坡面产流过程及产沙临界对立地条件的响应关系

利用人工模拟降雨试验,以黄土高原黄土丘陵沟壑区第三副区黄土为模拟对象,依据45、90和130mm／h降雨强度下共计18个试验组次观测资料,定量研究了裸地、草地和灌木地3种立地条件20。陡坡产流过程及其产沙临界的响应关系。研究表明,高强度降雨条件下,草地和灌木地的减流作用会降低;裸地径流过程具有明显的起涨阶段,而草地和灌木地的起涨阶段不明显,对径流过程具有消波调控作用,同时草地产流量受下渗率的影响比灌木地的大;裸地下渗率比草地和灌木地的明显为小,且其过程波动性强;3种立地条件的初渗率与稳渗率之差以裸地的最大,草地的最小,而且,产流与人渗的关系对降雨的响应是非线性的;断面比能参数可表征为产沙的主导因子,裸地、草地和灌木地的临界断面比能分别为0．074、0．11和0．13cm。该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理,为生态修复工程建设提供科学依据具有重要科学意义。     

灌木减流减沙效应及其水力学机理试验研究

利用人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下20.陡坡面灌木的减流减沙效应,探讨了灌木保持水土作用的水力学机理.结果表明:在45、90和130 mm/h降雨强度下,灌木地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.9 ～4.7倍;与裸地相比,灌木地径流流速减少59.4％ ～81.9％,径流量减少61.7％ ～80.6％,产沙量减少95.5％～99.3％;断面比能参数可表征为侵蚀产沙的主导因子,灌木地临界断面比能值为0.13cm,裸地临界断面比能值为0.074cm.研究结果对定量评价灌木减流减沙作用有一定的参考意义.     

坡面调控措施下的水沙输出过程及减流减沙效应研究

为了了解坡面调控措施对其产流、产沙过程的减流减沙效应,通过坡面上方放水冲刷实验,研究不同放水流量下20聚流坑调控措施和裸地坡面产流、产沙过程以及径流携带泥沙的作用机制,运用起流时间、调控度、产流速率、输沙率定性指标阐明了调控坡面减流减沙效应,建立了次降雨输沙模数与径流量之间的水沙关系。本研究提出了"用水减沙比"概念与计算式,定性描述了调控措施拦截的径流量与减少的侵蚀量之间的复杂关系,揭示聚流坑工程措施在调控坡面径流的同时对侵蚀产沙的影响机制。     

植被影响下坡面流阻力变化特征研究

坡面流阻力是反映坡面流水力学特性的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45、87和127mm/h降雨强度下,20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面流阻力变化特征.结果表明,由于植被覆盖措施的阻滞作用,相对于裸地坡面,草地和灌木地坡面径流阻力系数明显增大.草地和灌木坡面阻力系数分别是裸地坡面的5.58 ～ 7.45倍和5.61 ～6.26倍.不同被覆条件下坡面平均阻力系数与降雨强度关系密切,随降雨强度的增大呈减小趋势.同时,坡面流阻力系数受到降雨强度和下垫面条件发育形态的共同影响.建立了不同被覆坡面的复合非线性阻力系数计算公式,变量系数表明草被覆盖度和降雨强度对坡面流阻力大小有着决定性的影响.该研究对于揭示植被调控坡面产流产沙机理,为生态修复工程建设提供科学依据具有一定的科学意义.     

WEPP在黄土高原坡面径流调控中的适用性研究

针对黄土高原坡面降雨径流调控优化难以采用数学模型的情况,根据杨凌岭后降雨径流调控试验站部分降雨、产流、产沙观测资料,对WEPP 2006年坡面版应用于黄土高原坡面产流、产沙模拟计算的适用性进行了研究.结果表明:WEPP可对降雨径流调控措施下的径流量和产沙量进行模拟计算,但需对模型参数进行率定,并根据实测资料进行验证;WEPP对缓坡径流量和产沙量的模拟计算优于对陡坡的模拟计算,对裸地径流量和产沙量的模拟计算优于对径流调控措施(苜蓿地)的模拟计算,对径流量的模拟计算优于对产沙量的模拟计算.     

多场次降雨条件下覆沙坡面的径流产沙特性试验研究

基于可控坡面进行多场次降雨试验,对覆沙坡面的产流产沙特性进行研究,以期为揭示黄土高原风蚀水蚀交错区风水复合侵蚀机理研究提供科学依据。结果表明:覆沙坡面的初始产流时间远大于裸坡,相对延迟了5.3~11.2倍,多场次降雨条件下,产流时间显著提前。首场降雨下,覆沙厚度为1cm,当雨强由1mm/min增加到1.5mm/min,覆沙坡面径流量、产沙量分别增加了0.87倍、0.85倍;雨强为1.5mm/min时,当覆沙厚度由0.5cm增加到1cm,首场降雨的径流量、产沙量分别减小了9.6%、12%。相对于裸坡,覆沙坡面产沙量较大,产沙过程较剧烈,首场降雨产沙量占总产沙量的70%以上,是裸坡的8.9~10.8倍,但在多场次降雨条件下,产沙量显著减小,并趋于稳定。研究结果表明坡面覆沙在一定程度上加剧了土壤侵蚀,可为揭示风蚀沉积物对水蚀过程的作用机理研究提供参考。     

牧草对坡面侵蚀动力参数的影响

通过室内模拟降雨试验，研究了不同盖度草地与裸地坡面的产流产沙过程与坡面流水动力学特性。试验结果表明，与裸地坡面相比，草地坡面的含沙量、平均输沙率、径流量以及坡面流速均有不同程度的降低。草地坡面的平均输沙率及坡面流速随草地盖度的增大而减小，而盖度对草地坡面径流量的影响则不明显。裸地坡面的输沙率随降雨历时呈高一低一高变化，而草地坡面的输沙率则随降雨历时呈幂函数递减。试验中坡面径流的弗劳德Fr数和雷诺Re数均属层流的缓流范畴。草地坡面的Darcv-weisbach和曼宁阻力系数随草地盖度的增大而增大，其值均大于裸地坡面相应的阻力系数。     

不同降雨强度和下垫面条件对黑土区坡面产流产沙的影响

为了优选合适的东北黑土区堤防坡面侵蚀防控技术,基于人工模拟降雨的方法研究了不同降雨强度和下垫面条件下坡面的产流产沙特征,利用三维激光扫描仪对降雨后的坡面侵蚀形态进行监测,分析坡面土壤的侵蚀情况。结果表明,降雨强度增大,坡面的初始产流时间提前,产流率随降雨历时波动更加显著。在不同降雨强度下,植被措施使平均产流率降低7.4%～20.4%,在裸地上施加PAM(聚丙烯酰胺)使平均产流率增大6.8%～25.9%。随降雨强度增大,下垫面L1(裸地)和下垫面L2(均匀撒施5 g/m~2 PAM的裸地)的产沙率随降雨历时波动更加显著,其产沙率变化规律可以用幂函数进行描述。下垫面L1的总产沙量相比下垫面L2增幅明显,在裸坡上施加PAM能够减少总产沙量,起到固土效果。草地坡面在降雨过程中未出现产沙情况,裸地坡面的侵蚀形态主要表现为溅蚀和片蚀特征,施加PAM使得侵蚀严重区域的面积相较裸地减小了21.5%,能够起到一定侵蚀控制的效果。总体来看,草地坡面的保水固土效果要优于裸地坡面。在坡面上施加PAM使得土壤入渗能力减弱,但能减少侵蚀产沙,在实际工程中有应用价值。     

全堵塞周期内透水砖路面的下渗-产流模型研究

采用下渗曲线扣损法对不同堵塞程度透水砖路面的场次降雨产流进行模拟，研究适用于全堵塞周期内透水砖的下渗-产流模型。结果表明：4种下渗-产流模型对不同堵塞程度透水砖产流数据拟合效果由好到差依次为Horton模型、Kostiakov模型、Green-Ampt模型、Philip模型，Horton模型可以更好地描述全堵塞周期内透水砖路面的场次降雨产流过程；透水砖堵塞程度和降雨重现期均会影响4种模型对下渗-产流过程的模拟效果，Horton模型和Kostiakov模型的模拟效果随透水砖堵塞程度增加而提高，Green-Ampt模型和Philip模型的模拟效果则随堵塞程度增加而降低；4种模型对全堵塞周期内透水砖产流过程的模拟效果均随降雨重现期增大呈现先降低后升高的趋势；基于模拟效果，引入堵塞程度和降雨强度修正Horton模型，建立了适用于不同堵塞程度透水砖路面的下渗-产流模型。     

基于ArcSwat模型的李子溪流域水沙运移模拟

为了模拟李子溪流域水沙运移,掌握流域内土地利用变化和气候变化对流域产流和产沙的影响,基于流域基础数据构建ArcSwat模型,模型结果表明该模型对年径流、年泥沙量、月径流模拟精度较高,而月泥沙量模拟精度较低。通过设置不同情境得到以下结论:土地利用改变对产沙的影响较产流大,在涵养水源和拦截泥沙方面,林地草地耕地,在大于25°的坡耕地上实施还林还草措施拦沙减流的效果更明显;气候变化对产沙的影响比产流大,产流、产沙与降雨呈正相关关系,与温度呈负相关关系,降雨量的变化对产流和产沙的影响比温度大。     

南方红壤区马尾松林下水土流失与降雨量关系研究

为了更好地研究马尾松林水土流失规律,从水土流失主要控制因子——降雨因子出发,通过对红壤侵蚀区不同林下配置模式马尾松林径流试验小区2009—2011年的产流、产沙与降雨量的关系研究。得到如下结论：①各小区的产流量和产沙量均与降雨量呈显著性相关,回归模型主要以一元二次回归最优,个别小区以幂函数和对数函数最优,其中以马尾松地表裸露小区模拟方程可决系数最大;②各雨型在同一郁闭度条件下,除去郁闭度为0％的小区外,各小区基本满足乔＋地表裸露〉乔＋百喜草〉乔＋胡枝子,伴随着降雨量的增加,各小区的径流系数总体上呈增加的趋势,尤其在暴雨和大暴雨以上的雨型更加明显;③产沙方面,各雨型条件下,除去郁闭度为O％的小区和个别郁闭度为24％的小区外,基本上满足乔＋地表裸露〉乔＋胡枝子〉乔＋百喜草。     

黄麻土工布对土壤抗侵蚀性能的影响

 黄麻土工布可灵活地覆盖并附着于土壤表面，有效地减小雨滴溅蚀，拦截坡面水流，控制土粒移动。试验结果表明：在1次降雨量为20－38mm时，覆盖黄麻土工布可减少5.09L/m2的径流量，在1次降雨量10～38mm，盖布可减少84.9%～98.40%的产沙量。人工降雨条件下，盖布可推迟产流时间3-6min，不同处理的累积径流量、产沙量与时间均呈显著的线性相关，盖布与光板地的曲线斜率相差很大，光板地小区的累积产沙量与时间的曲线斜率为盖布小区的412.79倍。同时，覆盖黄麻土工布还可提高土壤中小于0.002mm的颗粒比例，增加土壤团聚度，并有提高土壤抗剪强度的趋势。     

不同次降雨条件对黄土区主要地类水沙动态过程的影响及其机理研究

通过野外人工模拟降雨试验，对不同次降雨条件下黄土丘陵区主要地类坡面水沙过程进行对比研究，分析降雨因素与产流产沙过程的关系，并对林草植被的水土保持机理做了有益探讨。结果表明，降雨因素是影响径流和产沙的主要动力因素之一，在不同降雨条件下，各地类小区产流产沙过程线均表现出较为强烈的波动趋势，产沙过程较产流过程波动更为剧烈，在植被覆度较低的黄土丘陵区，降雨强度是产流产沙的主控因子。不同地类的产流量和产沙量的变化，随着降雨强度的增强而增加，随着植物被覆度的增加，由于林草植被措施具有蓄水固土作用，减沙效益显著，降雨的影响相对降低。因此将陡坡耕地退耕还林还草是解决水土流失、恢复黄土高原良性生态环境的必由之路。     

雨强和地表糙度对坡面微地形及侵蚀的影响

地表糙度是影响坡面侵蚀产沙的重要因素之一,以往研究多关注糙度对坡面产流产沙特征的影响,而较少关注不同糙度条件下坡面微地形变化和侵蚀产沙的关系。通过人工模拟降雨试验,结合Photoscan技术研究了不同雨强和地表糙度对坡面微地形及产流产沙的影响。结果表明:在试验条件下,降雨后光滑坡面和粗糙坡面4个微地形因子(地表糙度、地形起伏度、地表切割度、洼地蓄积量)数值均减小,且有随雨强增大,其减幅增大的趋势;相同雨强和降雨历时条件下,粗糙坡面微地形因子变化幅度大于光滑坡面,微地形因子变化量与侵蚀产沙量呈明显正相关;与光滑地表相比,粗糙地表只在降雨初期能有效减少产流,随着降雨时间延长,2种坡面的产流率趋于一致;在试验选取的4个雨强条件下,粗糙坡面和光滑坡面产流率均呈现先增大后趋于稳定的趋势。粗糙坡面产沙率和产流率变化规律一致,但光滑坡面产沙率表现出在产流初期迅速增大,而后呈降低并趋于稳定的趋势。研究结果可为揭示坡面土壤侵蚀机理和建立坡面侵蚀产沙模型提供参考。     

华南红壤区坡面产流产沙对植被的响应

植被对坡面水蚀具有重要影响,其减水、减沙效益广受关注。以广东省五华县源坑水小流域2011—2014年的径流小区次降雨水沙观测数据为基础,分别在次降雨、月、年及不同降雨区间讨论植物类型差异、月际植被盖度变化、年际植物生长及不同次降雨量对坡面产流、产沙的影响。研究结果表明:(1)在次降雨尺度,植物小区平均减沙效益、减水效益分别为24.77%、12.95%,其减沙效益大于减水效益;(2)在各降雨区间,相较于裸土小区,桉树、松树和糖蜜草小区分别在次降雨量为20~30 mm、20~40 mm和20~50 mm的降雨区间具有较为显著的减沙效益。松树和糖蜜草在次降雨量为10~50 mm的降雨区间均具有显著的减水效益。但在次降雨量50mm的降雨区间植物的减沙、减水效益均不显著。(3)在月尺度上,各径流小区产流、产沙量均无显著差异。但由于月际植被盖度的变化,不同月份植物减沙效益数值顺序存在一定变化,但植物减水效益数值顺序较为稳定均呈现为糖蜜草松树桉树。(4)在年尺度上,桉树,松树和糖蜜草的减沙、减水效益区间分别为7.00%~38.66%、2.98%~8.76%,7.74%~37.30%、6.67%~19.67%和8.35%~45.33%、10.00%~23.36%。各径流小区年均次降雨产流、产沙数值顺序均呈现裸土小区桉树小区松树小区糖蜜草小区。各植物小区的减水效益与减沙效益相一致,表明相较于植物通过改变水沙关系减沙而言,植物主要是通过减水来减沙。     

花岗岩发育红壤坡地侵蚀产沙规律试验研究

本文在对野外试验观测小区进行数年天然降雨观测的基础上，借助于模拟降雨试验方法对花岗岩发育红壤坡地的三种不同试验小区的水土流失过程与规律以及降雨强度对水土流失的实际影响作一些探讨．试验实测资料表明农耕小区与光板小区的产流产沙结果较为接近，产流比牧草小区大数倍至数十倍，侵蚀产沙大到数百倍，而且随雨强增加其相差更加悬殊．雨强与降雨能量是影响农耕地与光板地水土流失的重要因素，但对牧草小区影响不大，牧草对增加土壤入渗、增强土壤抗蚀性、防止雨滴溅蚀有极其显著作用与效益．最后本文简述了对坡地改良与利用的一些想法．     

苜蓿草地侵蚀产沙过程及其水动力学机理试验研究

利用人工模拟降雨试验，定量研究了不同降雨强度（45mm/h、87mm/h、127mm/h）下20°陡坡苜蓿草地的产流产沙变化规律，分析了苜蓿草地侵蚀产沙的水动力学机理。试验结果表明，苜蓿草地累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈很好的幂函数关系，随着降雨时间的增大而增大。在45mm/h和87mm/h降雨强度时，草地径流量和侵蚀产沙量呈高-低-稳定的变化趋势，在127mm/h降雨强度时，草地径流量和侵蚀产沙量呈高-低-高的变化趋势。苜蓿草地的水土保持作用通过改变土壤的入渗特性实现，草地坡面入渗率与径流量和产沙量呈明显负线性相关。从水动力学角度对苜蓿草地径流剪切力和单位水流功率与输沙率的关系进行了分析，得出试验条件下苜蓿草地的临界径流剪切力值为2.857N/m2，临界单位水流功率值为0.0114 m/s，输沙率随径流剪切力和单位水流功率的增大而增大。     

暴雨条件下沙棘林减水减沙效益研究

造成黄土高原水土流失的降雨主要是短历时暴雨。根据这一特点，利用人工模拟降雨方法研究了短历时暴雨条件下沙棘林的减水减沙效益，以及不同郁闭度对产流产沙过程的影响。结果表明，沙棘林郁闭度越高，减水减沙效益越好。     

粗糙度对坡面侵蚀及泥沙分选性影响试验研究

为进一步揭示土壤侵蚀的内在规律,以某一试验小区为例,通过模拟不同地表粗糙度,分析了不同雨强条件下的坡面侵蚀产沙及泥沙颗粒粒径变化特征。结果表明:相同雨强和降雨历时下,粗糙度对坡面径流率、水流功率、径流含沙量和产沙率有显著影响;侵蚀泥沙的搬运形式与雨强和粗糙度均有关,而不同泥沙颗粒搬运方式是引起不同粗糙度坡面侵蚀产沙分异的重要原因。因此,坡面侵蚀产沙模型中应综合考虑地表粗糙度和泥沙粒径信息。研究成果可为水土保持规划设计和水土保持措施优化配置提供一定依据。