降雨条件下不同土壤类型的坡面径流侵蚀产沙试验研究

利用人工模拟降雨试验,研究我国最具代表的4种侵蚀性土壤,即红壤、紫色土、黑土和黄土,降雨雨强和坡度对坡面径流侵蚀产沙的影响以及坡面径流与侵蚀产沙的相关性,结果表明,4种土壤的坡面平均产沙强度均随降雨雨强和坡度的增大而增大,其抗侵蚀能力大小依次为紫色土、红壤、黑土和黄土;对人工模拟降雨试验坡面平均产沙强度进行二因素方差分析,计算所得的P值均小于0.05,说明降雨雨强和坡度对坡面侵蚀产沙强度的影响显著;分析4种土壤坡面侵蚀产沙与径流的关系,得出坡面产沙强度随径流强度的增大而增大,且两者之间存在较好的幂函数关系。     

不同降雨区域对泥沙侵蚀过程的影响

为了研究坡面不同降雨区域及相关降雨特性对泥沙侵蚀过程的影响,通过小尺度坡面人工降雨物理模型,设定坡面3个不同降雨区域对产流产沙响应展开研究.结果表明:峰值产沙量与峰值产流量随降雨距下游2至4m的距离增加而明显减小,且各连续过程中峰值产沙量均逐场递减;距下游2m降雨工况减幅最大,最大峰值产沙量出现在首场工况(4.897g/s).总产沙量受降雨强度影响较大,在弱雨强工况中还受降雨离下游的距离显著影响.降雨位置对泥沙质量浓度过程曲线的影响在首场降雨过程最显著,降雨初期泥沙质量浓度随降雨区域离出口距离增大而显著减小.侵蚀产沙颗粒成质量分数较原始土样砂粒质量分数明显减少.总体上,在3m位置降雨工况下泥沙质量浓度过程曲线较早呈现稳定状态,且侵蚀颗粒成分最均匀.     

植被对坡面汇流时间影响的试验研究

引发暴雨山洪的主要因素除大气降水特性以外还与下垫面森林植被状况有着密切的关系,流域植被对坡面汇流时间有着直接的影响。目前应用最为广泛的坡面汇流时间公式,以坡面长度、综合糙率、有效降雨强度及坡度的恒定指数形式表征其对汇流时间的影响,而植被对汇流时间的影响是隐含在综合糙率之中,从而无法直接利用有关植被的高精度遥感资料。本研究基于不同下垫面情况下不同坡度、不同雨强的坡面汇流系列试验,深入分析植被对坡面汇流时间的影响,引入植被覆盖度因子,结合统计分析方法,建立植被与坡面汇流时间的关系。研究结果表明:植被的种类(草或灌木)对坡面汇流时间影响存在一定差异,草植被下的坡面汇流时间大于相应条件灌木植被下的坡面汇流时间;植被覆盖度(草或灌木)对坡面汇流时间存在显著影响,坡面汇流时间随植被覆盖度的增大出现明显的增加;降雨强度、坡度对坡面汇流时间的影响也较为显著,坡面汇流时间随雨强及坡度的增大而出现明显的减小;草及灌木植被覆盖度指数随坡度及雨强变化规律基本相似,总体上草植被覆盖度指数略大于灌木植被覆盖度指数。随着雨强增大,植被覆盖度指数减小趋势较为明显;随着坡度变缓,植被覆盖度指数有所增大。本研究将植被因子从综合糙率中剥离出来,便于融合植被遥感数据,从而提高坡面汇流时间的计算精度。     

黄土坡面退水及其氮污染试验研究

坡面退水及其污染物负荷是研究坡地水文过程和污染物迁移机理的重要组成部分.通过室内模拟降雨试验,分析了黄土坡面退水情况及降雨因素、地形地貌和农业管理措施对退水的影响,同时从降雨-径流-土壤相互作用角度探讨了退水矿质氮的浓度和负荷量.结果表明:①黄土坡面退水以地表径流为主,退水时间、退水量和退水强度远小于降雨期地表产流;②降雨强度、地表覆盖(牧草和秸秆覆盖)和地形地貌(坡度和坡长)对坡面退水影响较大,降雨期和退水期的产流强度均与雨强呈对数增加趋势;③降雨停止后,坡面径流的流速减小,与土壤相互作用时间较长,致使退水矿质氮浓度普遍高于降雨结束时径流矿质氮浓度,坡长越长越明显;④坡面退水矿质氮流失以NO3--N为主,NH4 -N流失量较低.     

植被对红壤坡面侵蚀影响的试验研究

考虑种植草本植被时红壤坡面的侵蚀情况,采用室内人工模拟降雨的方法,在强降雨(雨强2.0 mm/min)、短历时(30 min)情况下,研究不同坡度、不同植被覆盖度下红壤坡面抗侵蚀效应。结果表明:当植被覆盖度40%时,随着植被覆盖度的增加,侵蚀量迅速降低,当植被覆盖度60%时,侵蚀量减小趋于平缓,故本研究的临界植被覆盖度为40%~60%;对于不同植被覆盖度的红壤坡面,其临界坡度也发生了变化,当植被覆盖度40%时,临界坡度较裸露坡面逐渐减小,当植被覆盖度60%时,随着坡度的增加侵蚀量缓慢递增,试验中没有出现临界坡度。分析其原因,指出临界坡度是土壤内在性质、植被特性、降雨等因素综合作用的结果,并不是一个常数。     

基于通径分析和灰色关联理论的坡面产流产沙影响因子分析

基于坡面不同植被措施下多场室外人工模拟降雨试验,采用通径分析和灰色关联理论研究了植被、降雨及下垫面等因素对坡面次降雨径流总量和泥沙总量的不同影响作用。结果表明:1)通径分析与灰色关联分析结果基本一致;2)降雨强度、植被覆盖度和土壤前期含水量是影响坡面次降雨径流总量的3个最重要因子,其次分别为植被类型、降雨历时、植被生长阶段和坡度;3)植被覆盖度和降雨强度是影响次降雨泥沙总量最重要的两个因子,降雨历时对泥沙总量的影响作用最小。     

降雨移动方向对坡面侵蚀泥沙浓度的影响

为了探讨降雨移动方向对坡面下游出口处侵蚀泥沙浓度特性的影响,及其产沙产流量相对比值关系,本文主要通过室内小尺度坡面人工降雨物理模型试验展开研究.结果表明：降雨向上移动时,连续降雨过程各侵蚀泥沙浓度过程曲线形态相似,而降雨向下移动时,首场与后几场工况的泥沙浓度曲线差异鲜明;针对首场后的降雨工况,降雨向上移动泥沙浓度过程曲线均出现1个峰值,峰值泥沙浓度为6~90 g/L,而降雨向下移动时均出现2个峰值,相应值为11~68 g/L,且后者在弱雨强工况下标准差最小;2类移动工况的等效侵蚀泥沙浓度在不同雨强下随产沙峰值增加的增幅均表现为：弱雨强>中雨强>强雨强.总体上,相同条件（降雨强度、降雨历时、坡面土壤特性等）下,降雨向下移动时坡面侵蚀程度比降雨向上移动时大.     

不同土地利用方式坡面产流输沙过程模拟研究

针对目前多数坡面侵蚀预测模型难以模拟土地利用变化对坡面产流输沙过程影响的问题,基于运动波方程和泥沙输移公式,给出了一种能够反映不同土地利用方式下坡面产流输沙时空变化的简化模型,并利用裸地、草地、坡耕地、灌木地及幼林地的试验及自然降雨条件下坡面产流输沙实测资料对模型进行验证,符合较好.利用该模型对黄土高原不同降雨条件下不同土地利用场景坡面产流输沙特征进行了模拟,结果表明:典型降雨条件下,5 a树龄以上的林地或覆盖度在60％以上的草地坡面标准小区基本不再发生侵蚀;坡度小于15°的裸地坡面中下部发生轻度侵蚀;十年一遇降雨条件下,10 a树龄以上的林地坡面土壤侵蚀基本得到控制,而草地调控坡面水沙的能力有限,裸地更差.对低强度短历时降雨,草地调控水沙的见效较快;对高强度长历时降雨,林地调控水沙的作用较大,两者宜配合进行;对不同坡度裸地,要严格控制坡面坡长.研究结果为优化土地利用方式提供了理论支撑.     

降雨移动方向对坡面径流的影响机理

通过基于物理概念的水文响应数值模拟,研究了降雨移动方向对坡面地表径流的影响机理.模拟中降雨移动速度不变,分别沿模拟坡面轴线向上和向下移动,降雨强度设为恒定值4.0×10-5 m/s.通过分析下游出口边界处的流量过程曲线和坡面轴线上观测点的压强水头变化,分析降雨移动对坡面径流的影响.结果表明,降雨移动方向主要是改变坡面水文条件、影响坡面水文响应,进而影响地表径流特征.当降雨沿坡面向上游移动时,坡面出口处的流量过程曲线的径流上升更早、径流峰值略低、径流从开始发生至到达峰值所需时间更长、径流整体历时略长;当降雨沿坡面向下游移动时,坡面中部及靠近下游边界部分在降雨开始前就已经饱和,从而影响产流,坡面全部达到饱和的时间更早,坡面下游边界饱和的时间略短.     

坡面植被覆盖度对泥沙输移的影响特性

植被恢复是黄土高原产沙大幅减小的重要原因之一。为探究坡面植被覆盖度对泥沙输移的作用,采用理论分析和野外小区试验相结合的方法,分析了植被覆盖度与坡面输沙率之间的关系。基于Einstein泥沙运动理论,从泥沙运动的角度对坡面泥沙颗粒的运动过程进行理论分析,建立了坡面相对输沙率与植被覆盖度的关系式Φ^''/Φ=(√(π/2Vc)-1) η/λ（η=D_v?D）。通过野外径流冲刷试验对公式予以验证,试验设置了6个流量级（流量范围在0.14-1.40L·s-1之间）,8个植被覆盖度（0-100%）,共48组试验。试验结果表明,计算值较实测值整体偏大,大流量条件下的计算值与实测值符合较好,小流量条件的计算值与实测值有一定偏差。综合理论与试验分析可知,植被对输沙能力的影响与植被覆盖度、植被株径和泥沙粒径有关;在相同的坡面地形及植被覆盖度条件下,株径较小的植被比株径较大的植被更有利于减沙;在泥沙粒径较粗的地区,坡面植被的减沙效果更为明显,同一种植被只需达到一个较小的覆盖度,便可以开始发挥有效的减沙效益;在植被覆盖度较低时,发挥有效减沙效果的覆盖度阈值是由坡面泥沙粒径和植被株径决定。     

黄土高原典型区植被对水土流失影响研究

通过对天水梁家坪、西峰南小河、绥德辛店沟1945~1986年坡面径流场的植被覆盖度及产沙数据进行定量分析,研究黄土高原典型区植被对水土流失的影响。结果表明,绥德、西峰、天水地区降雨量P（mm）、平均雨强I 平均（mm/min）、最大雨强I 最大（mm/min）、植被覆盖度C（％）与水土流失量之间多呈M＝KHa（I 平均）b（I 最大）cCd回归关系。其中,南小河沟流域的“有效植被度区间”为40％～60％,绥德辛店沟的“有效植被度区间”为20％～40％。     

Response of sediment yield to vegetation restoration at a large spatial scale in the Loess Plateau

The impact of vegetation coverage on erosion and sediment yield in the Loess Plateau has been extensively studied, but the research has been primarily based on observations from slope runoff plots or secondary forest regions; the scaling method remains unresolved when it is applied at a large spatial scale, and it is difficult to apply to regions with severe soil and water loss given the predominance of herbs and shrubs. To date, there is little data on the quantitative impact of changes to vegetation on sediment concentration at a large spatial scale. This paper is based on vegetation information from remote sensing images, measured rainfall and sediment data over nearly 60 years, and results from previous runoff and sediment variation research on the Yellow River. We introduce the concepts of a sediment yield coefficient and the percentage of effective vegetation and erodible area, analyze the impact of different vegetation conditions on the flood sediment concentration and sediment yield, and evaluate the effect of rainfall intensity on sediment yield under different vegetation conditions at the watershed scale. We propose models to evaluate the impact of vegetation on sediment yield in the loess gully hilly region, which are based on remote sensing data and support an application at a large spatial scale. The models can be used to assess sediment reduction that results from the current significant improvement of vegetation in the Loess Plateau.     

Monitoring on soil erosion and sediment delivery at a typical basin of the middle and lower reaches of the Jialing River by remote sensing

The monitoring work was performed on soil erosion in Lizixi drainage arearespectively in 1986 and 1999 by multiple methods with the information extracted from theLandsat TM imagery and Spot imagery. The variation of erosion quantity in this area iscalculated based on the monitoring result of the erosion intensity and area in these twoyears. The change of sediment delivery is also analyzed. The research result shows thatcompared to 1986, in 1999, the erosion area reduced, especially for the area of moderateintensity and above, and the intensity and quantity of erosion decreased. Compared tothis period from 1965 to 1986, the sediment delivery ratio has been changed from 0.27 to0.11 after 1986. The research result could help the decision-making for further water andsoil conversation work in Lizixi drainage area, and it also offers reference for monitoring, evaluating and predicting soil erosion in other drainage areas.     

A Study on sediment sources in a small watershed by using REE tracer method

In simulation experiments, rare earth element (REE) tracer method was first used to sludy the sources of sediment yield in a small watershed. The experimental results have shown that the chief parts of sediment sources are constantly changing with the development of gullies. The cutting erosion plays a major role in the primary stage of watershed development. Slope erosion intensity increased gradually with gully development of the watershed, while gully erosion intensity decreased. Similar process was also observed in an individual rainfall. The simulation experiments have shown that the method can satisfactorily interpret the origins of sediment yield of a small watershed on an effective way. The simulation experiments have also provided basic information for field researches.     

人工降雨条件下紫色土养分流失特点的试验研究

研究了在人工降雨条件下坡地紫色土的土壤侵蚀及养分流失的特点。结果表明:养分流失与土壤侵蚀密切相关,影响土壤侵蚀的因素也影响养分流失,如植被、降雨强度,坡度等;侵蚀泥沙中养分含量比表土高;施用肥料在降雨过程中大多数易流失,但紫色土对肥料有一定的截留。     

矿区废石场覆土层垂直侵蚀特征的初步分析

研究选择云南大红山铁矿,采用人工模拟降雨技术,首次对矿区废石场覆土层垂直侵蚀进行了实验研究,初步发现了垂直侵蚀的主要特征.研究表明,垂直侵蚀造成覆土层土壤向下迁移,除小部分截留在废石中,大部分成为土壤损失冲带到更深层废石中;垂直侵蚀随降雨强度、降雨历时的增加而增加,不同土壤的侵蚀临界降雨量不同;垂直侵蚀与土壤渗透呈高度的正相关关系,还与土壤含砂量、孔隙度、通气度呈正相关,与土壤含水量呈负相关;实验发现,垂直侵蚀可以分为土相渗蚀和岩气相冲蚀2种形态,发生方式不同,前者的发生过程分成土壤润湿、强度侵蚀、侵蚀减弱3个典型阶段,三者水动力条件不同;垂直侵蚀一旦发生,可能导致极强度土壤侵蚀,造成十分严重的水土流失.