受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动规律

山区浅层水流深度极浅且移动缓慢,降雨条件下其泥沙输移现象尚不明确。为探明受到降雨影响下的浅水河流均匀沙起动问题,该研究假设雨滴落入河道后会影响到整个水流区,形成雨滴群与水流混合的流体,从孔隙介质流理论入手,假设当降雨存在时床面泥沙颗粒增加了向上的附加力,进一步分析泥沙颗粒的受力情况,推导出层流水流泥沙颗粒起动关系表达式。从含沙水流流速分布规律得到启发,雨滴落入层流水流的状态类似于含沙水流,当降雨存在时层流水流流速分布仍然满足线性关系。利用无降雨泥沙起动经典试验数据,确定了拖曳力系数以及上举力系数,发现两者都是沙粒雷诺数的函数。利用已有研究的降雨实测数据,求出了8种降雨强度(0.254～152.4mm/h)下的雨滴直径分布概率密度表达式(R~2=0.998),进而求出雨滴的平均直径表达式,并给出受降雨影响的层流水流泥沙颗粒起动切应力计算模型。该研究模型表明降雨的存在使得泥沙起动所需的临界摩阻流速减小。通过与已有研究进行对比分析,该研究建立的受降雨影响的浅水泥沙颗粒起动计算公式具有最高的精度,平均误差仅为14.8%,能够为山区水沙灾害防治提供理论支撑。     

基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究

作为黄土高原地区沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的梁峁坡面,在强降雨下其产流产沙对沟缘线以下坡面及沟道侵蚀有着重大影响。该研究根据野外实地考查构建5°～35°变坡段实体模型,进行6场间歇性人工模拟降雨试验,并借助基于三维重建技术的PhotoScan软件获取坡面DEM,将其侵蚀演化过程进行图形化、数字化,定性定量揭示其侵蚀形态演变特征。研究表明:1)梁峁坡面细沟侵蚀历经4个阶段:面蚀阶段,即产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑,宽度5～9 cm,深度1～4 cm;细沟形成阶段,由面蚀所产生的微小跌坑在径流作用下长、宽、深均不断增大,最大分别达到266、7.6、13.8cm;细沟网形成阶段,细沟出现分叉及联通,有明显流路;小切沟形成阶段,伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和沟底下切,最大沟长及最大沟深较细沟形成时增大3倍以上。2)对比次降雨过程基于三维建模所计算侵蚀量与实测侵蚀量,第1场降雨试验因地表疏松颗粒较多导致实测侵蚀量比建模计算侵蚀量大而引起较大偏差(20.82%),其他场次偏差均在10%左右或以下,总体来说,该技术可以较好地应用于侵蚀发育过程的研究。该研究实现侵蚀演变关键过程图形化、数字化,有助于人们定性、定量了解和认识梁峁坡面侵蚀过程,且对于创新侵蚀过程研究方法亦具有实践指导价值。     

基于Meta-analysis的中国马铃薯地膜覆盖产量效应分析

为了定量综合分析中国近30 a地膜覆盖对马铃薯的增产效果,该研究综合已发表的田间试验研究数据,应用Meta-analysis方法定量分析使用地膜后马铃薯产量的增产率或减产率,并探讨其时空分异特征及其影响因素。通过文献检索,共获得84篇有关地膜覆盖马铃薯生产试验文献。经严格筛选,共从42篇文献中获得52组数据,分布于中国14个省(市、区),涵盖西北、西南和东南3个主要区域。主体数据经Meta分析表明:地膜覆盖在西北地区增产效应最显著,相对增产率为35.6%;其次是东南和西南地区,相对增产率分别为20%和12%;从全国时间序列看,1990年以后地膜相对增产率较高,但2010年后地膜增产效果有降低趋势;白色地膜与黑色地膜、垄作和平作对地膜增产效应影响不显著;在年均降水量500 mm和年均温10℃的区域地膜增产效应最明显,地膜相对增产率分别为40.5%和37.6%。进一步分析表明,2010年后地膜覆盖效果在年均降水量500 mm且年均温10℃的地区和年均降水量500 mm且年均温10℃的地区均呈现降低趋势,说明全球气候变暖可能对地膜增产产生负面影响,或随着使用年限增加地膜开始表现出对产量的负面效应。该研究可为地膜覆盖技术应用提供参考。     

密云水库上游流域次降雨坡面产流产沙特征

以北京市密云县石匣小流域为研究区,利用2006-2010年连续5 a的坡面径流试验小区观测资料,运用统计方法,分析了密云水库上游流域的降雨、产流产沙特征以及在不同土地利用和不同坡度条件下,降雨量、降雨强度与产流、产沙之间的关系。结果表明:1)该研究区域水土保持治理措施实施的关键时间为每年的7、8月份,当降雨量大于10 mm时,应注意采取水土保持措施;2)在裸地、耕地和林地条件下,高雨量、中雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型,在草地条件下,中雨量、高雨强型降雨为导致产流、产沙的主要雨型;3)中雨量高雨强型降雨条件下,林地的减流效益最好,低雨量低雨强型降雨和高雨量中雨强型降雨条件下,耕地的减流效益相对较低,草地和林地的减流效益差异不大;在3种不同雨型条件下,耕地、草地和林地的减沙效益差别不大;4)裸地条件下,降雨量与产流量间的关系更为密切,尤其在14.4°坡面下相关性最高;耕地条件下,产流量与降雨量的相关性较好,产沙量则与降雨强度的相关性较好,11.4°的坡面产流量、产沙量与降雨因子间的相关系数最高;草地条件下,降雨强度与产流量间的关系较为密切;林地条件下,产流量、产沙量与降雨因子间的相关性均不显著。研究结果可为密云水库上游水土保持措施及农业面源污染管理措施的科学实施提供依据。     

模拟自然降雨条件下植物根系增强边坡土体抗剪强度特征

该研究以位于青藏高原东北部黄土区的西宁盆地作为试验区,采用柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii Kom.)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon(Bunge)Maxim.)、垂穗披碱草(Elymus nutans Griseb.)、细茎冰草(Agropyron trachycaulum(Linn.)Gaertn.)的单播种植,以及柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播种植等2种方式,开展了原位模拟降雨试验并采用直接剪切试验,系统分析了模拟降雨试验前后试验区边坡表层以下3个不同位置处复合体抗剪强度大小及其随深度变化规律。结果表明:模拟降雨试验前,由柠条锦鸡儿与细茎冰草、垂穗披碱草混播的边坡a层(0~20 cm)根-土复合体黏聚力分别为19.5、18.9 k Pa,均较相同条件下单播边坡a层复合体黏聚力大;混播种植边坡各层根-土复合体黏聚力均较模拟降雨试验后裸坡a层土体黏聚力大,其中柠条锦鸡儿与细茎冰草混播边坡、垂穗披碱草混播边坡模拟降雨试验后,a层复合体黏聚力分别较裸坡a层黏聚力的增幅为30.65%~56.45%;柠条锦鸡儿、霸王、垂穗披碱草、细茎冰草单播边坡b层复合体黏聚力增幅为4.17%~38.89%;柠条锦鸡儿分别与细茎冰草、垂穗披碱草混播边坡b层黏聚力增幅为29.17%~34.72%;边坡c层土体黏聚力增幅相对不及a层、b层显著,反映了草本起到浅层加筋作用,灌木则起到深部锚固作用。     

降雨强度和坡度对土壤氮素流失的影响

采用人工模拟降雨的方法,研究了不同雨强(30,50,65,100mm/h)和坡度(0°,5°,10°)下粘质土坡面土壤氮素流失过程,以及雨强、坡度对单位面积土壤氮素流失量的影响。结果表明:(1)降雨过程中,随着雨强和坡度的增大,氮素流失的浓度和总量都会相应增加,且雨强和坡度越大,氮素流失浓度变化越快,径流浓度稳定时间越早;(2)不同雨强下坡度与单位面积土壤氮素流失量呈线性相关,且随着雨强的增大,坡度对单位面积土壤氮素流失量的影响变小;不同坡度下雨强与单位面积氮素流失量的线性关系显著,当雨强一定时,坡度的改变对氮素流失量的变化速率影响不大;(3)雨强和坡度与单位面积氮素流失量之间有显著的线性关系,相关系数达到0.978 9~0.982 0;(4)相同条件下,雨强对氮素流失量的影响比坡度大;(5)在降雨过程中,累积径流量与3种形态氮的累积流失量之间有显著的线性关系,相关系数达到0.914 5~0.961 1。     

黄土质地对坡面侵蚀的影响

采用室内人工模拟降雨试验,研究了黄土质地对坡面侵蚀的影响,并探讨了降雨、地形(坡度和坡长)及黄土土质对坡面侵蚀的综合作用。试验设计包括3种质地黄土(黄绵土、黑垆土和塿土)、4个坡度(10°,15°,20°和25°)、2个坡长(5m和10m)和2个总降雨量相同的降雨强度(90,120mm/h)。结果表明:在相同降雨条件下,塿土降雨过程中入渗缓慢,产流时间快于黑垆土与黄绵土,塿土坡面的径流总量高于黑垆土和黄绵土坡面。坡度对单宽产流率无影响。各因子按对单宽产流率影响程度从大到小依次为坡长、雨强、粘粒含量和有机质;各因子按对单宽产沙量按影响程度从大到小依次为坡长、土壤颗粒几何平均直径、雨强、有机质含量和坡度。     

人工模拟降雨条件下伊犁河流域黄土区土壤侵蚀试验分析

新疆伊犁河流域的土壤侵蚀现象较为严重,以该地区具有代表性的黄土土壤为研究对象,采用人工模拟降雨的试验方法,研究了不同坡度、不同降雨强度、不同降雨历时、不同植被覆盖度对土壤侵蚀产流、产沙特征的影响。通过对模拟降雨试验数据的分析,得出以下结论:同一坡度,植被覆盖能相对的延缓初始产流时间,且降雨强度越大,初始产流时间越短;坡面产沙量随降雨强度的增强而增大,降雨强度越大,坡度对产沙量影响越明显,坡度为20°时产沙量突减,因此认为试验的临界坡度为20°~25°;降雨强度和产流量、产沙量之间的相关性极显著,相关系数为0.986和0.970;短降雨历时的产流量变化较长降雨历时的小,降雨历时和产流量、产沙量之间呈正相关;植被覆盖有明显的减沙作用。     

延安地区降雨引发黄土泥流的试验研究

在野外模拟降雨条件下,研究了黄土粒度分布和微结构在降雨前后的变化及其对泥流启动的影响.结果表明,采自径流沉积物的降雨后土样中的细黏粒、粗黏粒体积含量分别相对增加了22％和18％,而粗粉粒、微砂体积含量分别相对减少了7.6％和3.3％.坡面残余土的粒度“粗化”,降雨后土骨架连接松散,这些由降雨引起的黄土的粒度和微结构变化说明降雨后黄土的抗剪强度和抗压能力将降低,导致泥流启动的可能性增加.随着降雨入渗,当沿坡面的黄土重力分力与抗剪强度间的平衡被打破,黄土开始滑移并发展成泥流.有效防止坡面土粒度“粗化”是遏制水土流失的关键.     

黄土高原北部水蚀风蚀交错区产流条件及径流系数

为了揭示黄土高原北部水蚀风蚀交错区的产流机制并推求径流系数,为该地区地表水资源的深入研究提供基础数据,选取具有黄土高原北部水蚀风蚀交错区典型气象与水文特征的六道沟流域为研究区。通过分析实测水文数据,从机制上分别研究了试验流域在表层土壤（5—10 cm）达到饱和及不饱和条件下的产流过程,在长历时低强度降雨条件下,产流的必要条件是表层土壤达到饱和且雨强≥0.12 mm/min;在短历时高强度降雨条件下,表层土壤未达到饱和状态时,产流的必要条件是降雨强度≥0.52 mm/min;径流系数与平均降雨强度之间存在着显著的正相关关系;以运动波理论的基础方程式结合GIS技术开发了适用于试验流域的分布式降雨—径流数值模型,模型的误差<3%;基于2005—2009年（5 a）的降雨—径流数值计算,得到试验流域在这5 a的平均径流系数为0.11,从而推求出多年平均径流系数为0.10～0.15。