植物茎秆影响坡面径流水动力学特性研究

为深入揭示植被覆盖下坡面流阻力的内在规律,在考虑植被段前壅高和段后水深的基础上,系统研究了植被茎秆覆盖度为32.32%时6个坡度和12个流量组合下坡面流的流动特性。结果表明:在植被茎秆覆盖度为32.32%条件下,当坡度小于6°时,坡度对平均流速影响与流量相当,而坡度大于6°时,坡度对流速的影响甚微;试验过程中,壅水区水深与平均水深均随着流量增加而增大,而尾水深则略有波动;植被阻力系数随雷诺数的增加而增大,而随弗汝徳数的增加而减小,这是植被的粘滞阻力和压差阻力相互作用的结果。该成果为进一步研究植被覆盖下坡面流水动力学特性提供理论依据,进而对水土流失治理及生态修复均具有一定的指导意义。     

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。     

坡面水流水动力模型研究

随着城市规模的快速增长,立交桥等陡坡道路建设过程中面临的积水问题越来越受到重视。为研究变坡水槽降雨径流的水力学特征,借鉴一维坡面流的基本方程,以 Roe 格式近似黎曼解方法为基础,建立了模拟自然降雨条件下不同坡度坡面流运动情况的数学模型,通过人工降雨实验验证了16 种工况下流速的拟合情况。实验结果显示,实测值和计算值之间的相对误差在0. 6% ～17. 4%之间波动,总体上维持在15%以内。计算值和实测值表明,坡面流速、水深跟降雨强度和坡度均成正比关系,符合实际情况。同时,两者之间表现出较好的拟合度,说明了该模型具备模拟坡面薄层水流的能力。     

川东紫色土及母质水理性研究

正确了解和评价紫色土的水理性质,是防止紫色土区产生不良环境问题和工程问题的关键。通过测定川东沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组紫色土及母质理化参数、黏土矿物成分、母质水分特征曲线以及遂宁组紫色泥岩崩解率随含水量和时间变化规律,比较了3种不同黏粒含量紫色土母质水分特征曲线之间的差异,分析了遂宁组紫色泥岩在不同条件下的崩解特征。结果表明：沙溪庙组、遂宁组、蓬莱镇组紫色土黏土矿物成分主要为水云母,其次是蒙脱石等,不含其他区域紫色土中普遍存在的高岭石和蛭石,主要化学成分中的硅铝比值较其他地区紫色土中的硅铝比值低;不同母质发育而成的紫色土持水率由高到低依次为蓬莱镇组、沙溪庙组、遂宁组;快速崩解是紫色泥岩区紫色土别于其他土壤的特性之一。     

坡面流侵蚀与水动力学参数间关系的试验研究

坡面流侵蚀量与水动力学参数具有特殊关系,为建立侵蚀量与坡面流流速、剪切力和断面单位能量间的定量关系,通过室内人工降雨坡面流模型试验,针对不同坡比、不同降雨强度条件进行了坡面流流速、产沙率等要素的系统试验测量。利用参数分析法,通过标准差、变异系数和决定系数之间的对比评价,优选出与侵蚀输沙相关程度较高的动力学参数。结果表明:坡面流剪切力线性关系式用于描述坡面流输沙的变化过程具有较好的模拟效果。     

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。     

坡面流水动力学特性分析

为了研究坡面流的水动力学特性,提出了考虑河床坡度以及降雨动量的坡面降雨径流计算方法,建立了基于Roe格式的坡面流水动力模型。结合相应的试验进行了模型验证,结果表明模拟值与实测值比较接近。应用该模型模拟了自然降雨条件下的坡面流运动情况,分析了坡面流流速、水深及出流断面单宽流量的变化规律,并对其影响因素进行了敏感性分析。模拟结果显示:坡面流流速、水深均随降雨强度、坡长及坡度的增大而增大,其中坡度的影响最为显著;出流断面单宽流量随降雨强度的增大而增大,随坡度的变化不显著。     

底坡变化对坡面流水动力学特性影响研究

坡度是影响坡面流水动力学特性的重要因素之一,采用变坡试验水槽在变化水深条件下模拟坡面流,用于研究7种不同坡度对水动力学特性的影响。结果表明:水力坡度、弗劳德数、雷诺数随坡度增大而增大,阻力系数随坡度增大先增大后减小;在相同坡度条件下,弗劳德数随水深增大先减小后趋于稳定,雷诺数随水深增大而增大;当0≤J≤1.5%时,水力坡度随水深增大先减小后趋于稳定;当2%≤J≤3%时,水力坡度随水深增大先基本不变后减小。     

珠江三角洲地区河网水动力学模型研究

对珠江三角洲河网区河道进行了概化，利用一维非恒定流基本方程组，河网节点连结方程及边点方程建立了珠江三角液河网区水动力学模型，将参加计算的方程分成微段，河段，汊点三级，采用逐级处理再联合运算的方法（即所谓的三级联解法），求得河网中各计算断面的水位，流量等值，利用丰，平，枯，三期的实测资料对模型参数进行了率定，率定后的模型计算值和实测值吻合较好。     

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。     

坡面水蚀动力因子与土壤剥蚀率灰色关联分析

为了确定何种水蚀动力因子能准确地描述径流剥蚀土壤的过程,本文在坡度为3°到30°和流量为2.5L/min到6.5L/min范围内采用土槽径流冲刷试验,运用灰色关联分析法,系统地研究了坡面水蚀动力因子(流量、单宽径流能耗、水流剪切力、水流功率和单位水流功率)与土壤剥蚀率之间的关联度。结果表明：流量相同时,水流剪切力与土壤剥蚀率关联度最大,呈幂函数关系;坡度相同时,单宽径流能耗与土壤剥蚀率关联度最高,两者呈线性关系。     

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.     

不同起始条件下坡面薄层紫色土水分和壤中流响应

通过原位人工模拟降雨试验,运用数理统计方法对描述土壤水分过程和壤中流过程的参数进行了分析,定量研究了降雨强度和表土结皮程度（用0-5mm表土容重表征）对薄层紫色土坡面土壤水分和壤中流的影响。结果表明：（1）土壤水分湿润峰平均运移速率在0．28—1．63mm／s之间,优先流特征明显;（2）降雨强度和表土结皮程度是影响土壤水分过程和壤中流过程的主要因素,降雨强度增加有利于优先流的发生和发展,而表土结皮的形成是阻碍优先流发生和发展的主要原因。     

紫色土丘陵区典型生态-水文单元径流与氮磷输移特征

通过对紫色土丘陵区典型农业-集镇-林地复合型小流域3次降雨-径流全过程的连续监测,测定了径流过程中泥沙含量和不同形态氮磷浓度,以期认识典型农村生态-水文单元降雨径流过程中氮磷迁移规律。结果表明：降雨-径流过程中悬浮泥沙的流失主要集中在径流前期,其峰值出现在雨强最大时;集镇径流污染的影响主要表现在径流前期,是径流前期铵态氮偏高的主因;降雨-径流过程中,颗粒态氮与可溶态氮比（PN/DN）、颗粒态磷与可溶态磷比（PP/DP）的峰值均出现在雨强较大时：其中 PN/DN 多小于1,而 PP/DP 范围为1.1~30.2,说明氮素流失主要通过可溶态的方式,而磷的迁移以颗粒态磷为主。因此在紫色丘陵区建议利用湿地植物与沉砂池等综合措施控制土壤侵蚀和非点源污染以保护当地生态环境安全。     

红壤坡地降雨产流的数学模拟及其过程分析

本文采用一维运动波理论建立了自然降雨下红壤坡地产流模型,应用Preissmann隐式格式对模型进行了数值求解,通过实测资料进行验证,计算值与实测值的相对误差最大不超过17%,说明该模型是合理的,可以描述不同雨型下不同水土保持措施的红壤坡地产流规律。将试验实测的降雨过程输入到本文建立的模型中计算,得到不同雨型下的产流过程。通过分析表明：百喜草覆盖与敷盖措施的起始产流时间明显滞后于裸露地,而洪峰流量也明显小于裸露地,说明百喜草覆盖与敷盖措施都有明显的削峰滞后作用。     

红壤坡地降雨产流的数学模拟及其过程分析

基于运动波理论建立了自然降雨下红壤坡地产流模型,应用Preissmann隐式格式对模型进行数值求解,并通过实测资料对模型进行验证,结果表明计算值与实测值的相对误差最大不超过±17%,说明该模型是合理的,可以描述不同雨型下不同水土保持措施的红壤坡地产流规律。将试验实测的降雨过程输入到本文建立的模型中计算,得到不同雨型下的产流过程。分析表明:百喜草覆盖与敷盖措施的起始产流时间明显滞后于裸露地,而洪峰流量也明显小于裸露地,说明百喜草覆盖与敷盖措施都有明显的削峰滞流作用。     

四川丘陵区常规耕作制下紫色土径流发生特征及其表面流数值模拟

设计了一种简单的壤中流观测系统来研究不同降雨产流事件的过程,结果表明：(1) 在小雨时,只有表面径流发生;而且,当雨前土壤较干燥,降雨初期雨强陡然增大的情况下,表面产流峰有特别明显滞后现象,这是由于临时相对不透水表层形成之故。(2) 在暴雨和大暴雨时,表面径流和壤中流都有发生;壤中流比表面径流滞后更明显;壤中流在雨后的产流历时与降雨无关;在大暴雨时,耕作层的壤中流水位过程曲线与表面径流相似,说明耕作层的大孔隙和管流明显。(3) 在小雨和暴雨时,表面流由超渗产流机制形成;在大暴雨时,表面流主要由饱和超渗产流机制形成,只有少部分回归流。(4) 表面径流的数值模拟能揭示表面产流的一般趋势,而且有一定的有效性,通过调整模拟参数,能使模拟效果更佳。     

赣南红壤坡面不同措施径流泥沙及氮磷污染输出试验研究

选择赣南于都县左马小流域的典型红壤坡面,通过在研究区布设标准径流小区,进行了不同措施径流泥沙及氮磷污染输出的试验研究。通过径流小区的试验观测分析表明:水保林+水平竹节沟式综合水保措施实施初期,平均减流和减沙效果达到近73%,以植被增加地表覆盖度,以水平竹节沟坡面水保工程截短坡长,分段拦蓄径流泥沙,可实现保水保土目的;经果林+坡面工程或绿篱是坡地经济果业开发保持水土的重要措施,工程措施在初期发挥作用较绿篱更大;氮磷等面源污染随水土流失从坡面输出,试验区不同措施氮素输出多以径流携带为主,磷素输出均以泥沙携带为主;经果林+工程措施对径流携带氮磷拦截率较高,水保林+工程措施对泥沙携带氮磷的拦截率较高,都在75%以上。     

不同植被重建模式下赣北红壤侵蚀坡地土壤养分效应

为了探讨植被重建模式与土壤养分的关系,合理改良与利用红壤侵蚀坡地,本文分析了草本、果树、果树+草、果树+草+农作物和果树+农作物等不同植被重建模式对土壤养分的影响,并运用灰色关联分析方法对不同恢复模式的土壤养分效应进行综合评价。研究结果表明:不同植被重建模式土壤养分效应差异显著,以果树+横坡套种农作物改善土壤养分效应最好,然后依次是果树+草本模式(全区覆盖优于带状覆盖)、果+草+农作物模式、果树+纵坡套种农作物,草本、果树模式改善土壤养分效应最差。赣北侵蚀坡地植被恢复,可以优先考虑恢复果树+横坡套种农作物模式和果树+草本模式。     

红壤坡地果园产流产沙及氮磷流失对坡面水土保持措施的响应

坡地果园随降雨-径流-侵蚀-养分输出过程所带来的土地生产力衰退及水体污染是制约红壤丘陵区经济发展和生态安全的关键问题之一。为明确降雨条件和水土保持措施对产流产沙和氮磷流失特征的定量影响,本研究以江西水土保持生态科技园2020—2022年的坡地果园径流小区次降雨-径流观测数据为基础,分析不同水土保持措施下降雨量、降雨强度对含沙量、径流系数的定量影响,进而分析产流产沙与氮磷流失的定量关系。研究结果表明：(1)不同水土保持措施下,含沙量、径流系数随降雨量、雨强的变化趋势存在差异,带状植草(S1)、全园植草(S2)、水平梯田(S3)、水平梯田+梯壁植草(S4)相比清耕对照(CK)的平均含沙量分别降低17.8%、42.3%、22.6%、47.9%,平均径流系数分别降低60%、71.8%、26.4%、56.4%,植被措施相比工程措施能更好地调节径流,工程措施相比植被措施能更好地拦截泥沙;(2)在S1、S2、S3、S4、CK条件下,可溶性总氮/总氮(STN/TN)分别为48.2%、45.6%、44.2%、45.9%、45.7%,可溶性总磷/总磷(STP/TP)分别为52.9%、50.0%、47.2%、45.2%、47.4%,表明不同措施相比对照条件,氮磷的流失形态并未出现显著的变化;(3) S1、S2、S3、S4相比CK,TN的平均浓度变化分别为-8.2%、-13.4%、15.0%、-12.1%,STN的平均浓度变化分别为-3.2%、-13.6%、11.4%、-11.7%,TP的平均浓度变化分别为-10.5%、-21.0%、39.5%、10.5%,STP的平均浓度变化分别为0、-16.7%、38.9%、5.5%,相比工程措施,植被措施对于氮磷流失浓度的控制能起到更为关键的作用。研究成果对于红壤丘陵区果园坡地水土保持措施合理布设具有重要意义。