模拟径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程

基于可调控的放水冲刷试验,模拟风水复合侵蚀区典型覆沙黄土坡面,研究不同径流条件下覆沙黄土坡面产流产沙过程。通过室内放水冲刷试验,采用3个放水流量(5,10,15L/min)和5个覆沙厚度(0,5,15,25,35mm)研究覆沙黄土坡面产流产沙过程。结果表明:覆沙坡面能够延长产流时间,且随覆沙厚度的增大而延长,不同放水流量条件下5,15,25,35 mm覆沙坡面的产流时间较黄土坡面分别延迟了1.29~1.46倍,1.66~2.5倍,2.32~3.76倍和3.64~4.72倍;覆沙坡面相对黄土坡面其产沙贡献率大于产流贡献率,在相同放水流量条件下,覆沙坡面的径流总量是黄土坡面的1.05~1.8倍,而产沙总量是黄土坡面的1.6~7.5倍;覆沙坡面在不同放水流量条件下,产流0~5min内,覆沙坡面产流率增长速率明显高于黄土坡面,而在后25min覆沙坡面与黄土坡面的产流率增长速率基本一致;在整个产流阶段,覆沙坡面的产流率波动程度显著高于黄土坡面。随着放水流量的增大,覆沙坡面的初始产沙强度显著增加;但在同一放水流量前提下,随着覆沙厚度的增大初始产沙强度增强不显著。不同放水流量和不同覆沙厚度条件下坡面产沙强度总体上表现为先剧烈增大后降低然后逐步达到平稳状态,且覆沙坡面产沙强度的波动性明显活跃于黄土坡面。覆沙坡面能够破坏水流的稳定性,在一定程度上加剧了土壤侵蚀。     

覆沙坡面水动力学参数与径流产沙的关系

坡面流水动学特征对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,通过模拟降雨试验,定量研究了1.5 mm/min雨强下,不同覆沙厚度(0.5、1.0、1.5 cm)下坡面水动力学参数的时空分布特征及其与产流产沙的关系,以期揭示坡面水动力学参数的内在规律性。结果表明,坡面流的水动力学参数的时空分布呈波动趋势,与黄土坡面相比,雷诺数增加了0.39~1.03倍,佛罗德数增加了0.05~0.29倍,阻力系数增加了0.05~1.55倍;覆沙坡面在整个降雨过程中主要以层流—急流为主,细沟形成主要发生在产流后第10 min后,主要集中在1~10断面处(从坡底依次向上每1 m划分为一个断面);坡面产流和产沙速率与各水动力学参数均可用y=ax+b来描述,雷诺数Re和相对水深曼宁糙率n/h可以较好地表征覆沙坡面侵蚀产沙过程。此研究可为坡面侵蚀预报模型的构建提供科学依据。     

覆沙坡面径流冲刷试验研究

通过室内模拟冷冻和放水冲刷试验,采用2个放水流量(1,2L/min)、2个土壤处理(未冻坡面,冻结坡面)和4个覆沙厚度(0,1,2,3cm)研究不同处理对覆沙黄土坡面产流产沙的影响。结果表明:(1)相同流量条件下,覆沙坡面初始产流时间延长,随着覆沙厚度的增加,延长效果越明显,而冻融作用使坡面初始产流时间缩短;不同处理坡面的产流产沙峰值均增大,并且产流量与产沙量的峰现时间具有不同步性。(2)不同流量条件下,不同处理坡面总产流量是对照坡面的1.02~1.28倍,冻结坡面和冻结-覆沙坡面的总产流量与对照坡面有显著差异(p0.05),坡面总产沙量是对照坡面的1.97~10.94倍,冻结坡面、对照-覆沙坡面和冻结-覆沙坡面的总产沙量与对照坡面有显著差异(p0.05)。(3)不同流量条件下,相同处理坡面产流强度随产流时间变化趋势大致相同,裸坡坡面产沙强度随着产流时间的变化趋势较为平稳,而覆沙坡面产沙强度波动程度较大,覆沙是影响坡面产沙过程的主要因素;相同流量条件下,不同处理坡面产流强度大致分为快速上升-相对稳定和相对稳定两种变化趋势。(4)相同流量条件下,裸坡坡面的产流强度受冻融作用的影响较大,冻融和覆沙处理对产沙强度的影响均较大,冻融作用在裸坡条件下对产沙过程的影响大于覆沙坡面,覆沙坡面在土壤未冻结的情况下对产沙过程的影响大于在土壤冻结的情况。     

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。     

复合侵蚀作用下砒砂岩坡面产流产沙过程试验

通过模拟室内风力、水力、冻融条件,进行单一水蚀、冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀3种营力组合试验,揭示了复合侵蚀条件下的砒砂岩产流产沙变化规律。结果表明:(1)相同降雨条件下,冻融+水蚀、冻融+风蚀+水蚀试验的径流量均为水蚀试验的1.2倍,产沙量分别为水蚀试验的2.4,2.8倍。冻融能够增大砒砂岩产流产沙量,风蚀对增加侵蚀产沙量的作用较小。(2)砒砂岩产流产沙过程的峰值及变幅随营力种类的增多而增大,单一水蚀的产流产沙过程相较于复合营力作用下的水沙过程具有显著的坦化特征。(3)复合侵蚀作用使初始入渗率增加,随着降雨的进行对入渗的影响逐渐减小。营力作用的增加使初始含水率更大,后期更小。(4)砒砂岩的累计产流量与累计产沙量呈幂函数关系。冻融作用对水沙关系的影响较大,风力作用的影响较小。此试验表明,复合侵蚀营力作用的增多会加剧砒砂岩坡面的侵蚀过程,从而使侵蚀产沙量增大。     

坡面产流产沙过程对植被过滤带响应的试验研究

为探讨植被过滤带在坡面产流产沙过程中对水沙的拦截效果及其水动力学机理,通过在室内土槽上设置模拟植被过滤带并进行浑水冲刷试验,得到有无模拟植被过滤带情况下的产流产沙情况及相关水动力学参数,定量分析了植被过滤带对径流、泥沙的拦截效果并探讨了坡面产沙率与水动力学参数之间的关系。结果表明,植被过滤带在放水冲刷试验中能有效拦截径流和泥沙,且在较小流量下,径流和泥沙的拦截效果更好,在200L/h流量下,拦截率分别可达33.2%和96.9%;在冲刷过程中,有无模拟植被过滤带产沙率与水流剪切力、水流功率都具有显著的相关关系,分别呈指数函数(R2=0.67,R2=0.83)和幂函数(R2=0.70,R2=0.87)增大关系;采用含水流剪切力和水流功率的非线性回归方程Rs=1.184×10-6τ-4.114ω3.839(R2=0.73)预测产沙率效果较好。     

黄土坡面降雨产流产沙过程及其响应关系研究

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,为该区水土保持与生态建设提供重要科学依据。该文基于收集分析子洲径流试验站天然非恒定降雨、产流、产沙过程观测资料,应用非线性模拟技术,对黄土坡面降雨产流产沙动态变化过程及响应关系进行了研究,结果表明,黄土坡面累积降雨量随降雨历时的变化过程、累积径流深随产流历时的变化过程、累积侵蚀产沙模数随产沙历时的变化过程、累积径流深变化过程对累积降雨量变化过程的响应、累积侵蚀产沙模数变化过程对累积径流深变化过程的响应均呈现为非线性关系,可分别划分为两种类型,并分别可用扩展S型曲线模型和扩展幂函数模型进行数学描述。     

强降雨条件下砖红壤坡面产流产沙过程研究

利用人工模拟降雨试验,对强降雨条件下砖红壤坡面入渗、产流产沙过程进行定量分析。结果表明,强降雨条件下降雨强度对初始产流时间的影响大于坡度;砖红壤坡面入渗强度随时间的变化规律符合Horton模型,平均决定系数为0.958;砖红壤坡面产流过程分为4个阶段:初始入渗阶段、初始产流阶段和稳定产流阶段、结束产流阶段,推导出产流过程方程;砖红壤坡面产沙过程分为5个阶段:无产沙阶段、产沙能力上升阶段和产沙能力下降阶段、稳定产沙阶段(75,100,125mm/h降雨强度)或波动阶段(150,175mm/h降雨强度)和停止产沙阶段,累计产沙量随时间的变化规律符合二次多项式模型,不同坡度不同降雨强度情况下各拟合方程决定系数在0.970以上。研究结果为建立砖红壤坡面产流产沙物理模型及水土资源管理提供了理论基础。     

三峡库区小流域产流产沙试验研究

通过建立三峡库区小流域缩微模型,分别进行了3场人工模拟降雨试验(降雨强度分别为60,90,120 mm/h),对小流域产流产沙过程进行了研究。结果表明,3场降雨试验的产流量及产沙量均随降雨强度的增加而增加,但产流量的增加幅度远大于产沙量。产流量在3场降雨过程中均随径流时间呈现先增大后趋于稳定的趋势,但产沙量变化规律较为复杂。在各场次降雨下,累积产流量和累积产沙量均随降雨历时的增加呈线性函数规律变化。3场降雨产流的含沙量均呈波动形式变化。     

沙层厚度和粒径组成对覆沙黄土坡面产流产沙的影响

片沙覆盖黄土区是水蚀风蚀交错带内土壤侵蚀最为强烈的区域,研究该区内土壤侵蚀特征可对水蚀风蚀交错带水土流失的预报及防治提供理论依据。采用室内模拟降雨,研究黄土坡面不同覆沙厚度(2 cm、5 cm和10 cm)和沙层粒径组成(100%0.25 mm、75%0.25 mm+25%0.25mm、50%0.25 mm+50%0.25 mm、未处理原沙和100%0.25 mm)对坡面产流产沙的影响。结果表明,覆沙黄土坡面较黄土坡面的初始产流时间明显延长,产流速率和产流量减小,产沙速率和产沙量增大,降雨过程中产流产沙波动性增大,且这些变化随覆沙厚度增加而明显加强;沙层粒径组成在不同覆沙厚度下对坡面产流产沙的影响不同,2 cm覆沙厚度坡面在降雨前期随粒径变粗产流产沙呈增大趋势,降雨后期无明显变化;5 cm覆沙厚度坡面随沙层粒径变粗产流速率呈增加趋势,降雨前期上覆粗粒径沙层坡面的侵蚀速率高于细粒径沙层坡面,降雨后期恰好相反;10 cm覆沙厚度的坡面产流产沙随沙层粒径组成变化不明显。典型覆沙黄土坡面的产流过程为雨水垂直入渗―沙土界面潜流―沙层边缘渗流―地表径流,产沙过程为沙层边缘渗流侵蚀―沙层坍塌重力侵蚀―地表径流输移,明显不同于无覆沙黄土坡面的超渗产流方式及溅蚀―片蚀―细沟侵蚀的侵蚀发展过程。     

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。     

喀斯特坡地裸露心土层产流产沙模拟研究

通过人工降雨探索表土剥离后喀斯特坡地侵蚀产沙特征及机制,为该地区开展地下水土流失研究及指导水土流失防治工作具有重要的理论和现实意义。试验采用钢槽装填土石模拟喀斯特地区表土剥离后坡地的"二元结构",通过人工模拟降雨揭示了雨强(30、50、80mm h~(-1))、坡度(10°、15°、20°、25°)和地下孔(裂)隙度(1%、2%、3%、4%、5%)对坡地土壤侵蚀的影响,并在此基础上进一步讨论了各因子对剥离表土后的坡地造成的影响。结果表明:(1)表土剥离后地下漏失的隐蔽性增强,小雨强的坡地土壤侵蚀容易被忽视,30、50 mm h~(-1)雨强条件下,仅当坡地坡度≥15°时地表出现径流,坡地侵蚀产沙以地下流失为主,地下产流量、产沙量随雨强先增大后减小。(2)喀斯特地区坡地土壤侵蚀治理不应只重视地表水土流失,更应关注垂直方向上的土壤侵蚀——地下漏失,低坡度(坡度≤15°)条件下,地表近乎无产流产沙,坡地侵蚀产沙集中在地下孔(裂)隙,而坡度为20°、25°的坡地,其地下产沙比重仍分别高达0.85~0.97、0.59~0.84。剥离表土后的坡地水土保持应从地表、地下两个方向进行,避免由地下漏失引起的岩溶塌陷。增大地下孔(裂)隙度能显著提高地下产流量和产流系数,并促进地下孔裂隙产沙量和产沙比重的增加。     

高边坡工程堆积体产流产沙特性研究

工程堆积体在强降雨条件下极易发生严重的水土流失,成为某些建设项目主要的水土流失来源。为了系统揭示高边坡工程堆积体的土壤侵蚀特点,在建设的3个坡度(24°,28°和32°)、宽5m、坡长20m的小区上进行放水冲刷试验。结果表明,产流量、产沙量与放水流量、坡度之间存在线性正相关关系,即随着放水流量、坡度的增大,产流量、产沙量在不断增大。临界产流放水流量和临界产沙放水流量均说明工程堆积体下渗强烈。由于下渗强烈,流量较小时(30L/min),坡度对产流量的影响不明显。试验条件下产流量和产沙量存在密切的幂函数关系,具体表达式是Ms=0.560 W~(0.886)。     

喀斯特地区坡面径流对产沙的影响

贵州省关岭县蚂蝗田小流域属典型喀斯特流域,根据小流域2009—2012年6个坡面径流小区的定位观测资料,研究了乔木林（黄花梨）、灌木林（女贞）、撂荒草地三种不同植被类型下坡面径流对产沙的影响。结果表明:三种植被类型的产流次数相同,但产沙次数存在较大差异,表现为荒草地 > 乔木林 > 灌木林;灌木林与乔木林的年均径流量相差不大,荒草地的年均径流量是它们总和的2倍;荒草地的年均产沙量最大,为55.17 t/km²,是灌木林的11倍,乔木林的6倍;乔木林的产流量与产沙量无明显相关关系;灌木林表现出线性关系,拟合方程为y=0.1707x+0.2526,R²值为0.48;荒草地表现为幂函数关系,拟合方程为y=0.3246x^1.2965,R²值为0.64。     

作物与坡度交互作用对坡面径流侵蚀产沙的影响

利用人工模拟降雨试验,通过观测作物不同生长阶段、不同坡度径流量和土壤流失量的动态变化过程,研究作物和坡度对坡面土壤侵蚀的共同影响.结果表明:作物和坡度均对坡面径流的形成、发展产生较大的影响.与裸地相比,种植玉米条件下,坡面地表径流量平均减少23.80％,土壤流失量平均减少44.25％,玉米对坡面产流产沙的抑制作用随玉米生长逐渐增强,坡面产流产沙量均随坡度的增加而增大.作物幼苗期的坡面径流量和土壤流失量主要受坡度的增强作用控制,至作物生长旺盛期,作物种植对坡面产流产沙的抑制作用成为主导因素.作物的存在可在一定程度上削弱坡度对产流产沙的增加作用,有效降低坡面的水土流失量.     

基于近景摄影测量的径流冲刷条件下冻融坡面侵蚀产沙过程

为研究冻融坡面径流冲刷条件下侵蚀产沙过程,采用2个坡度(10°,15°)、3个流量(3,6,9 L/min)、2个起始解冻深度(6,12 cm)组合进行野外冲刷试验,结合近景摄影测量技术分析不同解冻深度、不同坡度和不同流量条件下的产沙量,运用线性回归方程对近景摄影测量值和实测值进行拟合。结果表明:起始解冻深度和坡度相同条件下,冻融坡面的土壤侵蚀产沙量随着径流量和坡度的增大而增大;随着时间推移,产沙量越来越小。在流量和坡度相同时,随着初始解冻深度的增大,坡面产沙量也逐渐增大;在流量和解冻深度相同时,随着坡度的增大,坡面产沙量也逐渐增大。当流量、解冻深度和坡度最大时,坡面侵蚀产沙量达到最大。坡面产沙量实测值与近景摄影测量对比分析得到误差平均精度为90.67%,近景摄影测量技术可以在冻融条件下土壤侵蚀监测中应用。