移动降雨条件下坡面产流产沙过程试验研究

通过对降雨移动方向上不同雨强和降雨历时的研究,揭示移动降雨坡面产流产沙关系及其变化规律,采用2个降雨移动方向(沿径流向上和向下移动)、2个雨强(1.35,2.75mm/min)和2个降雨历时(60,120min)在室内进行模拟移动降雨试验,分析不同降雨移动方向、不同雨强和降雨历时坡面产流产沙特征。结果表明:(1)向上移动降雨,相同历时(相同雨强)条件下,大雨强(长降雨历时)初始产流时间为140s(240s),比小雨强(短降雨历时)提前165s(65s)。(2)向下移动降雨,雨强越大,降雨历时越短,产流产沙曲线越陡峭;产流量和产沙量达到峰值的时间一致。(3)与向上移动降雨相比,向下移动降雨初始产流平均时间、产流和产沙达到峰值的平均时间分别滞后了2 210,2 468,2 948s;产流总量和产沙总量分别减少了13.08%~74.90%和42.95%~84.24%,但产流和产沙峰值大小没有明显变化规律。(4)不同降雨移动方向,坡面累计产沙量和累计产流量之间的函数表达式不同。     

天然降雨条件下横垄与顺垄坡面产流产沙过程

试验以天然降雨为侵蚀动力,采用标准径流小区法,对比研究了连续型降雨与间歇型降雨条件下横垄与顺垄玉米径流形成和泥沙迁移规律。结果表明:连续型降雨产流过程形态呈"W"或倒"V"形,产沙形态呈"W"或"M"形;顺垄产流与产沙时间长度一致,产流总量和产沙总量分别是横垄的1.66~5.80倍和5.02~5.52倍;顺垄与横垄产流产沙峰值差异显著,仅横垄与雨强存在错峰现象,延后1min。间歇型降雨产流形态为倒"V"形,产沙形态呈倒"V"或"M"形;顺垄产流和产沙总量分别是横垄的1.83倍和2.32倍;首次产流量占总量的70%以上,产沙量占总量的94%~100%,且横垄和顺垄与雨强均存在错峰现象,顺垄产流和产沙量较雨强延后1~4min,横垄延后1min;除首次产流外,其余产流产沙过程时间较短均无错峰现象。天然降雨条件下,横垄与顺垄产流产沙过程较为复杂,研究结果可为区域坡地水土流失防治及水土资源管理利用提供理论依据。     

整地与植被调整对紫色土区坡面产流产沙的影响

基于川北紫色土区3个径流小区整地前后近20a实测数据,通过建立降雨因子和产流产沙的关系对其降雨特征及产流产沙规律进行对比研究。结果表明:整地后年均降水量较整地前减少约10%,但径流系数和含沙率分别减少了88%和83%。其中,自然破坏小区经过混交造林调整后产流、产沙分别减少95%和88%(P0.05),封坡育草小区经过人工补植调整后分别减少90%和80%,荒坡垦种小区经过青砖护埂调整后分别减少78%和81%,说明混交造林水土保持效果最明显。整地前产流、产沙均表现为荒坡垦种自然破坏封坡育草,整地后表现为青砖护埂人工补植混交造林;荒坡垦种小区与其他小区间整地前后产流产沙差异均显著(P0.05);由产流产沙量与降雨特征指标的相关分析和回归分析可知,整地后的相关系数均较小,且产流的相关性明显高于产沙。说明降雨因子对整地后的产流、产沙影响较小,水土保持措施起到关键作用。植物措施和耕作措施结合有效减少该区的产流产沙量,可在该区水土保持建设中推广应用。     

西南地区几种典型边坡植被的护坡效益分析

植被对边坡防护有着非常重要的作用,但其防护效果易受配置模式及建植年限的影响。以西南地区5种典型边坡植被配置模式为对象,比较了不同配置模式的护坡性能及建植年限等因素所致的年际间差异。坡上设景观过渡带（株行距分别为0.5 m×0.5 m,0.05 m×0.1 m的小乔木、地被植物）,坡下为不同配置的坡面防护带（喷播密度为10 g/m²的灌木、草本植物）:M₁为慈竹—野牛草,M₂为小冠花—紫羊茅,M₃为苜蓿—狗牙根,M₄为小冠花—黑麦草,M₅为黄荆—狗尾草。测定了成渝高速永川段2012—2014年各植被配置模式在自然降雨条件下的产流、产沙特征。结果表明:（1）建坪初期,狗尾草所在群落（M₅）生长快、成坪早,在2012年汛期即呈现较强的护坡性能:蓄水、保土能力分别达到59.14%,96.22%,产流量、产沙量（61.2 mm,52.0 g/m²）也明显低于其他小区（p < 0.05）;狗牙根、黑麦草等多年生草本所在群落成坪迟、生长慢,护坡性能普遍较差。（2）2013年汛期,M₁—M₄的护坡性能较2012年明显提高,以M₃,M₄最为显著。（3）2014年汛期,具有发达根系的狗牙根所在群落护坡性能最强:蓄水、保土能力分别达到80.03%,98.49%;M₅的护坡性能最差,其产流量、产沙量（62.1 mm,150.33 g/m²）也明显高于其他观测区。相同降雨条件下,边坡植被的护坡性能与群落结构有关,即建坪初期与地上生物量大小正相关,之后与根系重量正相关。     

野外模拟降雨条件下径流小区产流产沙试验研究

降雨引起的侵蚀产沙,是全球性的严重环境问题之一,在我国黄土区表现尤为突出。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科学依据。利用野外模拟降雨试验研究了不同坡度、土地利用类型和雨强下径流、侵蚀产沙规律及相关关系。结果表明:在降雨过程中,产流时间随坡度、雨强的增大而变短,裸耕地产流时间短于自然草地。径流量随产流历时增加而增大,且坡度、雨强越大其值越大。产流过程中侵蚀产沙量呈先陡增、再陡减、最后趋于稳定的现象;坡度、雨强越大产沙量的峰值越大,峰值出现时间也相应提前。自然草地侵蚀产沙量极少,草地起着重要的固沙作用。建立径流与产沙回归关系,产沙量与径流量呈二次多项式函数关系,揭示了降雨过程中产流产沙变化规律。     

不同植物配置模式对人工边坡减流减沙效益的影响

[目的] 探讨不同植物模式（混草、花草、灌草、乔草）及配置比例对生产建设项目人工边坡水土流失的影响,为人工边坡植被恢复提供参考。[方法] 采用径流小区定位观测法,记录2019年1—12月自然降雨,研究4种植物模式的产流产沙特点,揭示4种植物模式的减流减沙效益。[结果] ①观测期内总降雨量为1 052.73 mm,总降雨历时为845.1 h,7月降雨量最大,2月降雨历时最长,降雨集中在1—7月,以中雨、大雨、暴雨为主。②每场降雨产流差异大,产流月季差异大,集中在2—4月及7月,多发生在中雨、大雨和暴雨情况。③每场降雨及月、季降雨之间产沙差异大,3月产沙最大,产沙集中在2—4月及7月,多发生中雨、大雨和暴雨。④以花草模式为对照,每场降雨条件下灌草模式的减流率最大,乔草模式的减沙率最大,月降雨累计条件下,混草模式减流率最大,乔草模式减沙率最大,不同降雨等级累积和全年累积条件下,乔草模式的减流减沙率最大。[结论] 植被恢复初期,受植被覆盖度差异影响,乔草模式、混草模式的减流减沙率较大,具有较好的固土保持效益。     

淮北平原黄潮土多雨强变坡度产流产沙规律试验模拟

针对淮北平原黄潮土水土流失严重的问题,为揭示其产流产沙规律,利用五道沟水文实验站大型人工模拟降雨径流试验场,开展了40,60,80mm/h 3个雨强及5°,10°,15°3个坡度产流产沙规律试验模拟。结果表明:坡面初始产流时间随坡度、雨强的增大而缩短,雨强、坡度越大缩短越不明显;单位时间产流、产沙量随降雨时间变化的转折点在产流后6～15min,单位时间产流量随降雨时间变化表现为前期快速增加,中期缓慢增加,后期平稳,其中40,60mm/h雨强单位时间产流量随坡度增加而减小,80mm/h雨强随坡度的增加而增加;单位时间产沙量随雨强、坡度的增大而增大;不同坡度累计产沙量及产流量随降雨时间变化呈幂函数或线性函数关系(R20.99);坡度及雨强与坡面产流、产沙总量分别呈多元线性和多元幂函数关系。     

大别山区不同降雨和植被条件下梯地产流产沙特征

大别山区是国家水土保持重点建设工程的主要区域之一,为探究不同时间尺度下不同降雨等级和植被类型对产流产沙影响,基于霍山县水土保持试验站2011—2018年的试验小区自然降雨及产流产沙量观测数据进行了定量分析。结果表明:(1)在次降雨事件的时间序列分析中,2011—2018年次降雨存在雨量更大、雨势更急的趋势,茶叶相对于黄豆等其他植被,具有显著的保沙能力,且其减沙效益高于减流效益,8年的黄豆种植使得土壤侵蚀愈发严重。(2)在99%的置信水平下,黄豆的产沙风险是茶叶的21.29倍。(3)随着降雨等级提升,产沙风险也逐步提升,其中暴雨和大暴雨产沙风险较其他降雨等级显著提升。(4)茶叶出现产沙与瞬时雨强相关,雨强对产沙的重要性高于雨量,黄豆多由产流而导致产沙,雨量对产沙的重要性高于雨强,各因子对茶叶的评价平均精度高于黄豆。(5)黄豆处于三叶期—开花期和结荚期—成熟期时具有较好的保水保沙效益,而三叶期—开花期产流产沙峰值主要由于高水平的雨量雨强导致。研究结果较好地显示了茶叶和黄豆在不同降雨及生长状态下的产流产沙特征及影响因素,可为大别山地区以减少水土流失为目的的植被种植与管护提供科学依据。     

大别山南麓裸地小区径流泥沙过程对降雨特征的响应

作为水土流失重点预防保护区,大别山南麓裸地坡面水土流失严重,为探究该区典型裸地坡面径流泥沙对降雨的响应,利用自动化径流泥沙监测设备对裸地径流小区的降雨—径流-泥沙过程进行监测。以2020年全年侵蚀性降雨数据为基础,依据降雨峰值时序划分雨型,分析了4种雨型的累计产流产沙特征和次降雨的径流泥沙特征,并建立了累计产流产沙的最优函数模型。结果表明:(1)大别山南麓降雨事件的I₃₀是影响降雨事件的泥沙量和径流系数的重要因素;前期集中型和中期集中型降雨事件的泥沙量与前48 h内的降雨量呈显著正相关。(2)不同雨型下产流产沙过程有显著差异,但径流泥沙指标的差异不显著。不同雨型下累计产流产沙的最优模型为Logistic模型。(3)不同雨型下,雨强、产流率和产沙率的变化趋势和峰值出现规律存在一致性,也存在产沙产流过程滞后于雨强变化过程的现象,产沙滞后多出现在前期集中型降雨,产流滞后多出现在中期集中型和后期集中型降雨。研究结果揭示了降雨-产流-产沙相互关系,对该区域坡面水土流失防治具有一定的科学指导意义。     

紫色土区玉米季坡耕地片蚀过程研究

通过采用人工模拟降雨与微小区试验相结合的方法,研究玉米种植下紫色土坡耕地片蚀过程,分析雨强变化对片蚀产流产沙的影响。结果表明:随着雨强增加,玉米各生育期片蚀出现时间不断提前,片蚀过程产流总量不断减少,产流强度不断增加;含沙量和产沙强度不断增加,但增幅有所降低。不同雨强条件,片蚀出现时间均表现为抽雄期拔节期苗期成熟期;1.0mm/min,2.0mm/min雨强条件,片蚀过程径流总量和产流强度均表现为成熟期苗期拔节期抽雄期;1.5mm/min雨强条件,表现为成熟期拔节期苗期抽雄期。1.0mm/min雨强条件,产沙强度表现为苗期成熟期拔节期抽雄期;1.0mm/min雨强含沙量及1.5mm/min,2.0mm/min雨强含沙量和产沙强度均表现为苗期拔节期成熟期抽雄期。不同雨强下,玉米各生育期片蚀过程中地表产流产沙过程均呈波动变化。     

黄土丘陵沟壑区不同草本植物生长期植物纤维毯对沟道边坡产流产沙的影响

为探究植物纤维毯在黄土丘陵沟壑区的适用性以及不同植物生长期植物纤维毯的水土保持效益,以内蒙古呼和浩特市清水河县为研究区,采用野外人工模拟降雨试验方法,对植物生长期为58,81,132天的直播草本边坡和植物纤维毯边坡径流产沙进行模拟试验。结果表明:(1)植物纤维毯护坡措施可显著延长边坡产流时间,并且产流时间随着植物生长期的增加而增加。在植物生长期为58,81,132天时,植物纤维毯边坡产流时间分别为86,110,243 s,明显大于裸坡(50,70,111 s)和直播草本边坡(73,83,123 s)。(2)随着植物生长期的增加,植物纤维毯边坡径流量从13 125 mL降至5 478 mL,产沙量从73 g降至22 g;直播草本边坡径流量从25 573 mL降至14 340 mL,产沙量从201 g降至82 g。(3)植物纤维毯护坡措施减流效益为55%～78%,减沙效益为71%～89%。(4)坡面植被高度、盖度是植被生长状况中影响径流产沙的主要因子,径流量、产沙量与植被高度和盖度呈多元线性函数关系。植物纤维毯能够有效降低黄土丘陵沟壑区沟道边坡土壤侵蚀,减少产流。     

模拟降雨条件下植被调控坡面水沙输出过程研究

为研究不同植被覆盖对坡面水沙输出过程调控效应,本文通过人工模拟降雨试验的方法,对3种典型的乔木灌木草本植被即构树、荆条和黑麦草,在坡度10°、降雨强度30 mm/h和坡度20°、降雨强度30 mm/h条件下的水沙输出的过程进行了试验研究,并对结果进行了综合分析。研究结果表明:3种植被整个产流过程的径流量均呈现先上升后逐渐稳定的趋势,产沙量呈先上升后下降,再逐渐保持稳定的趋势;构树、荆条和黑麦草均对坡面产流产沙过程有良好的调控能力,能够减少径流量和产沙量,其中黑麦草对产流和产沙均表现出较强的调控力,其次是构树,荆条最差。在对坡面径流流速的调控方面,流速整体呈现先增加后稳定的趋势,三者对径流流速的调控能力:黑麦草荆条构树。     

模拟降雨下林下覆被结构对产流产沙过程的影响

植被具有良好的水土保持效益,深入了解覆被结构特征与产流产沙关系是研究植被防蚀功能的基础。以鄂中地区典型森林植被为对象,通过人工模拟降雨试验研究5种覆被结构(灌木、草本、枯落物、灌木+草本、灌木+草本+枯落物)和侵蚀性降雨(60,90,120 mm/h)对坡面侵蚀产沙过程的影响。结果表明:(1)坡面产流率、产沙率随降雨时间先迅速增大,后缓慢增大,最后达到稳定趋势。降雨强度是坡面侵蚀产沙的主导因素,与产流时间、产流率和产沙率呈显著正相关关系(p＜0.01)。(2)在有/无枯落物存在的情况下,植被覆盖度、植株密度分别是坡面产流产沙的主要影响因素。径流含沙量在不同覆被结构覆盖下表现为:草本＞灌木＞枯落物＞灌木+草本＞灌草枯。(3)结构特征参数对产流产沙影响的优先等级为覆盖度、生物量、植株密度、多样性指标,即水平结构＞竖直结构＞物种组成＞空间格局。研究结果旨在揭示覆被结构对坡面侵蚀产沙的作用机理,为南方林地土壤侵蚀模型的构建提供科学参考。     

地面覆盖条件下雨强和坡度对红黏土坡面侵蚀过程的影响

为揭示地面覆盖条件下第四纪红黏土坡面在不同雨强和坡度时的侵蚀变化规律,选取3个降雨强度(1.0,1.5,2.0 mm/min)和3个坡度(10°,15°,20°),通过人工模拟降雨试验,分析坡面产流、产沙、入渗特征,并以15°为例计算覆盖坡面的减流减沙效益。结果表明:(1)坡面产流时间随雨强和坡度增加而提前,覆盖对产流时间有明显的滞后作用,雨强的增加会削弱覆盖延缓产流的作用;坡面径流率呈现前期增长,后期趋于稳定的变化特征;(2)当坡度一定,雨强从1.0 mm/min增加至2.0 mm/min,累积侵蚀量增加1.89～2.96倍;雨强一定,坡度从10°增加至20°,累积侵蚀量增加1.91～3.45倍;(3)坡面初始入渗率和入渗总量随坡度的增加而减小,而雨强的增大会增加坡面初始入渗率,减少入渗总量;(4)15°条件下覆盖坡面的径流量和泥沙量较裸坡平均减少50.26%和95.31%,松针覆盖的水土保持效益显著,且减沙效应大于减流效应;(5)坡度对覆盖坡面累积产流量和累积产沙量的影响程度大于雨强,不同雨强、坡度下累积径流量与累积产沙量呈现幂函数关系(R~20.97)。研究结果可为南方红壤丘陵区林下水土流失治理与生态恢复提供参考。     

红壤丘陵区坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响

坡长对坡耕地土壤侵蚀的影响随雨强的不同而变化,为解决南方红壤丘陵区坡耕地水土流失问题,该文采用野外人工模拟降雨的方法,研究了南方红壤丘陵区作物覆盖坡耕地上不同雨强下坡长对其土壤侵蚀的影响,并探讨了侵蚀增强的临界雨强和设置水土保持措施的合理坡长,结果表明:产沙量随坡长延长整体呈增大趋势,但存在一定的波动,二者的关系可用幂函数(决定系数0.84)表示。坡长延长相同长度时,产沙量不呈比例增加,但每隔4 m产沙量增量有减少的趋势,且径流侵蚀产生的泥沙中主要为粒径0.002~0.02 mm的粉粒及粒径0.002 mm的黏粒,加剧了耕地土壤粗化,因此,可每隔4 m设置水土保持措施,有效减少坡耕地水土流失。坡面径流侵蚀产沙量随着雨强的增大而增加,坡长越长,产沙量随雨强增加速度越快,二者呈幂函数关系(决定系数0.76),60 mm/h是红壤丘陵区侵蚀增强的临界雨强;雨强、坡长与产沙量均呈正相关关系,且雨强对坡耕地产沙量的影响较坡长大。对不同雨强下坡长对作物覆盖坡耕地土壤侵蚀的影响研究,可以为南方红壤丘陵区坡耕地水土流失的治理提供一定的理论依据。     

汾河上游不同土地利用方式对坡地水土流失的影响

以汾河上游阳坡小流域为研究区,在2015—2017年进行了天然降雨条件下的坡面产流产沙小区试验,结果表明:(1)研究区的侵蚀性降雨在年内和年际间分布很不均匀。少数几次强降雨对降雨侵蚀力的贡献很大。(2)不同侵蚀性降雨条件下,鱼鳞坑+乔木或灌木拦蓄径流或泥沙能力最强,裸地最弱;坡面产流量大小依次为:裸地坡耕地草地油松黄刺玫鱼鳞坑+油松鱼鳞坑+黄刺玫。坡面产沙量大小规律为:鱼鳞坑+乔或灌草地乔或灌坡耕地裸地。(3)随着雨量增加,各植被小区的径流调控率和泥沙调控率均呈下降趋势;相近雨量时,随着雨强的增加,径流调控率和泥沙调控率明显下降。(4)各小区的降雨量和产流量、产流量和产沙量之间呈现显著正相关(P0.05)。在裸地、黄刺玫及草地小区,I30与产流量之间是均无显著相关。在裸地、油松、黄刺玫、耕地小区,I30和产沙量之间无显著相关。     

茵陈蒿群落垂直结构对坡面产流产沙过程的影响

为探究茵陈蒿群落不同垂直结构对产流、产沙过程的影响,利用人工模拟降雨试验的方法,研究了不同垂直结构的茵陈蒿群落坡面侵蚀过程。结果表明:在植被盖度相同条件下,茵陈蒿多层群落结构(茵陈蒿+狗尾草+生物结皮)和双层群落结构(茵陈蒿+生物结皮)的减流、减沙效果显著优于单层群落结构,二者的减流效益分别为40.5%和22.6%,减沙效益分别为86.6%和73.5%。不同垂直结构的茵陈蒿群落累积产沙量均可表示为累积产流量的幂函数(R~20.98),表现为累积产沙量随累积产流量的增加而增加,且随群落结构层数的增加,3种垂直结构群落的累积产沙量增幅减小。植物根系可以改善土壤结构,增加降水入渗,减少地表径流,是影响产流、产沙过程的关键因素。因此,群落垂直层次多、组分复杂、整体预防水土流失的能力也相应较强。对易于形成植被空层的草地群落,应当重视其低层植被建设,加强草地群落垂直结构及其水土保持功能的相关研究,以期为黄土高原草地植被恢复和结构配置优化提供理论依据。     

湘中低山丘陵区坡面产流输沙对降雨、土壤类型及水保措施的综合响应特征

针对湘中低山丘陵区地形地貌条件多样、水土流失影响机制复杂的问题,选取湖南省中部井头(黄壤)、秋波(紫色土)以及莲荷(红壤)3个径流场不同水土保持措施径流小区,综合探究湘中丘陵区不同土壤类型、水土保持措施以及侵蚀性雨型等因子对坡面产流输沙规律的影响特征。结果表明:在年降水量相近的条件下,年径流深和年侵蚀量均为红壤紫色土黄壤;各水保措施小区的减流效益较差,但其减沙效益较好,以黄壤草地措施、紫色土水保林以及红壤经果林和草地措施减沙效益较为明显,年侵蚀减沙率分别达87.89%,55.88%,37.99%和41.07%;大雨强、短历时、低雨量、高频率的降雨占各小区侵蚀降雨场次的比例均在50%以上,该类降雨也是黄壤和红壤各小区坡面产流输沙以及紫色土各小区产流的主导雨型。中雨强、长历时、高雨量、低频率降雨是引起各小区单次降雨径流泥沙流失量最大的雨型。研究结果对完善水土流失的相关理论和规律具有重要的意义,对区域水土保持工作的开展提供了重要的指导作用和理论价值。     

红壤侵蚀退化坡面植被恢复过程中的水土保持效益演变

为探究花岗岩红壤侵蚀退化坡面植草措施实施中植被在不同生长阶段水土保持效益的演变规律，设置条带型（D1）、随机型（D2）、斑块型（D3）3种不同植草格局坡面，并以侵蚀退化裸地坡面（CK）作为对照开展试验，在天然降雨条件下监测整个植被生长过程中的坡面土壤侵蚀变化特征。结果表明：（1）植被的生长可显著提升坡面的水土保持能力，随着植被生长阶段的推进，坡面的产流产沙量明显下降，减流效益达20.74%~79.03%，减沙效益达97.42%~99.40%，但在不同降雨类型下，随着植被生长，坡面减流减沙效益表现出的递增变化规律具有差异。（2）植被生长能逐渐削弱降雨因素对坡面产沙的影响，使得坡面减沙率在不同雨型间的差异逐渐减小，最终稳定在一个较高水平，不同雨型间坡面减流率的差异在植被生长各时期皆较大。减流率、减沙率与植被生长时间二者之间存在对数函数关系，相关系数分别大于0.491和0.792。植被生长指标（分蘖数、盖度、株高）与坡面产流产沙量之间呈显著或极显著负相关关系。（3）从整个植被生长过程来看，3种植草格局的水土保持效益大小表现为D1>D3>D2，在植被生长的前期以及前中期，高植株密度的分布格局强于低植株密度分布格局，后期各格局差异较小。研究结果为南方红壤水土流失区严重侵蚀退化地植被恢复提供科学依据及技术支撑。