降雨强度和坡度双因子对紫色土坡面侵蚀产沙的影响

利用室内模拟降雨试验研究了降雨强度和坡度双因子对紫色土坡面侵蚀产沙过程的影响.试验结果表明:坡面产沙过程和侵蚀形态的演变与降雨强度和坡度的变化密切相关,降雨强度和坡度增大使径流量很快达到细沟发生的临界流量并加剧细沟形态的演变过程,产沙率由于细沟的产生和发展而急剧增加,并呈现跳跃性的波动.各降雨强度下,在5°～25°范围内,侵蚀量随坡度的增大而增大,30°时开始减小,在25°附近存在坡面侵蚀的临界坡度.降雨强度和坡度两个因子对侵蚀量的贡献率存在对比消长关系.降雨强度和坡度都较小时,坡度对侵蚀过程起主导作用;当降雨强度较大或者达到临界坡度以后,则降雨强度对侵蚀过程起主导作用.     

模拟降雨下枯落物调控坡面产流产沙过程及特征研究

本研究采用模拟降雨实验的方法,研究了30、60和90 mm/h降雨强度下,5种枯落物覆盖坡面径流的水动力学特征,以期揭示枯落物覆盖条件对坡面产流产沙过程及其径流水动力学特征影响。研究结果表明:坡面平均产流率和产沙率随降雨强度增大而增大,随枯落物生物量增加而减小,并且与降雨强度和枯落物生物量之间均为指数函数关系;坡面流量-历时曲线稳定流量值主要受降雨强度的影响;产沙率-历时曲线稳定产沙率受降雨强度和枯落物生物量等多种因素的影响;枯落物覆盖对坡面径流水动力学特性有显著影响,相比于裸坡覆盖有50、100、150、200 g/m~2枯落物坡面径流平均流速相比裸坡减少率分别在17.7%、26.8%、37.9%、53.7%;雷诺数减少率分别在11.2%、18.7%、26.3%、33.4%左右;弗劳德数减少率在21.3%、30.3%、42.9%、61.2%左右,Darcy-Weisbach阻力系数增大了0.5~5.6倍;产沙率与Darcy-Weisbach阻力系数呈对数关系,与剪切力和径流功率呈线性关系,枯落物能显著增大径流临界剪切力和功率;产沙率(Dr)和各水动力学因子间有良好的相关关系,相关程度顺序为:RewVPFrft。     

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。     

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。     

坡沟系统侵蚀产沙及其耦合关系研究

利用变坡度坡沟系统模型和人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下的坡沟系统产流产沙过程,揭示了坡面沟道侵蚀产沙耦合特征。结果表明:坡沟系统累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈显著的幂函数关系,随着降雨时间的增大而增大。梁峁坡面来水径流量与沟坡净侵蚀量之间呈幂函数关系,梁峁坡面来水含沙量与沟坡净侵蚀量之间呈反线性相关。从水力学角度对坡沟系统单位水流功率与单宽输沙率的关系进行了分析,得出试验条件下的临界单位水流功率值为0.0043m/s,输沙率随单位水流功率的增大而增大。     

生草覆盖条件下不同降雨强度对紫色土坡面侵蚀产沙的影响

造林种草,增加植被覆盖度是防止土壤侵蚀的重要措施.通过人工模拟降雨试验,探讨生草覆盖下紫色土坡面侵蚀产沙的动态变化.结果表明,有生草覆盖的坡面径流含沙量较裸地的径流含沙量更快达到稳定状态;坡面侵蚀产沙率随覆盖度增加呈指数型递减,且坡下种草的减沙效果最好;覆盖度与降雨强度对坡面侵蚀产沙量的影响存在对比消长关系,但生草覆盖度对产沙量的影响小于降雨强度的变化对产沙量的影响.     

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。     

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。     

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.     

坡度对三峡库区紫色土坡面径流侵蚀的影响分析

基于运动波理论,在紫色土坡面径流侵蚀力和径流侵蚀能力的影响因素分析基础上,对三峡库区紫色土坡面土壤侵蚀的临界坡度进行了分析,分析结果表明:(1)坡面径流流量、水深和流速均随降雨强度的增大而增大,坡面径流流量和坡面径流水深随坡度的增大而减小,而流速随坡度的增大先增大再减小,在坡度为33.21°时达到最大值;(2)坡面径流侵蚀力随着降雨强度的增大而增大,而坡度对它的影响较为复杂,这个特定坡度随降雨强度和坡长的增大而减小,随坡面土壤颗粒粒径的增大而增大,对紫色土坡面而言,在37.14°～46.19°之间;(3)坡面径流侵蚀能力在临界坡度处达到最大值,临界坡度是一个变量,随降雨强度和坡长的增大而减小,随坡面土壤颗粒粒径的增大而增大,紫色土坡面径流侵蚀的临界坡度在35.93°～40.78°之间.     

红砂岩侵蚀区典型水土流失治理模式减流减沙效应

阐明小区尺度下不同水土流失治理模式的减流减沙效应,可为大尺度上的水土流失治理提供科学依据。以红砂岩侵蚀劣地为研究对象,采用野外径流小区长期定位试验的方法,分析自然降雨下典型水土流失治理模式的减流减沙效应及其对降雨要素、降雨雨型的响应规律。结果表明:试验观测期间,裸露地表径流系数为0. 66,土壤侵蚀量为0. 07 t/hm2,生态或经济开发治理后减流减沙效应均能达90%以上。地表裸露坡面产流产沙受降雨量、雨强影响显著,生态恢复模式降低了降雨要素对坡面产流产沙过程的影响,经济开发模式受降雨量影响显著。大雨强、短历时的降雨雨型是坡面产流产沙的主要雨型,对裸露坡面产流产沙的贡献将近50%,生态或经济开发治理后该雨型对产流产沙的贡献明显提高,增幅以经济开发模式大于生态恢复模式。因此,生态恢复和经济开发均是治理红砂岩水土流失的有效途径,应将生态恢复和经济开发治理相结合,使水土流失治理模式不仅具有水土保持功能,同时提升生态服务价值,促进当地的经济发展。     

施加聚丙烯酰胺后坡长对侵蚀产沙过程的影响

坡长是影响坡面径流和水流侵蚀产沙的重要地貌因素之一。本研究通过一系列人工模拟降雨，研究了在不同条件下坡长对侵蚀产沙过程的影响。试验中测取了3种雨强（50mm/h、100mm/h、150mm/h）、4种坡度（5°、10°、20°、25°）、4种当量坡长（8m、16m、24m、40m）和5种地表处理（对照、麦草覆盖和3种聚丙烯酰胺覆盖度）的产流和产沙量。试验结果表明，不同的雨强、地表处理和坡度下，坡长对侵蚀产沙过程的影响也不同。     

晋西北典型黄土陡坡急流冲刷调查研究

随着气候的变化,近年来晋陕北部暴雨集中,来势快急,对当地黄土高原造成巨大影响,陡坡急流造成坡面大量崩塌、滑坡,形成了侵蚀堆积体和沟道泥石流,对乡村和中小城镇造成安全威胁。为了研究晋西北典型黄土高原陡坡急流冲刷情况,通过资料搜集、野外勘察和测量,选取黄土裸坡冲刷状况进行取样和现场实测,获得当地降雨资料,并得到 3 种典型裸坡的侵蚀特征、形态参数和颗粒级配。通过建立边坡泥沙颗粒受力模型,分析裸露黄土边坡坡面急流冲刷的发生条件。研究发现: 降雨特征、土层特性与边坡形态共同影响着边坡冲刷侵蚀的发展。边坡冲沟沟深沿程呈波动趋势,直线型边坡冲沟沟深随径流量的增加而增大; 凹型边坡冲沟沟深随径流量的增加而增大,随坡度的增大而减小; 凸型边坡冲沟沟宽沿程沟深随径流量的增加而减小,随坡度的减小而减小。边坡冲沟沟宽沿程呈抛物线变化趋势,沟宽沿 BC 坡段减小,沿 DE、FG 坡段增大。     

人工降雨条件下扰动坡面土壤侵蚀规律研究

应用人工模拟降雨实验,拟定3种不同雨强对砂土、粉壤土、石质土和黏土4种`不同土壤质地扰动坡面产流产沙规律进行研究。结果表明：地表径流的产流开始时间随着雨强的增加缩短,在3.3~24.9min之间变化;坡上、坡中、坡下的径流流速呈现递增的趋势,但是整个坡面的单位水流功率在降雨过程中变化不大;石质土和黏土的产沙量最大,且在降雨过程中呈现先增后减的趋势,而砂土和粉壤土的产沙量不大且呈现增加的趋势;同一坡度同样降水量情况下产沙量呈现石质土>粉壤土>砂土的规律;黏土坡面的产沙量随着雨强的增大而增大。     

不同下垫面红壤坡地壤中流对自然降雨的响应

壤中流是红壤坡地降雨产流的重要组成,但其发生机理与定量化一直是研究的难点。本文通过野外大型水分渗漏小区长期定位观测,研究自然降雨条件下,不同下垫面(百喜草植草覆盖、百喜草干草敷盖与地表裸露)红壤坡地壤中流产流特征及其关键影响因素。结果表明:(1)植草覆盖和干草敷盖能有效减弱红壤区降雨季节性差异对地表径流的影响,降低地表径流,促进壤中流发育;(2)植草覆盖与干草敷盖的次降雨地表径流系数是地表裸露的10.80%和12.55%,而壤中流次降雨径流系数为地表裸露的2.47倍和3.22倍;(3)下垫面条件能显著影响壤中流的输出特征,地表裸露壤中流主要发生在60 cm层,次降雨径流系数是30 cm层的1.29倍,植草覆盖和干草敷盖主要影响30 cm层,对60 cm层影响较小,且30 cm层次降雨径流系数是60 cm层的1.44倍和2.22倍;(4)春季是植草覆盖与干草敷盖30 cm层壤中流的主要输出季节,输出量占全年的34.90%和39.63%,随着土层深度增加,60 cm层壤中流季节性差异降低;(5)壤中流受降雨量和降雨历时两个因子影响显著,与降雨强度无显著关系。在红壤坡地侵蚀治理过程中,科学的坡面覆盖类型能有效调节坡面降雨-径流特征,控制降雨侵蚀,该研究有助于进一步认识红壤坡地土壤侵蚀机制及防治。     

黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究

利用室内模拟实验的方法对典型坡度条件下黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行了研究。通过对水沙测量结果的统计分析，同时结合实验中对重力侵蚀现象的观测，给出了实验条件下的临界重力侵蚀含沙量，以此为依据计算了重力侵蚀产沙量及重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”。结果表明，在细沟发育过程中，重力侵蚀产沙量存在着由增大到减小再到波动的变化趋势，这一趋势对坡面产沙变化具有重要的影响。重力侵蚀发生的中值时间则由小变大，反映了细沟发育的不同阶段重力侵蚀由以沟头坍塌为主向以沟壁崩塌为主的转化过程。     

黑垆土坡面细沟形态演变规律试验研究

为探究黒垆土坡面细沟形态变化规律,运用三维激光扫描技术和人工模拟降雨方法,以黑垆土为对象,选取60 mm/h雨强对面积为15 m~2的20°坡面进行历时均为1 h的三场模拟降雨试验,分析了黑垆土坡面细沟发育过程。结果表明:(1)前两次降雨坡面以断续细沟为主,侵蚀方式主要为溯源侵蚀,第二场降雨结束时,细沟累积长度、平均宽度、平均深度分别为38.17 m、0.19 m、0.10 m,坡面细沟总面积占试验土槽面积的19.8%;第3次降雨坡面以连续细沟为主,细沟溯源侵蚀作用减弱,细沟沟壁崩塌和沟底下切增强,细沟累积长度减少5.66%,细沟平均宽度、平均深度、总面积分别增加了26.32%、60%、24.24%。(2)细沟平均宽度、平均深度、等高线偏离度沿斜坡长呈先增后减再增的波动现象,随着降雨场次的增加,细沟形态参数在沿坡长4～6 m处的最大值出现上移。径流能量的消长对坡面细沟形态演变规律具有明显影响。(3)细沟宽度和细沟深度在前两场降雨随距细沟沟头长度的增加呈先增后减趋势,在第三场降雨呈先增后减再增的趋势。细沟深度随细沟宽度的增加而增加,在当细沟深度到达犁底层后,细沟深度增加变缓,细沟宽度增加变快。     

模拟降雨条件下开挖面土壤侵蚀测算模型研究

为科学治理工程开挖坡面水土流失问题,采用野外人工模拟降雨试验,设计了5种雨强(30,60,90,120,150 mm/h)和3种坡度(10°,20°,30°),系统分析了不同情景下雨强、坡度、径流率、径流流速、水流剪切力及水流功率同坡面剥蚀率之间的关系。结果表明:工程开挖坡面剥蚀率Di与坡度S相关性不显著(p 0.05),与雨强I、坡度和雨强的交互作用(I×S)呈极显著相关(p 0.01);采用3种常用的细沟间侵蚀模型来计算工程开挖坡面土壤剥蚀率,就拟合效果而言,幂函数型坡度因子指标更适用于工程开挖坡面土壤剥蚀率的计算;采用径流流速、水流剪切力和水流功率为代表的水动力学参数来计算土壤剥蚀率,就拟合效果而言,水流功率是描述其细沟间侵蚀动力过程的最理想水力参数。研究成果可为建立工程开挖坡面水土流失量预测模型提供技术参数和依据。