晋西黄绵土坡面径流流态与输沙特征试验研究

为了探讨晋西黄绵土坡面径流流态与输沙特征,本研究采用室内人工模拟降雨试验方法,对降雨条件下坡长对该区坡面径流雷诺数、弗劳德数、径流量、产沙量与输沙率进行量测与分析。结果表明:在雨强30~125mm/h、坡长1~5m的情况下,坡面薄层径流为层流,且为急流;径流流态对坡面水流侵蚀力有显著影响,产沙量与雷诺数呈良好幂函数关系;雨强与坡长的增大可增强径流紊动性,输沙率随二者的增大呈增加趋势,当雨强大于60 mm/h、坡长由3 m延长到4 m时,输沙率增量较2~3 m与4~5 m时小;输沙率与径流量的关系可用幂函数描述。该研究结论能够为黄土陡坡面水土流失治理和水土保持措施的布设提供一定的依据。     

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.     

新型水溶性聚氨酯对紫色土坡面产流产沙的影响

为探索新型水溶性聚氨酯防治紫色土坡面水土流失的效果,采用室内人工模拟降雨试验,分析了不同雨强条件下5%浓度的新型水溶性聚氨酯(W-OH)对紫色土坡面入渗、产流和侵蚀过程的影响。结果表明:紫色土坡面施加W-OH能显著提高土壤抗蚀性,从而减小坡面侵蚀产沙量;在42,72,112 mm/h 3种雨强试验条件下,施加W-OH组的坡面与对照组坡面相比,尽管坡面径流增大了12.40%~203.41%,但产沙量减小了89.40%~97.43%,沙输移率降低了86.67%~97.45%,且当雨强较大时(72,112 mm/h),施加W-OH组的土壤可蚀性降低率为96.80%~97.41%。研究结果为紫色土坡面防蚀提供了一定的理论依据及应用指导。     

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。     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

降雨条件下双层土坡的模型实验研究

针对降雨入渗非均质土坡的稳定问题,建立双层边坡模型进行人工降雨实验,对坡体进行含水率和孔隙水压力监测,得到了非均质土坡在降雨条件下含水率和孔隙水压力更真实的变化。基于模型实验结果的分析,得出变化规律如下:①坡体渗流趋于稳定时,含水率、孔隙水压力不仅和深度有关系,而且也与土体物理性质有关。这与均质土坡的渗流状态明显不同;②坡体含水率、孔隙水压力在降雨过程中,响应时间随深度增大而增大。雨后过程中,下层土体含水率、孔隙水压力降低速度大于上层;③相同雨强条件下,坡体含水率和孔隙水压力随降雨历时而不断增大。降雨强度越大,坡体的孔隙水压力和含水率响应时间越早,但在坡体浅表层这种时间效应不明显;④对于降雨过程中能达到稳定渗流状态的土坡,前期降雨量主要影响降雨过程中含水率和孔隙水压力的变化。研究成果为降雨入渗条件下非均质非饱和土边坡的稳定分析提供了依据。     

含砾土坡坡面降雨和坡脚浸泡模型试验研究

降雨是诱发边坡失稳的重要因素,为此开展了含砾量分别为10%,20%和40%的含砾土坡的坡面降雨和坡脚浸泡的模型试验。利用体积含水率和吸力传感器测试了含砾土坡的水土特性,观测了边坡湿润锋的发展过程,利用PIV技术研究了边坡的位移变形过程;通过控制坡脚水位及坡顶后续加载研究了坡脚浸泡作用下土坡的沉降变形规律。试验结果表明:降雨条件下,含砾量越高,土坡坡面侵蚀发育越缓慢,边坡的细粒土越容易达到完全饱和状态;坡土饱和后,含砾量10%的土坡主要以坡面侵蚀和变形为主,不易发生整体破坏,含砾量20%和40%的坡土均发生了整体滑移破坏。坡脚浸泡过程中,含砾量越高,边坡变形量越小,在水位下降过程中基质吸力恢复越快,在浸水过程中边坡吸力丧失范围越小。在坡脚浸泡及后续坡顶加载作用下,含砾量10%的土坡会产生较大变形,含砾量20%的土坡最容易发生破坏,含砾量40%的土坡稳定性良好。     

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。     

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.     

公路弃土场坡面产流特征及过程模拟

公路弃土场坡面径流的模拟对流域水资源评价和道路侵蚀模型的构建均具有重要意义。通过不同雨强(0.6～2.79mm/min)的人工降雨试验,对不同坡度(19.4%～78.1%)弃土场坡面及坡度为30.6%的弃土场施工道路的坡面径流过程进行了研究。结果表明:在小雨强下(0.6mm/min)径流显著受到土壤干容重及小区坡度的影响,而随雨强的增加,坡度及土壤干容重对径流的影响逐渐被降雨所覆盖。使用Green-Ampt入渗模型可以较为准确地计算公路弃土场坡面径流,模型有效系数达0.975。     

工程开挖面水土流失特征试验研究

针对生产建设过程中工程开挖引发严重的水土流失问题,通过野外模拟降雨试验,研究了不同开挖坡度(30°,40°,50°)坡面产流、产沙特征。结果表明:坡度、雨强均能对开挖面产流、产沙过程造成重大影响,随着坡度增大,不同雨强(0.65,1.15,1.65 mm/min)下开挖面产流、产沙参数值增大,产流率介于0.47～0.72 mm/min之间,径流系数介于0.39～0.63之间;产沙率介于8.64～49.80 g/(m²·min)之间,径流含沙量介于17.27～77.64 kg/m³之间;但在相同坡度下,随着降雨强度的增大,产流、产沙参数值的变化存在差异。产流率随雨强增大而增大,径流系数的中(1.15 mm/min)、高(1.65 mm/min)雨强无明显差异。坡度30°的开挖面产沙率随雨强的增大而增大,坡度增大时,中、高雨强坡面产沙率接近;50°开挖面产沙率和径流含沙量在3个雨强下呈高-低-高势。试验成果为开挖面水土流失的预测、评价提供数据支撑,同时也为生产建设项目水土流失防治及水土保持监督执法提供科学依据。     

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。     

黄土区坡面侵蚀时空分布与上坡来水作用的实验研究

本文采用多坡段模型，运用模拟降雨实验方法研究了坡面侵蚀时空分布特征和上坡来水来沙的侵蚀作用，结果表明：坡面各部位的侵蚀方式与雨强密切对应。定量分析得出径流量、产沙量与坡度呈对数关系，与坡长呈线性关系，与雨强呈幂函数关系，建立了产沙量与坡度、雨强及径流量的关系式。同时也建立了产沙量、产沙增量与上坡来水来沙的关系方程，上坡来水使梁峁坡和谷坡产沙量增大了20.2%～63.5%和42.9%～74.5%。     

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。     

紫色土坡面径流与侵蚀特征模拟试验研究

应用人工模拟降雨试验,对紫色土坡面径流与侵蚀特征进行了模拟试验研究。结果表明：紫色土坡面初始产流时间随着雨强的增大而减少,且在小雨强下坡度对初始产流时间的影响显著;紫色土坡面径流总量有随坡度和雨强的增加而增大的趋势,坡度较大时,雨强对径流总量影响不明显;紫色土坡面侵蚀总量随坡度和雨强的增大而增大,１０°、１５°、２０°坡的侵蚀量较大,在３１０６．０３～８１１７．０９ｇ之间,故应在坡度≥１０°的坡地上实施有效的水土保持措施。     

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。     

人工降雨和放水冲刷试验下红壤坡面径流与泥沙特征分析

南方红壤丘陵区是我国水土流失最严重的区域之一,严重的水土流失会导致土壤退化,也会影响农业生产的可持续发展,因此,研究红壤坡面侵蚀规律对南方红壤丘陵区水土流失防治意义重大。以红壤坡面为研究对象,应用人工降雨和放水冲刷试验,选择5°,10°,15°,20°四个坡度,设计0.8,1.2,2.1,2.6 mm/min四种降雨强度(相对应的放水流量分别为1.4,3.0,5.7,7.0 L/min),对红壤坡面的径流和泥沙特征进行了研究。结果表明:2种试验条件下,红壤坡面初始产流时间均随着坡度和降雨强度(放水流量)的增大而减小,尤以5°坡和0.80 mm/min降雨强度(1.40 L/min放水流量)下变化幅度最为明显,且在坡度较小时(5°和10°),人工降雨试验产流快;2种试验条件下红壤坡面径流量稳定时间为15~20 min,人工降雨试验红壤坡面泥沙量稳定时间为10~15 min,放水冲刷试验红壤坡面泥沙量稳定时间为15~20 min;径流和产沙总量随降雨强度(放水流量)和坡度增加而增大,在降雨强度(放水流量)和坡度较小时变化幅度较大;降雨试验的径流总量超过放水试验,产沙总量在降雨强度(放水流量)和坡度较小时,放水试验多,但随着降雨强度(放水流量)和坡度的增加,降雨试验多;5°坡在不同的降雨强度和放水流量下,径流和泥沙总量变化幅度最大,故应重视5°坡的水土流失预防。研究结果有助于全面了解红壤侵蚀规律,并为南方红壤丘陵区开展土壤侵蚀治理提供数据支撑。     

Experimental Study on Slope Runoff,Erosion and Sediment under Different Vegetation Types

The relationships between precipitation, vegetation and erosion are important yet unresolved issues in the field of earth surface processes. Vegetation plays an important role in controlling soil erosion. Through field simulated rainfall experiments, we analyzed the characteristics, regulation of, and correlation among the slope rainfall-infiltration-runoff, erosion and sediment under different vegetation types. The results showed that the forest effectively improved soil structure, had stronger runoff and sediment regulation and was influenced less by rainfall intensity than those under other vegetative conditions. In addition, the efficiency and pattern of the regulation of runoff and sediment varied with vegetation types as did the mechanism of action. The soil and water conservation function of forest was water storage and sediment reduction by plant root systems to reduce erosion power, increase infiltration, decrease runoff and reduce flow speed. The function of grassland was direct sediment interception based on surface vegetation canopy for runoff and sediment regulation. The root contribution to runoff and sediment reduction was relatively greater than the shoot contribution under forest conditions, whereas, the effect of shoots and roots on soil loss was almost equivalent under grassland conditions. The different spatial structures of vegetation affected runoff and sediment regulation in different ways, and plant root systems were crucial for soil and water conservation. The cumulative sediment yield of the slopes increased as a statistically significant power function of cumulative runoff. The coefficient and curve shape of function were dependent on vegetation type, soil properties, rainfall intensity and surface roughness. The process of slope runoff and sediment was divided into development, active and stable stages. These stages correlated with each other to constitute a complete rainfall-runoff and erosion-sediment process, which exhibited their own features at each stage. This study furthers understanding of the relationships between vegetation, soil erosion and precipitation.