黄土坡面侵蚀方式演变与侵蚀产沙过程试验研究

利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法,研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响,分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,坡面侵蚀发育初期,沟头溯源侵蚀占主导地位,侵蚀产沙量呈增加趋势;坡面侵蚀发育中期,沟蚀的宽度和深度变化已属于切沟形态发育的范围,导致了侵蚀产沙量的急剧增加;坡面侵蚀发育后期,沟蚀发育过程处于后期稳定阶段,侵蚀产沙量变化伏动较小。在坡面侵蚀发育初期、中期和后期,沟蚀分别占坡面总侵蚀产沙量的28．7％,70．4％和37．1％。     

黄土坡耕地径流水力学参数与侵蚀产沙的模拟

为了明确连续降雨条件下黄土坡耕地微地形的径流产沙及水力学特征,基于4种坡度(5°,10°,15°,25°)、4种耕作方式(直线坡、人工锄耕、人工掏挖、等高耕作)和2种雨强(60mm/h,120mm/h)的组合,通过室内模拟连续90min降雨试验,对不同坡面的径流泥沙特征和水力学参数进行了定量分析和计算。结果表明:4种耕作措施的径流量和产沙量均遵循一致的规律,从大到小均为直线坡人工锄耕人工掏挖等高耕作,直线坡的径流量和产沙量分别是等高耕作坡面的2倍和2.3倍,其水土保持效应依次增强;相同耕作方式下,与60mm/h雨强相比,120mm/h雨强下的径流量由1.04kg/min增大到3.02kg/min,雨强对径流量的影响显著;径流量和泥沙量随时间均呈现对数变化趋势;相同降雨历时下,坡面流随雨强和坡度的增大,从层流和缓流向紊流和急流发展,加剧了水土流失。耕作方式、雨强和坡度是影响黄土坡耕地侵蚀产沙过程及水力学特征的重要因素。因此,通过实施有效的保护性耕作、削弱坡度效应将有助于黄土坡耕地的水土保持。     

黄土坡面侵蚀方式演变与侵蚀产沙过程试验研究

利用自行设计的双土槽径流小区系统和人工模拟降雨试验研究方法,研究了坡面侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙量的影响,分析了沟蚀发育不同阶段对坡面侵蚀产沙的贡献。结果表明,坡面侵蚀发育初期,沟头溯源侵蚀占主导地位,侵蚀产沙量呈增加趋势;坡面侵蚀发育中期,沟蚀的宽度和深度变化已属于切沟形态发育的范围,导致了侵蚀产沙量的急剧增加;坡面侵蚀发育后期,沟蚀发育过程处于后期稳定阶段,侵蚀产沙量变化伏动较小。在坡面侵蚀发育初期、中期和后期,沟蚀分别占坡面总侵蚀产沙量的28.7%,70.4%和37.1%。     

黄土区野外模拟降雨条件下坡面径流—产沙试验研究

降雨及径流所引起的水力侵蚀产沙问题,是当今世界上最大的环境问题之一。通过野外模拟降雨试验,研究不同雨强下不同下垫面降雨侵蚀产流、产沙、入渗等的相关规律。研究结果表明:雨强90mm/h时,原生地径流量最大,达到28.4L/min,林草地径流量最小,在4.1～7.6L/min之间波动,雨强120mm/h时规律保持一致,原生地达到36.05L/min,林草地为6.85～10.88L/min;产沙量规律为荒地最大,林草地最小,荒地在两种雨强下产沙量分别为45.77～252.94g和52.76～162.48g,林草地分别为2.82～6.99g和7.33～40.24g;入渗规律为林草地最大,原生地最小,其中小雨强时林草地入渗率为1.18mm/min左右,原生地为0.09mm/min左右,大雨强时林草地为1.42mm/min左右,原生地为0.12mm/min左右。这些规律之间均有很好的相关性,产沙量与径流量大时其入渗率就小。说明地表有植被覆盖时可以增大入渗率,减小径流,产沙量。雨强不同时其规律保持一致。该研究对于深入理解流域产流产沙过程具有十分重要意义,可为相关的模型研究提供可靠的试验支持,也可为今后水土保持与生态建设提供重要科学依据。     

流域次降雨侵蚀产沙的BP神经网络模拟

在分析黄土高原韭园沟流域多年观测资料的基础上,应用BP神经网络建模方法,建立了流域次降雨侵蚀产沙的神经网络模型。通过输入模型变量流域次降雨量、平均降雨强度、径流深和洪峰流量模数,对流域次降雨侵蚀产沙量进行了训练和预测。预测结果表明,所建BP神经网络模型预测精度较高,可近似揭示复杂非线性流域次降雨侵蚀产沙系统的产沙规律,为建立较高预报精度的黄土高原流域次降雨侵蚀产沙预报模型提供了依据。     

模拟降雨条件下红壤坡面侵蚀产沙水动力学特征

[目的]对红壤坡面侵蚀过程中的产流、产沙以及坡面径流水动力学参数进行试验研究,为揭示红壤坡面侵蚀产沙机理提供科学依据。[方法]以我国南方侵蚀性红壤为研究对象,采用人工模拟降雨法,通过不同坡度(6°,10°和15°),不同雨强(120,180和240 mm/h)条件下的模拟试验分析红壤坡面产流产沙过程及径流水动力学特征。[结果]在坡度一致时,坡面累积径流量和累积产沙量均随雨强的增大而增大,径流率表现为初期的波动增长,随降雨进行逐渐达到稳定状态,且径流率随坡度增大而增大;坡面产沙过程受坡度和雨强的双重影响;侵蚀产沙率呈降雨初期急剧上升,随后迅速下降并趋于平稳的趋势。试验坡面的径流水动力学特征表明,阻力系数f与雷诺数R_e无明显的相关关系,但与弗洛德数F_r存在显著的指数关系。[结论]径流水动力学参数与侵蚀产沙量之间存在明显相关关系,相比较而言,径流雷诺数R_e与坡面侵蚀产沙量间的关系最密切。     

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。     

模拟降雨条件下地貌发育与侵蚀产沙的关系

地貌是影响流域侵蚀产沙的关键因素之一,为了进一步研究地貌发育与侵蚀产沙的关系,该文以小流域概化模型为对象,运用模拟降雨试验方法,以高精度摄影测量和GIS技术为手段对流域地貌发育过程及侵蚀产沙强度变化规律进行了研究。结果表明,产沙速率（Gt）、降雨产沙强度（Gp）和平均输沙强度（M）都随着流域地貌发育过程呈现先增大后减小的变化趋势;在流域地貌发育过程中,存在临界地面裂度（32%左右）和临界相对体积（65%左右）,使降雨产沙强度和平均输沙强度的变化趋势由递增变化为递减。这种临界现象对更深入地研究流域地貌发育及其与侵蚀产沙的关系具有重要理论意义,同时说明地面裂度和相对体积可以作为流域发育程度的指标。     

交替冻融对坡面产流产沙的影响

冻融作用使土壤更容易成为侵蚀的物质来源,进而加剧土壤侵蚀程度。为了揭示冻融作用对坡面土壤水蚀的影响,该文通过室内交替冻融循环试验和人工模拟降雨试验,研究了交替冻融作用下坡面的降雨产流产沙特征。试验以未经过任何冻融作用的风干土壤为对照,设计了2种交替冻融循环周期处理(3和6)、2种土壤质量含水率水平(10%和20%)、4种降雨强度(25、50、75、100 mm/h)。结果表明,相对于对照,降雨强度相同时,2种土壤含水率下的交替冻融作用都可以使产流产沙强度增大,且产沙强度的增大幅度大于产流强度。交替冻融循环周期相同时,各降雨强度下的产流产沙强度随含水量的增加而增加。质量含水率相同时,各降雨强度下的产流产沙强度随冻融循环周期的变化相对较为复杂,当质量含水率为10%时,产流产沙强度随冻融循环周期的增加而增大,当质量含水率为20%时,产流产沙强度随冻融循环周期的增加而减小。当质量含水率为10%,交替冻融循环周期为3和6时,增流百分比分别为3.52%、4.71%,增沙百分比分别为6.13%、16.95%。当质量含水率为20%,交替冻融循环次数为3和6时,增流百分比分别为10.24%、5.01%,增沙百分比分别为81.99%、53.07%。相同降雨强度下,土壤质量含水率对产流产沙强度的影响大,交替冻融作用对产流产沙强度的影响小。该研究为冻融侵蚀机理的研究提供参考依据。     

山丘区小流域降雨侵蚀及产沙模型研究

该文选用山东省有代表性的福山小流域试验资料，对山丘区小流域降雨侵蚀和产沙规律进行了研究，提出了山丘区小流域降雨侵蚀的产沙模型。不仅为小流域综合治理提供了科学依据，还可满足小流域河流产沙预测预报的要求。     

解冻期覆沙黄土坡面能量参数与径流产沙关系

为探究春季解冻期覆沙黄土坡面能量参数动态响应时空演化过程,在相同放水流量(1 L/min)条件下,采用2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3 cm)进行室内模拟冷冻和放水冲刷试验,系统分析了径流流速(V)、径流功率(W)、单位径流功率(P)和径流动能(E)在不同土壤处理和不同覆沙厚度条件下的时空演化过程。结果表明:(1)不同处理下的径流流速随产流时间的延长总体呈下降趋势,随着距坡顶距离的增大总体呈增大趋势。未冻坡面和冻结坡面径流流速的均值在0.23~0.35,0.18~0.35 m/s变化。径流深的时空变化规律与径流流速相反,未冻坡面和冻结坡面的值分别在0.36~1.32,0.46~2.89 mm变化。(2)未冻坡面和冻结坡面径流功率的变化范围分别为0.22~0.82,0.29~1.13 N/(m·s)。不同处理下的单位径流功率随产流时间的延长总体呈下降趋势,未冻坡面和冻结坡面的单位径流功率的均值分别在0.047~0.072,0.037~0.072 m/s变化。未冻坡面的径流动能随着覆沙厚度的增加而增大,冻结坡面的径流动能随着时间的延长总体呈先增大后减小的趋势。在空间上,未冻坡面和冻结坡面的能量参数和距坡顶距离均可用线性函数表示(R^2>0.71)。(3)产流率与径流流速和能量参数之间呈显著的线性关系(p<0.01),径流流速和单位径流功率可以对未冻坡面和冻结坡面在不同覆沙厚度条件下的产流过程进行描述。研究结果可为建立解冻期的覆沙黄土坡面侵蚀模型提供参考。     

短历时强降雨对典型喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响

探索短历时强降雨对典型喀斯特坡耕地侵蚀产沙的影响,为喀斯特区坡耕地应对极端天气的水土流失防治提供理论依据。研究采用人工室内模拟降雨试验的方法,对喀斯特坡耕地侵蚀产沙特征在短历时强降雨作用下的影响因素开展研究。结果表明:(1)短历时强降雨导致喀斯特坡耕地地表输沙模数和产沙量随降雨强度的增大而增大,而地下输沙模数和产沙量与降雨强度无明显变化规律,坡耕地土壤侵蚀以地表为主。地表产沙临界雨强为30～50 mm/h。(2)坡度增大时地表产沙比重大于地下产沙比重,地表土壤侵蚀以地表为主。产沙比重发生转折的坡度值为15°～20°。70 mm/h降雨强度和5°坡度下,降雨强度对地下土壤侵蚀可能存在负效应。(3)喀斯特坡耕地侵蚀产沙特征与降雨强度和坡度密切相关,但降雨强度因子起主导作用。强降雨主要影响地表土壤侵蚀,因此,对喀斯特坡耕地土壤侵蚀治理应以地表为主。研究结果有助于深入了解短历时强降雨对喀斯特坡耕地土壤侵蚀的影响,为对喀斯特坡耕地应对极端天气和水土流失防治以及维持生态环境健康持续发展提供理论依据。     

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。     

不同植被空间配置下的坡面产沙及泥沙连通性变化特征

植被是影响土壤侵蚀的重要因子,探讨坡面产沙和泥沙连通性对植被分布的响应对揭示土壤侵蚀过程机理及预测坡面侵蚀具有重要意义。通过室内人工放水冲刷试验,分析3种植被布设位置(坡上、坡中、坡下)在不同冲刷流量(3.2,5.2 L/min)和不同覆盖度(0,30%,50%,70%)下的减沙效益,结合坡面产沙潜力指数探究植被覆盖影响下的泥沙连通性变化特征。结果表明：(1)从不同盖度下的平均减沙效益及其稳定性来看,植被布局的减沙效益随盖度变化,且坡下植被空间分布最优。随冲刷流量增加,不同植被布局间的减沙效益差距缩小;(2)当植被盖度≤30%时,冲刷流量对坡面产沙的影响贡献较大;随盖度增加,植被的影响贡献程度大于冲刷流量,成为影响坡面侵蚀的主要因素;(3)坡面产沙潜力指数在不同植被盖度和分布位置下表现出明显差异。随盖度增加,产沙潜力指数减小,泥沙连通性减弱;坡下布设植被相比坡上和坡中产沙潜力指数最小,泥沙连通性最弱。该指数与产沙量之间存在显著的正相关关系,即产沙潜力越大,泥沙连通性越强,产沙量越大。研究结果可为深入探索土壤侵蚀机理及植被的生态效益提供科学依据,为黄土高原地区的生态建设提供参考。     

降雨类型与坡度对棕壤垄沟系统产流产沙的影响

为深入理解棕壤垄作坡耕地的土壤侵蚀机理,利用1.60 m×0.53 m的试验土槽,设计2个降雨类型,即增强型(70～70～100～100 mm/h)和减弱型(100～100～70～70 mm/h),以及2个坡度(9°和18°)的人工模拟降雨试验。每个雨型分2个阶段(阶段I、阶段II),每个阶段进行相同雨强的2个场次降雨,每个场次降雨历时20 min。结果表明:(1)雨强对径流量呈显著影响(P0.05),100 mm/h雨强下的径流量70 mm/h时的径流量。在减弱型雨型下,坡度对径流量影响显著(P0.05),而增强型雨型下在不同阶段坡度对径流量的影响不同。(2)雨强对产沙量的影响显著(P0.05),在阶段Ⅰ降雨中,100 mm/h雨强下9°和18°坡面的平均每分钟产沙量分别为70 mm/h雨强下的23.98,9.07倍。在70 mm/h雨强下,坡度对产沙量的影响显著(P0.05),而100 mm/h雨强下不同阶段坡度对径流量的影响具有差异性。(3)100 mm/h雨强在不同雨型中出现的时序对产沙量影响不显著(P0.05);在70 mm/h雨强下,产沙量整体较小,基本在15 g/min以下。同一雨强在不同雨型中的时序对径流量均存在显著影响(P0.05)。(4)总径流量从大到小依次为:9°减弱型18°减弱型9°增强型18°增强型;总产沙量从大到小依次为:18°增强型18°减弱型9°减弱型9°增强型。不同雨型下,雨强发生改变后,累计径流量和累计产沙量增加速率和雨强的改变具有一致性。     

雨强和坡度对铁尾矿砂坡面复垦前后产流产沙的影响

运用人工模拟降雨技术,研究铁尾矿砂裸坡及复垦坡面在雨强和坡度共同作用下的产流产沙特征。结果表明:(1)坡面产流及产沙受各因子影响程度均为:雨强>坡度>基质类型。(2)就铁尾矿砂裸坡而言,雨强对坡面产流影响显著,坡面产流随着雨强和坡度的增大均呈现递增趋势,随着雨强的增大,其作为坡面产流主导因素的作用突显,会出现掩盖坡度对坡面产流影响的现象;坡面产沙随着雨强的增大基本呈现递增趋势,且坡度越大产沙的增幅越大,雨强和坡度对坡面产沙影响均显著。(3)在复垦设计坡度25°条件下,就减流效果而言,不同基质类型复垦坡面间减流规律相似、效果差别甚微,随着雨强的增大减流效果逐渐消失;单纯考虑减沙效果,不同复垦坡面的减沙效果因基质的不同存在一定的差异,综合考虑不同雨强下的减沙效果,铁尾矿砂与菌糠混合物是复垦坡面基质的最优选择。研究结果可为铁尾矿砂裸坡土壤侵蚀的防治和铁尾矿库复垦提供经验参考和合理建议。     

降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响

采用室内人工模拟降雨技术,研究短历时暴雨和坡度对裸露铁尾矿砂坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)不同降雨强度条件下,不同坡度间的坡面径流量、产沙量及径流泥沙含量均呈现随着降雨历时的增加而增加的动态变化趋势,不同的是径流量在15～24 min后逐渐趋于稳定。(2)不同降雨强度条件下,裸露铁尾矿砂坡面径流量及产沙量与坡度相关关系均存在临界降雨强度,该临界降雨强度约为90 mm/h。(3)不同降雨强度条件下,不同坡度间的产沙量及径流泥沙含量随着降雨强度的增加,二者与坡度的关系均由负相关逐渐转变为正相关。(4)当降雨强度从60 mm/h增加到120 mm/h的过程中,不同坡度条件下的径流量及产沙量与降雨强度总体上呈逐渐上升的趋势,局部存在特殊情况。当坡度从25°增加到35°的过程中,不同降雨强度条件下的径流量及产沙量与坡度的关系均不明显;但同一坡度条件下,随着降雨强度的增加,径流量和产沙量均逐渐增加。研究成果为揭示降雨强度和坡度对裸露铁尾矿砂产流产沙机理提供参考。     

植被在坡面的不同位置对降雨产沙量影响

植被在坡面的不同位置,对坡面保持水土的作用是不同的。通过野外人工模拟降雨试验比较了在相同面积条件下,植被分别分布在坡面上部、中部和下部时,坡面降雨产沙量的差异。结果显示,对保土能力来说,坡下植被>坡中植被>坡上植被,而且这种差异在小雨强下更加明显。这充分说明,坡下部的植被在保护坡面土壤不被流失方面起着举足轻重的作用。因此保护好坡下部的植被可以有效地防止坡面水土流失。     

坡地产流产沙规律数值模拟研究

联立并求解降雨入渗模型、坡面产流模型及泥沙输运模型,并利用matlab编写模型计算程序,模拟计算了坡地的产流产沙过程。通过野外模拟降雨试验数据与模型计算值之间的对比验证了模型的可靠性,最后利用模型模拟了在不同雨强、坡度、坡长及土壤前期含水率条件下的坡面出口处的单宽流量、含沙率、总产沙量及坡面平均流速、平均水深的变化规律。结果表明:雨强及坡长的增大均会导致产流量及产沙量的显著增大;坡度的增大会导致产流量减小,而产沙量则出现先增大再减小的规律;土壤前期含水率的增大会导致产流量及产沙量有一定程度增大,但影响并不显著。