（4）水流切应力是细沟水流含沙量变化过程关系最密切的水动力学参数,试验条件下细沟水流含沙量变化过程的发生发展根源于水流剪切力的动力作用过程。