利用REE示踪法研究坡面侵蚀转变过程

利用REE元素示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验布设方法,通过室内模拟降雨试验,研究了次降雨条件下坡面侵蚀形态的转变过程和细沟的发育发展过程。研究结果为:降雨初期坡面以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀将加快加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟累积侵蚀量都将逐渐增加,后者的增加速率大于前者,面蚀所占总侵蚀量的百分比随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量分别为面蚀量的5倍、4.3倍、2.8倍和3.7倍,面蚀量所占侵蚀总量的百分比递减到20%左右。该示踪方法,为定量区分面蚀和细沟侵蚀量,研究面蚀和细沟侵蚀的演化发育过程提供了思路和解决途径。     

黄土区土壤侵蚀链各垂直带水沙流时空分布特征研究

本文用多坡段组合模型代表黄土高原典型坡沟系统的各垂直分带,运用人工模拟降雨的实验方法,研究了坡沟系统土壤侵蚀链内各种侵蚀方式在时间和空间上的分布特征,结果表明:产沙过程呈现出多峰特点。雨强29.7mm/h时主要以面蚀为主,产沙起伏3次。雨强60.5mm/h时以面蚀与细沟蚀为主,伴有崩塌、滑塌等重力侵蚀过程。90.2mm/h时细沟发育充分,25°坡段细沟发育较多并出现浅沟现象,35°坡崩塌、滑塌剧烈。位置愈低的坡段产流量愈大,单位面积和时间的产流量按坡段排列为谷坡>梁峁坡下部>梁峁坡中部>梁峁坡上部。由于上坡来水的作用,梁峁坡的产沙量增大了20.2%～63.5%,谷坡的产沙量增大了42.9%～74.5%。有效控制上坡来水量和各坡段的产流量,坡面侵蚀产沙将会大幅度减少。     

不同因素对重庆紫色土坡面细沟侵蚀产沙过程的影响研究

为揭示重庆紫色土坡面细沟形态、降雨强度和坡度对侵蚀产沙过程的影响,通过室内模拟人工降雨试验,定量分析不同降雨强度、不同坡度、细沟形态变化和不同降雨方式对细沟侵蚀产沙过程的影响,探讨细沟侵蚀强度在不同试验条件下的变化特征。结果表明：重庆紫色土坡面细沟侵蚀径流量和产沙量均随着坡度和降雨强度的增加而增加;坡面的水沙过程与细沟在形成和发育时关系密切,产沙量和侵蚀速率与细沟形态参数有显著的对数关系（r＞0.7）。研究结果可以为紫色土耕地细沟侵蚀防治提供理论支持。     

细沟水蚀动态过程的稳定性稀土元素示踪研究

本文利用稳定性稀土元素(Rare Earth Element)REE示踪法探讨了坡面水蚀动态过程的试验方法，根据细沟侵蚀沿坡长的产沙特点，给出了元素的施放方法、施放深度和浓度的数学表述及计算方法，并进行了室内细沟侵蚀模拟实验。试验采用3个流量(2、4、8L/min)5种坡度(5°、10°、15°、20°、25°)，3次重复。试验采用8m土槽，分区段施用10种不同的稀土元素进行示踪，每个施放区长0.8m，宽0.1m，不同坡段根据侵蚀特点采用不同的施放深度。给出了根据收集到的侵蚀土壤样本中不同稀土元素的含量及总的土壤侵蚀量计算坡面不同部位的侵蚀产沙量的方法，由试验数据计算了不同水动力条件下的土壤侵蚀量沿细沟的分布，并分析了坡度和流量对坡面侵蚀量随坡长变化的影响。结果表明，REE示踪法可以示踪细沟土壤侵蚀的动态过程，且可保证一定的精度要求。由示踪方法得到的细沟土壤侵蚀量，在一定坡度和流量下，产沙量随着沟长的增加而增加，但增加的幅度越来越小，且渐趋于一个稳定值。侵蚀产沙量随着坡度和流量的增加而增加，但坡度较流量对产沙变化的影响更大。     

坡沟系统侵蚀时空分布特征试验研究

依托水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室的水土流失试验厅,采取高精度三维激光扫描技术获取坡沟系统不同侵蚀发育阶段的地形Grid数据,借助Arc GIS软件中Arc Toolbox的3D Analyst工具和数据管理工具模块的分析功能,从时间和空间角度分别对坡沟系统侵蚀发育过程进行量化分析。研究表明:1坡面侵蚀和沟坡侵蚀对坡沟系统产沙量贡献率的大小受降雨历时和侵蚀发育阶段影响,降雨初期的面蚀阶段以沟坡侵蚀为主,继而向坡面侵蚀为主转化。在雨强85 mm/h、降雨历时60 min的模拟试验条件下,降雨过程的前20 min面蚀阶段坡面与沟坡侵蚀贡献率之比约为3∶7,降雨过程的后20~60 min的细沟和切沟侵蚀阶段坡面与沟坡侵蚀贡献率之比约为7∶3;2径流含沙量与地表侵蚀空间不同步,试验条件下径流含沙量峰值区约滞后于侵蚀强度较大部位2个断面(2 m)。     

细沟侵蚀过程的双土槽试验研究

利用位于坡面上部的供沙土槽和坡面下部的试验土槽的双土槽径流小区，定量分析了不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程的影响及其细沟水流水力学特征参数与坡上来水引起的坡下方净侵蚀产沙量的关系，建立了细沟水力学参数与坡下方净细沟侵蚀产沙量的统计模型。     

岔巴沟淤地坝小流域重力侵蚀产沙量分析

以黄土高原典型流域中重力侵蚀产沙量为研究对象,选择岔巴沟流域中6个淤地坝小流域作为研究流域,以坝库中1978—2001年共22年泥沙淤积量作为流域总泥沙侵蚀量,采用中国土壤侵蚀流失模型(CSLE)并考虑沟蚀因素计算水力侵蚀量,将水力与重力侵蚀产沙量区分开来。研究结果表明:6个小流域中重力侵蚀产沙分别占流域总侵蚀产沙量的0%、51.0%、54.1%、59.0%、65.0%和67.0%;小流域中重力侵蚀产沙量与32°的沟坡面积具有显著的线性正相关关系,沟坡坡度是重力侵蚀的控制性因素,降低沟坡坡度能够显著地减少流域产沙量。     

基于自组织理论的黄土坡面细沟形成机理模型

作为面蚀向沟蚀转化的特殊阶段，细沟侵蚀在坡面侵蚀机理的研究中有着重要的意义。本文在对坡面侵蚀特点进行分析的基础上，应用自组织理论的基本思想建立了描述黄土坡面细沟形成和发育过程的模拟模型。分析表明，坡地侵蚀过程中降雨及微地貌对应于自组织系统中的无序输入，而纹沟、细沟和沟网等对应于自组织系统的有序输出。基于自组织理论的机理模型可以定量地预测坡面细沟发育的过程，而这些信息在过去只能依靠实验观测获得。模型预测与相同输入条件下的室内实验结果相近，从而说明了模型的合理性。本模型中未计入雨滴击溅的影响，这一影响也在计算结果中得到了反映。文中还对模型中参数选择的影响进行了讨论。     

上方来水来沙对细沟侵蚀泥沙颗粒组成的影响

土壤中细颗粒的流失是土壤质量恶化的重要表现之一。利用试验土槽和供沙土槽双土槽径流小区系统,分析了黄土坡面在不同降雨强度、不同含沙水流汇入条件下的细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化特征,探讨了降雨强度、坡面上方不同含沙水流汇入、细沟水流流速对细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化的影响及其机理。结果表明,上方水流的汇入使侵蚀泥沙中<0 001mm的粘粒含量呈增加趋势,0 05～0 001mm的粉砂粒呈减少趋势,而降雨强度对侵蚀泥沙颗粒组成的影响不甚明显;同时,侵蚀泥沙中粘粒含量随细沟水流流速和细沟侵蚀产沙量的增大而增加。     

黄土陡坡细沟侵蚀动态发育过程及其发生临界动力条件试验研究

研究细沟动态发育过程及其发生的临界动力条件是认识细沟发生和了解土壤侵蚀水动力过程的重要基础.本研究采用室内人工模拟间歇性降雨试验,对20°黄土陡坡细沟侵蚀动态发育、产流产沙过程及侵蚀发生的临界条件进行了研究.结果表明:(1)细沟侵蚀过程为溅蚀-跌坑-侵蚀穴-断续细沟-连续细沟,到第10场降雨结束,细沟侵蚀面积达68.32％,较发育初期增加了6.7倍,最长沟长、沟宽、沟深增加了9.8倍、5倍和3.3倍;(2)随降雨历时增加,各场降雨地表产流量前期迅速增加,随后达到稳定;含沙量变化为前期迅速增加,随后逐渐稳定并略有增加;(3)径流动能、水流功率与输沙率间均呈线性关系,径流动能更能准确揭示坡面土壤分离过程.实验条件下,黄土坡面土壤剥蚀的临界径流动能为0.013J,临界单位水流功率为0.003m/s;细沟侵蚀的临界径流动能为0.045J,临界单位水流功率为0.004m/s.     

坡面细沟侵蚀形态演变与量化研究评述

坡面细沟形态是一个降雨驱动下侵蚀产沙的微地形动态响应系统,这一地形因素体现着坡面侵蚀动力学各要素及其相互作用,是基于物理过程的水蚀预报模型的关键部分。要建立具有物理意义的坡面侵蚀产流产沙预报模型,就必须从地形角度对细沟形态及其演化过程进行深入研究。评述了近年来国内外在坡面细沟形态演变与量化领域的相关研究成果,从理论研究和观测方法两方面剖析了制约研究发展的因素,提出了推动该研究发展的对策,即:构建细沟形态量化参数评价标准,从建立"状态+时间"综合量化模式入手,以坡面细沟形态为切入点,研究一个连续降雨过程中细沟形态的发育过程与降雨侵蚀产沙过程的关系,定量揭示坡面侵蚀响应规律。     

长江中上游坡耕地侵蚀产沙调控理论与实践

针对以往长江中上游坡耕地水土流失研究中忽视壤中流,侵蚀产沙调控措施缺乏理论依据等问题,以人工模拟降雨实验为手段,基于细沟侵蚀临界坡长等理论,提出了既能截、排地表径流,又能排导壤中流的新型截水沟布局技术,改变了传统截、排水沟的设计思路。其原理是,在坡面截、排水沟的设计和布局中,以坡面细沟发育临界坡长为截水沟布设间距,阻断细沟发生,有效减少坡面侵蚀产沙和面源污染物;截获的坡面污染物通过梯级网络化调控体系排、蓄、集,经处理后可再次利用。该技术有效改善了坡耕地季节性干旱、缺肥以及河流水质问题,为长江中上游地区坡耕地侵蚀产沙调控提供了新思路。     

紫色土坡面壤中流形成与坡面侵蚀产沙关系试验研究

 采用人工模拟降雨法,在长5.0 m、宽1.5 m、6个不同坡度（10°,15°,20°,25°,30°,35°）的径流小区上,通过3个不同降雨强度（1.0,1.5,1.8 mm/min）,对紫色土坡面产流形式及侵蚀产沙关系进行了模拟试验研究。结果表明：紫色土坡面总径流主要由地表径流和壤中流两种形式组成,地表径流和壤中流在总降雨量中的比例随雨强和坡度的不同而发生变化,在相同坡度情况下,壤中流占总降雨量的比例随雨强的减小而增大,在雨强相似的条件下,壤中流占总降雨量的比例随坡度的增大而增大。普遍存在的壤中流在土壤侵蚀尤其是重力侵蚀中起到了相当重要的促发作用,甚至由壤中流促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式,这与以往研究表明的长江流域坡面侵蚀以面蚀为主的结论有所不同。     

坡面水蚀过程与地形演变关系试验研究

采用径流冲刷试验的方式对坡面水蚀过程进行研究,记录了在不同坡度和不同冲刷流量工况下坡面侵蚀量、侵蚀沟宽和溯源速度的变化。结合坡面侵蚀沟头溯源速度、断面侵蚀沟宽度等的变化曲线,分析了水蚀过程中坡面侵蚀量与地形形态变化的关系。结果表明:流量和坡度是水蚀过程的动力因素;溯源速度、沟壁的坍塌展宽及细沟的横向合并是导致坡面侵蚀量出现波动、峰值大小以及出现时间早晚的根本原因;坡面侵蚀方式与地形演变过程有着密切的关系。     

上方来水来沙对细沟水流水力学参数的影响

利用供沙土槽和细沟土槽双土槽径流小区系统 ,定量分析了粘黄土陡坡地在 5 0、90和 1 30mm h降雨强度下上方来水来沙对坡下方细沟水流水力学参数变化的影响。结果表明 ,上方来水的汇入和降雨强度的增大 ,可使细沟水流流态由层流转变为紊流。上方来水来沙使细沟水流的流速、雷诺数、弗罗得数明显增大 ,而阻力系数明显减少 ,从而导致细沟侵蚀产沙量增大。定量分析了细沟水流流速、雷诺数和阻力系数与上坡来水引起坡下方净细沟侵蚀产沙量的关系 ,建立了一定条件下净细沟侵蚀产沙量与流速相对增量、雷诺数相对增量和阻力系数相对减量的数学统计模型     

三峡库区紫色土坡耕地细沟发生的临界坡长

采用人工暴雨试验发现：相同土壤含水量条件下,10 °,15 °,20 °,25 °紫色土小区在 130 mm/h 雨强降雨下细沟发生的临界坡长平均值分别为 6.13, 4.12, 2.72, 1.55 m ,细沟发生的临界坡长与坡度呈二次抛物线关系;土壤含水量变幅为 16 ％～ 26 ％条件下细沟发生临界坡长先增长后变短。据此总结了采用地埂防治坡耕地细沟侵蚀的治理模式,针对不同坡度地块细沟发生的临界坡长,采用地埂或者分割地块,并在地埂上种植经济效益高的植物篱,既控制了细沟的发生,又弥补了地埂占地导致的农业减产;同时在旱季和雨季分别调整边沟的尺寸,调整地块土壤含水量从而控制细沟因含水量变化导致的细沟发生临界坡长缩短。     

坡面薄层流的数值模拟及在坡面流侵蚀研究中的应用

本文依据坡面薄层水流的动力波方程，由水沙动力学原理出发建立坡面细沟流侵蚀过程的模拟方法。采用动力波模式(一维非恒定流方程组)计算了坡度变化时不同细沟宽度下的细沟沟内流速，根据数值计算得到了细沟流动的Re数，以及相同净雨强和坡长下能够使细沟流速达到最大的坡度。依据泥沙运动力学的原理分析了这些结果在坡面流侵蚀过程中的意义。模拟结果表明，细沟扩宽过程对坡度和坡面表土临界起动流速的变化十分敏感。当细沟扩宽侵蚀在小区片蚀中占主要成分时，小区的片蚀总量常表现出与坡度和表层土使用方式的明显关系。     

几种坡面土壤侵蚀测量方法的比较研究

坡面侵蚀产沙信息的获取对土壤侵蚀预报模型开发和相关参数获取至关重要。采用如下方法放水冲刷法和人工模拟降雨法,通过不同的放水流量、雨强,在5 m坡长坡面上利用REE示踪法;在4 m长坡面和3 m长沟坡组成的坡沟系统上,用地形测针板法和坡面侵蚀沟量算法;在8 m长坡面和5 m长沟坡组成的坡沟系统上,用地形测针板和HDS3000高精度扫描仪测量法等,对不同空间尺度、不同侵蚀测量方法的测定结果进行了对比分析。结果表明几种方法的测量精度高低依次为HDS3000扫描仪法＞REE示踪法＞地形测针板法＞侵蚀沟量测法;工作效率高低依次为HDS3000扫描仪法＞侵蚀沟量测法＞地形测针板法＞REE示踪法。在坡面侵蚀空间分布上几种方法都可实现,但精度各有不同,实际应用中应根据需求选用不同的测量方法。