喀斯特槽谷区坡面集中水流曼宁系数变化特征

[目的]探究喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角影响下地表集中水流阻力变化特征,为该区土壤侵蚀模型构建提供科学依据。[方法]在3个坡度(10°,15°,20°),3个冲刷流量(5,7.5,10 L/min)和6个岩石与坡面夹角角度(30°,60°,90°,120°,150°,180°)组合条件下开展室内放水冲刷试验,研究喀斯特槽谷区不同岩石与坡面夹角下地表集中水流曼宁系数的变化规律及其影响因素。[结果](1)地表集中水流曼宁系数n随冲刷历时呈迅速增大再缓慢增长或趋于稳定的变化趋势。不同夹角的n值大小顺序为:n_(180°)n_(150°)n_(90°)n_(30°)n_(120°)n_(60°)。(2)当岩石与坡面夹角大于30°时,n与水深h显著相关,夹角为30°时,二者关系不显著;试验条件下,n与雷诺数Re关系不显著,与弗汝德数Fr呈显著幂函数负相关。(3)相对水深曼宁系数n/h随夹角增大呈先增后减的变化趋势。(4)岩石与坡面夹角大于30°时,n/h与Re均呈幂函数负相关,夹角为30°时,二者关系不显著;不同岩石与坡面夹角的n/h与Fr关系均不显著。[结论]喀斯特槽谷区坡面集中水流曼宁系数n受岩石与坡面夹角的显著影响,随夹角增大总体呈先减后增的趋势。     

喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对产流产沙过程的影响

为明确喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对坡面产流产沙过程的影响,在6个岩石与坡面夹角(30°,60°,90°,120°,150°,180°)、3个坡度(10°,15°,20°)和3个流量(5,7.5,10 L/min)组合条件下,开展室内放水冲刷试验。结果表明:(1)地表产流率随冲刷历时呈先增加后稳定的趋势,而含沙量和地表产沙率随冲刷历时均呈波动性减小趋势;(2)各岩石与坡面夹角下,地表产流率无显著差异(P＞0.05);但含沙量与地表产沙率均差异显著(P＜0.05),表现为含沙量和地表产沙率在60°夹角下与30°和120°夹角下差异不显著(P＞0.05),但显著高于90°,150°和180°条件下的含沙量和地表产沙率(P＜0.05);(3)地表产流率与含沙量在60°,90°,120°夹角下均呈显著幂函数正相关(R²=0.32~0.56,P＜0.05),而在其他夹角下二者关系不显著(P>0.05)。地表产流率与地表产沙率在60°,90°,120°,150°,180°夹角下呈显著线性正相关(R²=0.35~0.86,P＜0.05)。研究表明喀[JP]斯特槽谷区岩石与坡面呈一定夹角时,可加剧坡面产沙,并改变产流与产沙关系。     

喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对坡面集中流水力学特性的影响

喀斯特槽谷区地表出露的岩石与坡面形成不同夹角,塑造了复杂的微地貌,显著改变坡面集中水流路径,使得水流特性发生重大变化.目前,不同岩石与坡面夹角下集中流水力学特性的变化特征还不清楚.通过室内放水冲刷模拟试验,研究了3个坡度(10°、15°和20°)、3个冲刷流量(5、7.5、10 L·min–1)和6个岩石与坡面夹角(3...     

喀斯特槽谷区的顺/逆层坡面对水动力学参数的影响

喀斯特槽谷区不仅存在地上/地下双层空间结构,还存在典型顺/逆层坡两种特殊的地质构造,因此研究喀斯特槽谷区两翼坡面水流移动规律具有重要意义。根据野外调查结果,在喀斯特槽谷区临界坡度25°条件下进行人工模拟降雨试验,采用顺/逆层坡岩层倾角(30°、60°和90°)和3种雨强(30、60和90 mm·h~(-1))作为变量因子,并以裸坡作为对照因子,研究喀斯特槽谷区顺/逆层坡面水动力参数特征。结果表明:喀斯特槽谷区顺/逆层坡主要以薄层浅流为主,顺层坡的岩层倾角越大则坡面流速越小,逆层坡则以岩层倾角60°为临界点,裸坡的流速均大于顺/逆层坡。对于喀斯特槽谷区顺层坡而言,其雷诺数Re和佛汝德数Fr均大于逆层坡而小于裸坡,阻力系数f均小于逆层坡而大于裸坡。雷诺数Re和阻力系数f两个参数呈显著的幂函数正相关关系。地表累积径流量分配比例大小排序为裸坡顺层坡逆层坡,地下累积径流量分配比例为逆层坡裸坡顺层坡。本研究可为喀斯特槽谷区顺/逆层坡的坡面的土壤侵蚀预报模型提供科学依据。     

国外坡面径流分离土壤过程水动力学研究进展

径流分离土壤是侵蚀泥沙的主要来源,也是建立土壤侵蚀物理模型的控制参数之一,对国外近２０年来,坡面径流分离土壤过程的研究方法、控制方程、分离能力、挟沙力及存在的问题进行了详细的论述,旨在综合国外研究经验,促进我国相关研究的发展。     

坡面侵蚀动力学及其相关参数的探讨

 从分析坡面水流形态动力学特性着手,对比土壤侵蚀临界坡度的研究;概述土壤侵蚀的机制,以及坡面水流中水流速度、泥沙含量和下垫面三者相互作用的关系。发现及时、准确和动态地测量水流速度和泥沙含量,是分析这些复杂关系的关键,它使定量研究坡面土壤侵蚀的机理成为可能。     

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。     

坡面细沟侵蚀过程的水动力学特征试验研究

通过不同坡度、不同流量的组合放水冲刷试验 ,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流水动力学特性进行了研究。结果表明 ,在试验的坡度和流量范围内 ,坡面流的雷诺数变化于 36 2～ 4 2 84之间 ,并且其变化有随冲刷历时和流量的增大而增大的趋势。而坡面流弗劳德数在整个试验过程中均大于 1,属于急流范围。坡面流阻力系数的大小与水流雷诺数有关 ,但其变化趋势受坡度的影响。在坡度较缓时 ,阻力系数随雷诺数的增大而减小 ;在坡度较大时 ,阻力系数随雷诺数的增大而增大。在径流冲刷侵蚀过程中 ,径流流速并非一恒定值 ,而是随冲刷时间的延长和坡面冲刷形态的变化呈现出先减小后稍增大的趋势。     

喀斯特槽谷区侵蚀坡面的土壤质量评价及障碍因子

[目的]为准确评价喀斯特槽谷区顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量特征,筛选出适用于该地区的土壤质量评价方法,探析限制其土壤质量的障碍因子。[方法]以重庆市青木关喀斯特槽谷区顺/逆层坡面的5种典型土地利用类型(林地、草地、裸地、玉米地、辣椒地)为研究对象,利用主成分分析法结合Norm值建立评价指标最小数据集(minimum data set, MDS),并通过非线性土壤质量评价方法和隶属度函数对喀斯特槽谷区顺/逆层坡面的土壤质量进行评价。[结果](1)喀斯特槽谷区土壤质量评价指标最小数据集(MDS)包括毛管持水量、毛管孔隙度和全磷;(2)通过非线性土壤质量评价方法得出,逆层坡土壤质量(0.519)优于顺层坡(0.451),其中逆层坡林地土壤质量最优(0.653),辣椒地土壤质量最差(0.426);(3)非线性评价方法在顺/逆层坡的决定系数(R²)均高于隶属度函数,因此喀斯特槽谷区更适合采用非线性评分模型;(4)顺/逆层坡侵蚀坡面的土壤质量障碍因子差异显著,仅有全氮为共同的障碍因子。[结论]适当增加草地和乔木林的覆盖能提高喀斯特槽谷区土壤质量,研究结果可因地制宜地为喀斯特槽...     

坡面径流的水动力学特性研究进展

坡面径流不同于一般明渠水流，具有独特的水力学特性。详细论述了坡面径流产流理论、运动方程和水动力学特性等方面的研究进展情况，系统阐述了国内外对坡面径流的流态、流速测量和分析、水深确定、阻力表达以及径流分离挟沙能力等水动力学要素的研究，目的在于总结以往的研究经验和成果，促进相关研究的进一步发展。     

裸露岩石对喀斯特坡地水土流失及水动力特征的影响

[目的] 裸露岩石如何影响坡地产流产沙及水动力特征尚需进一步深入研究。[方法] 通过室内模拟试验,设置不同岩石裸露率(0,10%,30%,50%,70%)的坡地,开展不同雨强(30,60,90 mm/h)条件下的人工模拟降雨试验,旨在探究雨强与裸露岩石对坡地产流产沙及水动力特征的影响。[结果] 坡地地表产流产沙随雨强增大呈增大趋势,而随岩石裸露率的增加呈减小趋势。在不同雨强条件下,0岩石裸露率坡地与10%岩石裸露率坡地的产流产沙差异多呈不显著(p>0.05),而与其他岩石裸露率坡地之间呈显著差异(p<0.05)。低岩石裸露率坡地(10%)与高岩石裸露率坡地(50%及以上)间产流产沙差异显著(p<0.05)。流速(V)、水深(h)、雷诺数(Re)、弗罗德数(Fr)、水流剪切力(τ)及水流功率(w)随雨强增大呈增大趋势,阻力系数(f)随雨强增大呈减小趋势。流速(V)、弗罗德数(Fr)随着岩石裸露率增加呈减小趋势,而水深(h)、阻力系数(f)随着岩石裸露率增加呈增大趋势,雷诺数(Re)、水流剪切力(τ)与水流功率(w)在不同雨强下变化规律有差异。水动力参数变化在不同坡地间具有一定差异性。产沙与水动力参数数量关系以指数函数拟合效果最好,流速(V)(R²=0.819,p<0.05)、水流剪切力(τ)(R²=0.858,p<0.05)及水流功率(w)(R²=0.890,p<0.05)预测坡地产沙效果较好,其中水流功率(w)为最佳预测参数。[结论] 研究结果进一步丰富了岩溶坡地土壤侵蚀理论,并可为建立适合于岩石裸露坡地的水蚀预测模型提供参考。     

汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀率及水动力学参数研究

汶川震区滑坡堆积体土石结构松散,在降雨径流作用下易产生剧烈沟蚀,导致严重的水土流失,研究堆积体水流泥沙输移运动规律具有重要意义。根据野外调查结果,采用4种石土比(质量比分别为0∶1、1∶3、1∶2和1∶1),3级流量(4、8、12 L min-1),在近临界休止角34°和36°条件下进行放水冲刷试验,研究汶川震区滑坡堆积体土壤侵蚀率和水动力学参数的变化特征及其关系。结果表明:随着冲刷时间的推延,土壤侵蚀率、水流功率和单位水流功率逐渐减小,水流剪切力先增加后减小,过水断面单位能量先减后增再减小。全土以及石土比分别为1∶3和1∶1条件下,土壤侵蚀率、水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加而增大;在石土比1∶2条件下,土壤侵蚀率随流量的增加而增大,水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量随流量的增加,变化规律不稳定。水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量对土壤侵蚀率的影响均可用幂函数方程描述,而单位水流功率的影响不显著。该结果可为汶川震区滑坡堆积体坡面土壤侵蚀模型的建立奠定基础。     

岩溶槽谷区不同土地利用方式下的坡地产流产沙规律

[目的]研究岩溶槽谷区坡地产流产沙规律,为槽谷区坡面水土流失防治提供理论基础。[方法]基于重庆市北碚区中梁山岩溶槽谷区径流小区,探讨了土地利用类型(耕地、林地、果园和竹林地)、降雨等级、降雨特征对坡地产流产沙的影响。[结果]①不同土地利用方式的径流小区坡地总产流量为:耕地(3534.64 L)>果园地(3150.60 L)>竹林地(2347.75 L)>林地(1957.41 L);径流系数(3.12%~5.70%)远低于非岩溶区(约20%);地表产沙量耕地(3.37 kg)>果园地(2.60 kg)>林地(1.60 kg)>竹林地(1.43 kg);②虽然暴雨占总降雨场次的1.53%,但产流量占年产量的42.28%,产沙量占年总产沙量的33.42%。中雨占年产流总量的16.61%,产沙量占年总产沙量的20.47%,但是由于中雨的降雨次数多,其造成的泥沙流失也不可忽视。③降雨量对不同土地利用方式下的坡面产流的影响最大,是坡面产流的主要影响因素。I30对耕地和果园产沙量的影响最大,降雨量对林地和果园产沙量的影响最大。[结论]在相同的降雨条件下,耕地的产流产沙量最大,果园次之。在坡度一定的条件下,不同等级的降雨是影响产流产沙的主要因素,因此,在安排农事活动时,应尽量避开高强度降雨,减少严重侵蚀事件的发生。     

坡度影响下的砒砂岩区裸露坡面水分入渗特征及模拟

为探究不同坡度(5°,10°,20°,30°)条件下,不同质地砒砂岩土壤(灰白色、混合色、紫红色)的水分入渗特征及最优入渗模型。通过室内模拟土柱法对土壤的水分入渗特征和拟合结果进行对比分析。结果表明:(1)研究区不同坡面土壤容重在1.513~1.737 g/cm³,30°坡面下的灰白色砒砂岩土壤入渗能力较强,5°坡面下的紫红色砒砂岩土壤入渗能力较弱。(2) 在砒砂岩土壤一维垂直 入渗过程中,初始入渗率为2.000~8.600 cm/min,入渗时间3.500~5.000 min后达到稳定入渗率(0.160~1.800 cm/min)。入渗率、湿润锋运移速率与时间呈幂函数递减关系。坡度的大小、砒砂岩的质地均影响砒砂岩土壤入渗能力,坡度越小、颜色越深, 入渗率、累计入渗率越低,湿润锋运移越慢;且初始入渗速率、稳定入渗速率、初始湿润锋运移速率、稳定湿润锋运移速率的值均随着坡面坡度的减小、砒砂岩土壤颜色的加深呈现减小趋势。(3)Kostiakov模型、Philip模型对于砒砂岩区土壤水分入渗结果拟合较好,决定系数均在0.900以上。Kostiakov模型 决定系数的平均值0.948拟合效果最优;Philip模型决定系数的平均值0.937拟合效果其次;Horton模型决定系数的平均值0.688拟合效果较差。通过平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)、偏差百分比(PBIAS)、纳什效率系数(NSE)验证Kostiakov模型和Philip模型模拟值与实测值的差异性小、两者吻合程度高。     

不同植被群落下喀斯特土壤养分及生物化学性质特征

为了探讨植被群落对喀斯特土壤养分和生物化学性质的影响,对贵州茂兰国家级自然保护区不同植被群落下土壤养分、基础呼吸、微生物量碳及酶活性进行比较研究。结果表明:不同植被群落之间土壤养分含量差异显著,土壤总有机碳、全氮、全磷、碱解氮和有效磷表现为裸露地<草丛<灌丛≤乔林;土壤基础呼吸表现为裸露地<灌丛<乔林<草丛,诱导微生物量碳为裸露地<灌丛<草丛=乔林,而熏蒸微生物量碳为裸露地<草丛<灌丛<乔林;不同植被群落下土壤蔗糖酶活性高于裸露地,但不同植被群落间差异不显著,土壤脲酶活性有着裸露地<草丛=灌丛<乔林的趋势,而土壤碱性磷酸酶活性表现为裸露地<灌丛<乔林<草丛;土壤呼吸商和诱导微生物量与熏蒸微生物量比值均表现为乔林=灌丛<草丛=裸露地。结果分析表明,不同植被群落下喀斯特土壤养分水平及其凋落物差异影响着土壤微生物群落结构及活性,而土壤微生物执行着土壤营养元素生物化学过程,其群落结构和活性又影响着土壤养分水平及养分有效性。