黄土坡面细沟侵蚀带产流产沙模型研究

坡耕地细沟侵蚀的研究,不仅对防治坡耕地的土壤侵蚀、发展农业生产有重要的实际意义,而且对揭示坡面沟蚀的发展过程和坡耕地的土壤侵蚀本质有重要的理论意义.现今,将地貌学、水文水力学、泥沙运动力学、土壤侵蚀学等学科知识和研究方法相结合,来分析坡面流形成及坡地的侵蚀机制,探讨侵蚀变化过程的相关参数,是国内外坡地侵蚀研究的最新趋势之一.本研究在前人研究基础上,运用理论分析,通过室内放水模拟实验,主要研究了黄土坡面上细沟侵蚀过程的水力学机理,包括细沟侵蚀带坡面上的产汇流规律,细沟流的流态,细沟水力几何特征,细沟流内水流阻力规律,细沟冲刷率,并在这些研究基础上建立了细沟侵蚀带的综合产流模型及细沟侵蚀产沙的数学物理模型.主要成果有:     

黄土坡面细沟侵蚀发育过程与模拟

以坡面细沟侵蚀过程为研究对象,利用人工模拟降雨试验和三维激光扫描技术,研究了同一坡面三场间歇性降雨下细沟侵蚀发生、发展和演化的图形化过程;同时,采用已有细沟侵蚀过程模型(CARill),结合Net Logo软件,将试验结果与模型模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)扫描三场降雨图形化过程显示:侵蚀阶段呈现出溅蚀—片蚀—跌坑—断续细沟—连续细沟—细沟崩塌过程,沟长发育迅速,沟宽和沟深发育相对缓慢,细沟沟网形成迅速,降雨结束后侵蚀强度达到22.11 kg m-2,较初期降雨侵蚀增加了22.04倍。(2)CA-Rill模型模拟结果显示,在细沟侵蚀演化图形化过程方面,该模型可较完整地模拟细沟形态发育过程,实现细沟侵蚀的发生、发展以及演化过程中细沟形态的可视化模拟;(3)模型模拟三场降雨细沟侵蚀参数t检验结果发现:最长平均沟深、最大沟深、最长沟平均沟宽模拟效果不好;而细沟平面密度、最长沟长、侵蚀强度模拟效果较好。     

黄土坡面细沟侵蚀过程

采用具有定流量放水组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟侵蚀过程进行模拟试验。结果表明：不同坡度和不同降雨强度下,细沟侵蚀率都呈现随径流变化过程的递增而增大的趋势,并且幂函数方程可以较好地模拟出其变化过程,同时在径流变化过程中,不同坡度下细沟侵蚀率随径流过程变化的递增速率总体上大于不同降雨强度下的递增速率;细沟侵蚀模数随坡度及降雨强度的增大皆增大,可分别用对数方程及指数方程很好地描述,坡度及降雨强度对细沟侵蚀模数的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述;试验条件下,水流切应力是细沟侵蚀过程发生发展的动力根源。     

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。     

黄土坡面细沟发育及细沟与细沟间侵蚀比率研究

基于室内人工模拟降雨试验,采用三维激光扫描仪对坡面进行监测,研究了黄土坡面不同坡度(10°,15°,20°,25°)和雨强(90,120mm/h)下细沟发育过程、形态特征及细沟与细沟间侵蚀比率变化规律。结果表明:(1)随着坡度、降雨强度增大,坡面产流时间、细沟出现时间有减小趋势,断面流速有增大趋势;(2)黄绵土坡面细沟形态变化受降雨强度影响较小,受坡度影响较大。在10°,15°坡度条件下,受溯源侵蚀及沟道下切作用较强,形成的细沟长、窄,深;在20°,25°条件下,受沟壁坍塌作用影响较大,形成的细沟短、宽、浅;(3)采用多元回归方法对细沟与细沟间侵蚀比率与坡度、雨强、径流的关系进行拟合,拟合函数为幂函数方程,细沟与细沟间侵蚀比率随着坡度、降雨强度增大而增大。     

黄土坡面细沟流水动力学特性

我国是土壤侵蚀最严重的国家之一,黄土高原地区的水土流失造成严重的生态环境恶化问题.为探求黄土细沟流的水动力学特性,从水力学及河流运动力学的角度出发,系统研究6种坡度(2.、4.、6.、8.、10.、12.),5种流量(8、16、24、32和40 L/min)组合水槽冲刷试验条件下细沟水流水动力学特征.结果表明:细沟流平均流速与径流流量呈幂函数关系,坡度对其影响较小,其原因同水流强度与床面形态的相互制约有关;黏性底层厚度与坡度、流量均呈现负相关关系;阻力系数与雷诺数无关,说明水流强度增加的同时,床面形态发育愈显著,即水流耗散能量增加愈显著,其值在0.16 ～1.45之间变化.研究结果对细沟水流水动力学的探究具有一定的理论价值,进而对黄土坡面水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义.     

坡沟系统侵蚀产沙特征模拟试验研究

坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间，揭示其侵蚀产沙特征对于认识流域侵蚀产沙及建立流域土壤侵蚀预报模型有重要意义。采用放水冲刷法，通过2.125、3.205、5.250、7.185 L/min 4个不同的放水流量，在4 m长坡面(坡度为20°)和3 m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统上，对坡沟系统的侵蚀产沙特征进行了模拟试验研究。结果表明：对试验条件下的每一个放水流量来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势。沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水流量2.125 L/min时的38.13％，增加到放水流量7.185 L/min时的56.01％。对于黄土高原水土流失治理，单纯治坡或治沟均不能明显减少土壤流失量，采取坡、沟兼治才是有效减少土壤流失的有效措施。     

黄土坡面细沟侵蚀发育阶段的影响因素及其效应分析

通过组合不同坡度(10°,15°,20°,25°)、不同坡长(5,10 m)、不同降雨强度(1.5,2 mm/min)的室内纯净水模拟降雨试验,对坡面细沟侵蚀发生过程进行阶段划分,并探索分析各阶段影响因素及其效应.试验结果显示,细沟侵蚀可以分为面蚀、细沟雏形、细沟发育和细沟调整4个阶段;面蚀阶段的坡面平均含沙量随着坡度的增大呈增大的趋势,降雨强度在此阶段对坡面侵蚀速率影响较坡度影响明显;细沟发育阶段坡面侵蚀产沙比例占总侵蚀比例最大,坡面总侵蚀量与细沟发育阶段最大15 min侵蚀量之间呈线性关系.     

黄土坡面侵蚀过程实验研究

黄土坡地坡面侵蚀过程包括降雨过程中的产流产沙过程以及相应的坡面形态变化过程。该文主要研究产流产沙过程。在对国内外已有同类成果分析的基础上，为弥补现有成果的一些不足之处，设计了室内黄土坡面侵蚀模拟实验。实验分１０个组次对产流、渗流、产沙、沟道发育、沟与坡的侵蚀过程及其坡蚀量、沟蚀量、侵蚀过程中的微地貌现象直至坡形变化进行了详细测量与观察，获得了大量实测数据。关于坡面形态变化的讨论将在后文展开。本文及     

黄土坡面细沟侵蚀强度的空间分布及形态分异特征

为探索细沟侵蚀的空间分异特性,通过人工模拟降雨试验的方法,分析不同降雨强度和坡度下的坡面细沟侵蚀过程,探讨细沟侵蚀强度及形态在坡面尺度的沿程变化特征.结果 表明:随着坡度和雨强增加,细沟侵蚀量不断增大;在特定处理下,细沟侵蚀强度沿坡长方向均呈现出先增后减的规律;沟宽、沟深和细沟割裂度等细沟形态参数也表现为先增加后减小,...     

细沟侵蚀动力过程极限沟长试验研究

由细沟产生的野外动力条件,设计了室内细沟侵蚀模拟冲刷实验。从能量角度,分析了不同动力条件下侵蚀产沙量随沟长的变化规律。采用黄土高原黄绵土,在实验室内用水槽进行了5种坡度、3种流量下不同沟长时的细沟土壤侵蚀产沙的模拟侵蚀试验,测量沟长为0.5～8m。提出了由细沟侵蚀产沙随沟长变化函数关系的回归结果,在给定误差限下,估计水流含沙量达到极限值——水流输沙能力的细沟长度的计算方法。并据此方法,求得了不同坡度、流量条件下细沟侵蚀产沙达到极限值的细沟长度,且在不同水动力条件下的R²均大于0.81。     

Laboratory Studies on the Influence of Rainfall Pattern on Rill Erosion and Its Runoff and Sediment Characteristics

Rill is a major type of erosion on upland slopes. Continuous rainfall is commonly used in laboratory studies on rill erosion despite the fact the rainfall was often discontinuous in the field; this is particularly true in the Chinese Loess Plateau. This study compares rill erosion under continuous and intermittent rainfalls by using laboratory experiments. The experiments include two rainfall‐intensity treatments (90 and 120 mm h⁻¹) and two rainfall‐pattern treatments (continuous and intermittent). The results indicate that rill formation had a significant effect on runoff and sediment concentration. For continuous and intermittent rainfall at the rainfall intensity of 90 mm h⁻¹, the mean sediment concentrations were 1·91 and 1·73 times after rill initiation than those before rill initiation, respectively, and the rill erosion accounted for 75·5% and 77·7% of runoff duration, respectively. For continuous and intermittent rainfall at the rainfall intensity of 120 mm h⁻¹, the mean sediment concentrations after rill initiation were 1·38 and 1·32 times that those before rill initiation, respectively, and the rill erosion represented 88·7% and 78·8% of the total runoff duration, respectively. We observed sediment sorting under all treatments; however, the low rainfall intensity boosted but the high rainfall intensity lowered the clay fraction; in contrast, the sorting remained roughly the same between the rainfall‐pattern treatments. The runoff velocity also affected the sediment sorting. Our empirical results indicated the important significance of the rainfall intermittence in predicting rill erosion. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

黄土坡面细沟流速随细沟发育的特征

研究细沟流速特征是对细沟侵蚀发育机理探讨的必要方面,通过不同雨强(1.5,2.0,1.0mm/min)连续室内纯净水人工模拟降雨试验,分析不同坡度(10°,15°,20°,25°)、不同坡长(5,10m)条件下细沟流速随细沟发育的变化特征。结果表明,坡面发生细沟侵蚀且再降雨小于前降雨强度的条件下,细沟流速随时间变化的差异极小,可以利用坡面平均细沟流速进行此阶段的相关研究分析;相同降雨条件下,坡长对细沟流速的影响不显著,细沟流速与细沟流路之间的关系应作为进一步研究对象;细沟流速与坡度呈负相关关系,随着降雨进行,细沟的发育,相关程度逐渐增大。     

急陡黄土坡面细沟侵蚀的水动力学特性试验研究

通过组合不同坡度(25°,30°,35°,40°,45°,50°)、不同流量(0.6,1.0,1.5,2.0,2.5 L/min)的室内放水冲刷试验,对急陡黄土坡面细沟侵蚀发生过程中的细沟水动力学特性进行了研究。结果表明:细沟水流平均流速随细沟的发育呈现出先减小后稳定的变化趋势。细沟流的雷诺数Re在199.996～873.482变化,且主要受流量的影响,随着流量的增大呈线性关系;而弗劳德数Fr在整个细沟发育过程中均大于1,表明细沟流均处于急流范围,且与流量呈倒数关系,随着放水流量的增大Fr呈曲线减小。阻力系数f随着流量的增加而增大,且与雷诺数之间存在f=a·Re~-~b(a、b为系数)的幂函数关系。     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

细沟股流剥蚀率与载沙量以及沟长的耦合关系

土壤剥蚀是指由侵蚀动力引起的土壤颗粒从土壤母质移动的过程。细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少 ,已有的一些侵蚀模型 (如 WEPP)均提到了这一点。用黄土高原一种典型的粉壤土 ,在 5种坡度、3种流量下进行了细沟侵蚀模拟试验。对试验结果进行了回归 ,分析了黄土高原斜坡及陡坡地、细沟股流剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系。这对细沟侵蚀动力过程的研究深入 ,以及对侵蚀过程的预测预报提供了有力的参考依据     

黄绵土坡面细沟侵蚀剥蚀能力试验

为研究黄土坡面细沟侵蚀规律,探究水流剥蚀能力的室内测算方法,以黄绵土为研究对象,设置2,4,6,8 L/min 4个流量,5°,10°,15°,20°4个坡度,土槽长度为12 m,进行室内径流冲刷试验,得到黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长和输沙能力,基于二者之间的函数关系,推导出剥蚀能力的计算公式,以此研究不同试验条件下临界沟长、输沙能力和剥蚀能力的变化规律,并验证方法的准确性。结果表明：在设计水力工况条件下,黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长的变化范围在5.33～11.12 m,且临界沟长随流量和坡度的增加而缩短;输沙能力随流量和坡度的增大而增大;剥蚀能力与流量之间存在明显的线性关系,与坡度之间存在较好的对数关系。试验方法与其他方法相比,操作便捷、结果吻合度高,能较好地确定黄土区细沟侵蚀的剥蚀能力。研究结果可进一步完善黄土坡面细沟侵蚀理论。     

黄土坡面细沟水流流速试验研究

流速是最基本、最重要的水流水力学参数之一,阐明细沟水流流速变化的特征对于揭示坡面细沟侵蚀动力学过程机理具有重要作用。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对黄土坡面细沟水流流速进行了试验研究。结果表明:(1)细沟径流流速随径流历时的变化过程在不同雨强下不断递减,可用指数方程很好地描述,递减速率在产流后6min内较大,以后减小,各雨强下递减速率基本分别一致;(2)细沟径流流速随径流历时的变化过程在不同坡度下也不断减小,可用指数方程很好地描述,各坡度下变化趋势一致,整个径流过程中减小速率也基本一致;(3)细沟水流平均流速随雨强增大而增大,可用对数方程很好地描述;随坡度增大而增大,可用幂函数方程很好地描述;随雨强及坡度的变化可用二元对数方程描述。