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。     

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.     

降雨过程中黄土坡面微地形因子与侵蚀关系研究

以断续降雨过程中不同阶段的黄土坡面栅格单元地形信息为研究对象,通过12段30 min、 60 mm/h雨强的降雨进行模拟降雨试验,对微坡度、微坡向与黄土坡面侵蚀过程、细沟形态演变的相互影响进行研究。研究结果表明：坡面微坡度与微坡向的变化主要集中在降雨初始阶段(0～30 min),后续阶段(30～360 min)变化幅度较小,微坡度和微坡向变化与坡面时段侵蚀量显著正相关。细沟网络形成后,微坡度<15°区间和45°以上区间栅格占比缓慢上升,且主要产生于细沟内部,细沟内部在发育过程中会产生泥沙堆积的平台和坡度较大的陡坎。细沟的发育过程是细沟内径流的剥蚀和边壁不稳定土体的坍塌共同作用的非均匀发育过程,径流的剥蚀和土体的坍塌互相促进,加速了细沟的发育过程,从而造成了侵蚀量的波动。细沟侵蚀过程中坡面微坡向以坡面坡向为主导,坡面坡向栅格占比在30 min后保持不变,而细沟总表面积逐渐增加,说明微坡向与坡面同向的细沟栅格数增加。细沟会产生有一定宽度的沟底,沟道的横截面由“V”形向“U”形过渡。除北向外,其余微坡向栅格数变化与细沟密度、细沟割裂度、细沟复杂度、细沟累计长度和细沟平均宽度显著相关,微...     

坡面沟蚀及其分形特性试验研究

随着降雨击溅及坡面径流的持续冲刷,坡面侵蚀将由面蚀向沟蚀转化,并形成复杂的坡面微地形,坡面微地形又将改变坡面侵蚀方式。通过降雨及直接径流冲刷条件下的坡面侵蚀试验,研究了坡面侵蚀过程和冲刷流速(量)、侵蚀率与坡面微地形分形特征之间的关系,结果表明:侵蚀坡面地形分维值与冲刷流量和坡度存在明显的相关关系,把流速和坡面侵蚀率作为坡面地形演变的直接指标,均存在分维值随其先增大后减小的规律。     

WEPP模型的侵蚀模块理论基础

WEPP模型是描述土壤水蚀物理过程的美国新一代水蚀预报模型,其中的侵蚀模块对于定量刻画黄土高原坡面侵蚀过程和建立以物理过程为基础的侵蚀预报模型具有重要的借鉴价值。WEPP坡面侵蚀模型将地表径流分为细沟流和细沟问径流,建立了计算土壤侵蚀及沉积净值的稳态空间变化泥沙平衡连续方程,并进一步外延和推出了随着空间位置不同而变化的方程基本参量、侵蚀参量标准化形式以及泥沙平衡方程通用表达式,可以较好地反映坡面侵蚀产沙时空分布。     

坡沟系统侵蚀产沙及其耦合关系研究

利用变坡度坡沟系统模型和人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下的坡沟系统产流产沙过程,揭示了坡面沟道侵蚀产沙耦合特征。结果表明:坡沟系统累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈显著的幂函数关系,随着降雨时间的增大而增大。梁峁坡面来水径流量与沟坡净侵蚀量之间呈幂函数关系,梁峁坡面来水含沙量与沟坡净侵蚀量之间呈反线性相关。从水力学角度对坡沟系统单位水流功率与单宽输沙率的关系进行了分析,得出试验条件下的临界单位水流功率值为0.0043m/s,输沙率随单位水流功率的增大而增大。     

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。     

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。     

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。     

黄土坡面侵蚀产沙沿程变化的模拟试验研究

坡面侵蚀产沙的沿程分布规律研究是认识土壤侵蚀规律，进行有效水土保持的理论基础。为了揭示坡面侵蚀产沙的铅程分布规律以及不同坡长下细沟的发育规律。我们进行了不同坡长（2.5,5,7.5,10m)和不同雨强（0.72,1.16,1.4,2.0,2.4mm/min)的室内模拟降雨实验。结果表明，在实验条件下，黄土坡面侵蚀产沙从坡顶向下依次增大，但在不同雨强条件下变化趋势有所差异。当雨强小于2mm/min时，坡面侵蚀在5-7.5m坡段急剧增加；雨强大于2mm/min时，发生急剧变化的坡段上移至2.5/5m。上方来水是影响坡面侵蚀产沙的重要原因。短坡条件下，坡面侵蚀量与上方来水量成直线关系。细沟密度是描述细沟发育程度较好的指标。其大小随雨强以及坡长呈线性增加。     

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。     

黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究

利用室内模拟实验的方法对典型坡度条件下黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行了研究。通过对水沙测量结果的统计分析，同时结合实验中对重力侵蚀现象的观测，给出了实验条件下的临界重力侵蚀含沙量，以此为依据计算了重力侵蚀产沙量及重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”。结果表明，在细沟发育过程中，重力侵蚀产沙量存在着由增大到减小再到波动的变化趋势，这一趋势对坡面产沙变化具有重要的影响。重力侵蚀发生的中值时间则由小变大，反映了细沟发育的不同阶段重力侵蚀由以沟头坍塌为主向以沟壁崩塌为主的转化过程。     

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。     

黄土坡面细沟侵蚀中的水流阻力规律研究

运用原型模拟径流冲刷实验，研究了黄土坡面侵蚀过程水流阻力的变化规律。坡度的这种作用在很大程度上是通过径流刷形成的侵蚀形态特征不同来体现的。     

黄丘区坡面细沟流速分布特征试验研究

利用坡面水蚀精细模拟降雨试验,对黄丘区陡坡(20°)条件下细沟流速分布特征进行了研究。通过对细沟形态演变过程的观察与分析,同时结合试验中对细沟间及细沟内流速的观测,给出了细沟发育过程中坡面流速沿程分布以及细沟内关键位置的流速分布。结果表明,细沟间流速分布基本不受细沟发育程度的影响,而细沟内水流流速与细沟发育过程之间存在互馈关系,首先坡面漫流向集中股流的转化促使细沟发育,会导致细沟内流速的增加,但随着细沟的进一步发展,汇流面积减小,沟床形态阻力及沟底跌坎消能作用增大,细沟流速又会逐渐减小,沟床形态阻力与径流集中产生的流速增量二者间的相互对比关系影响着细沟内水流速度。     

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。