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。     

连续降雨下黄土陡坡开裂及稳定性评价

连续降雨导致边坡失稳破坏是黄土边坡常见的地质灾害之一。为了深入研究连续降雨对黄土陡坡渗流场、变形场及稳定性的影响,利用具有侧向隔渗和纵向减阻作用的隔离槽技术对黄土陡坡的两侧降雨边界进行处理,在此基础上开展黄土陡坡现场连续降雨（6 d）试验并进行数值模拟分析,描述了黄土陡坡开裂过程和特征,分析了坡体含水率和孔压响应,并探讨了裂缝对陡坡稳定性的影响。结果表明：边界隔离会导致连续降雨陡坡坡顶形成近乎横向贯通的裂缝,基本消除了局部降雨以外土体的边界约束效应;连续降雨后期陡坡开裂对坡体含水率及孔压分布产生较大影响,最大含水率及孔压中心以裂缝为竖向对称轴下移,并造成降雨结束4 d后水分总下渗深度为降雨期间的1.3倍;连续降雨导致陡坡的安全系数降低了58%,而降雨结束4 d后陡坡的安全系数提升了9%,降雨期间边坡开裂极易引发陡坡上半部滑坡。研究结果可为黄土地区边坡的降雨灾害防治提供参考。     

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.     

工程堆积体坡面细沟流水力学参数特性研究

为采用水力学参数特性揭示黄土高原沟壑区工程堆积体坡面土壤侵蚀过程,开展了野外放水冲刷试验。通过组合不同流量(35、45、55L/min)、不同坡度(24°、28°、32°)的试验,对坡面沟蚀发生发展过程中的水力学参数特性进行了研究。结果表明,坡面细沟水流的平均流速与水深主要受流量控制,二者均与单宽流量呈幂函数关系,且流速随冲刷时间的持续和冲刷形态的变化呈现上下起伏—瞬时增大—稳定的波动或减小—趋于稳定的变化历程。在所有坡度和流量范围内,雷诺数Re在42.9~1 082.8之间变化,雷诺数Re随坡度的增大呈先减小后增大的抛物线趋势。由坡面流弗劳德数Fr随冲刷历时变化情况表明,坡面径流形态是由急流向缓流发展。阻力系数f在0.019~0.94之间变化,f随坡度的增加先减小后增加,且随雷诺数Re的增大而增大,二者之间呈显著的指数函数关系。粗糙系数n随雷诺数增大而增大,且其与雷诺数存在显著性的指数函数关系。研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供一定的参数,对解决生产建设项目弃土弃渣场、取土场等水土流失问题具有重要的作用。     

黄土地区公路边坡降雨侵蚀灾害易损性评价

针对黄土地区公路边坡受降雨侵蚀破坏较为频繁的情况,将降雨侵蚀灾害作为一个单独的灾种,阐述黄土边坡降雨侵蚀破坏机理。降雨侵蚀破坏的偶然成分很少,边坡抗灾能力受到威胁的程度需要提前预测,使工程提前采取相应措施。研究建立黄土地区公路边坡降雨侵蚀灾害易损性的评价方法和评价流程,采用侵蚀模数作为评价指标,通过分析USLE水土流失方程中各因子的取值和计算方法,计算某黄土地区的侵蚀模数,根据易损性等级的划分分析出边坡受降雨侵蚀的易损性和抗灾能力,发出预警信息,以便及时采取预防措施,减少和控制灾害的发生。     

黄土区陡坡径流水动力学特性试验研究

通过黄土水槽冲刷试验，初步研究了黄土区坡面径流的水动力学特性。陡坡径流的流态属于急紊流，且具有时空分异特征。随着坡度的增加，径流雷诺数Re和Darcy-Weisbach阻力系数f均呈先增后减的抛物线趋势。f与Re之间存在幂函数正相关关系，而f与弗劳德数(Fr)之间存在幂函数负相关关系。     

黄土地区土壤侵蚀特性的探讨

黄土高原地区的土壤侵蚀现象极其普遍且十分严重,本文试图从坡地特性、河流作用等方面分析土壤侵蚀的基本特性,并针对我国的土壤侵蚀的实际情况提出了相应的防治措施.     

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%。     

坡面植被分布对降雨侵蚀的影响研究

在黄土高原约15°的自然荒草坡面上,对两个坡面小区进行野外模拟降雨实验,其中一个从坡顶向坡底逐渐破坏地表植被和结皮,另一个从坡底向坡顶逐渐破坏地表植被和结皮,分别对破坏过程中各种植被面积下的降雨产流产沙量进行比较,结果认为:在相同面积条件下,位于坡底的植被比位于坡顶的植被保水作用高2.4倍,保土作用高2.8倍;随着植被面积的减少,坡面产流量和产沙量呈不均匀的增加趋势,在不同的植被面积变化范围,坡面产流量和产沙量的增幅不同。     

黄土丘陵区坡面薄层水流侵蚀动力机制实验研究

根据人工模拟降雨试验，研究了黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀水动力过程。结果表明：薄层水流的流速～流量、阻力系数～雷诺数及弗罗德数～雷诺数等3种关系均呈幂函数形式，除阻力系数～雷诺数关系递减外，其余均呈递增。降雨所形成的坡面流属过渡流和紊流，坡面流在时空分布上是非稳定和非均匀的，是在下垫面和降雨影响下严重受扰的扰动流，且具有急流的特点。薄层水流的这种流态特征是侵蚀形成的动力原因。分析了径流量与坡度、雨强，产沙量与坡度、雨强及径流量之间的关系，对深入揭示坡面侵蚀产沙规律有重要的意义。     

基于自组织理论的黄土坡面细沟发育特征分析*

结合作者提出的坡面发育自组织模型，本文对典型坡度条件下坡面的发育过程进行了模拟，并重点分析了面蚀与沟蚀在坡面侵蚀中的关系，尤其是关于面蚀和沟蚀贡献大小的转化机理这样一些过去无法预测的方面。结果表明，面蚀与沟蚀在侵蚀机理上有本质的区别。当坡度小于20°时，面蚀在总体侵蚀中所占的比例随坡度的增大而迅速减小；当坡度大于20°时，其减小速度随坡度的继续增加则明显变缓。由面蚀为主向沟蚀为主的转化过程之快慢，在土壤及降雨等条件一定时与坡面的坡度关系很大。15°以下的缓坡面蚀向沟蚀转化的时刻远远滞后于20°以上的陡坡。这种差异可能是由于陡坡发育过程中坡面破碎程度远远高于缓坡所造成的。     

EUROSEM模型对晋西黄绵土坡面侵蚀过程的模拟应用

晋西黄绵土坡面因其土壤、降雨等条件极易造成严重水土流失,本文基于不同坡长(2、3、4m)与雨强(60、90、120 mm/h)组合方式下的野外人工模拟降雨试验,应用EUROSEM模型对坡面径流侵蚀过程及产流产沙总量进行模拟,通过对比分析模拟值与实测值,评价该模型对晋西黄绵土坡面土壤侵蚀过程的模拟效果及在该区的适用性.结...     

黄土高原风水蚀交错带风力作用对流域产沙贡献的空间特征研究

利用黄土高原风水蚀交错带水文站水沙资料及有关气象资料,分析了风力作用对流域产沙贡献的空间特征。结果表明:风沙区并不是风蚀贡献最大的区域,风蚀贡献率约为1/4。风沙区和黄土丘陵沟壑区交界处的风蚀贡献急剧增大。靠近风沙区并有零星片沙分布的区域,风蚀贡献率约为1/3。风蚀贡献最大的区域为穿过风沙区和黄土丘陵沟壑区的流域,约为2/5。黄土丘陵沟壑区,风蚀贡献率约为1/10～1/4。河源梁涧区的风蚀贡献率小于1/10。风蚀贡献率的大小依次为河源梁涧区<黄土丘陵沟壑区<风沙区<风沙区和黄土丘陵沟壑区交界处<穿过风沙区和黄土丘陵沟壑区的流域。整个黄土高原风水蚀复合区风力作用产生的输沙量接近流域总输沙量的1/10～1/5,风沙入河量占d>0.05 mm粗泥沙年输沙量的1/4。     

黄土高原小流域分布式水蚀预报模型

本文基于黄土高原丘陵沟壑区小流域地形复杂、径流与侵蚀产沙具有明显垂直分带性的特点,以栅格DEM(Digital Elevation Model)为基础,提出由水文模块和侵蚀模块两部分组成的黄土高原小流域分布式水蚀预报模型。水文模块包括降雨、截留、微地形表面存储、入渗、地表径流和沟道流过程,采用运动波方程实现汇流演算;侵蚀模块考虑雨滴击溅分离、坡面薄层水流、细沟水流、浅沟水流和沟道流剥离与沉积等基本过程,运用泥沙物质平衡原理完成泥沙输移计算。应用模型对次降雨事件模拟的初步结果表明,模型对中度以上侵蚀性降雨事件的模拟精度在85％以上。