降雨条件下两种土壤类型工程堆积体坡面水沙关系与侵蚀动力特征

随着生产建设活动的日益频繁,其产生的工程堆积体逐渐成为人为水土流失的主要来源。本研究选取风沙土和红土堆积体,通过室内模拟降雨试验,研究了不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)和砾石含量(0、10%、20%、30%)条件下,两种土质工程堆积体坡面侵蚀过程中水沙关系和侵蚀水动力特征的变化。结果表明: 风沙土堆积体产沙率随时间呈波动式增大趋势;红土堆积体在1.0 mm·min^-1雨强时先增大后逐渐稳定,其他雨强则迅速下降后呈波动变化的趋势,且雨强越大、砾石含量越小,波动越剧烈。风沙土堆积体在0和10%砾石含量时存在坡面细沟侵蚀,细沟侵蚀阶段的产沙率是片蚀阶段的6.74～57.40倍;红土堆积体坡面侵蚀过程可划分为松散颗粒侵蚀阶段和土石侵蚀阶段,松散颗粒侵蚀阶段产沙率是土石侵蚀阶段的1.05～3.49倍。两类堆积体产沙率均随雨强增大而增大,1.0和1.5 mm·min^-1雨强时产沙率随砾石含量增大而波动变化,雨强＞1.5 mm·min^-1时则随砾石含量增大而减小,相同条件下,风沙土堆积体产沙率是红土的1.45～4.14倍。风沙土堆积体侵蚀过程中水沙关系由水大沙少向水大沙多转变,而红土堆积体则呈相反变化: 水大沙多时期,风沙土堆积体产沙增速是红土堆积体的1.94～37.60倍;水大沙少时期,红土堆积体产沙减速是风沙土的1.40～21.30倍。总体上,径流功率在描述两类堆积体侵蚀动力过程方面优于径流剪切力,临界径流功率均随砾石含量增大而增大,其中,风沙土堆积体在细沟侵蚀阶段的临界径流功率(0.02～0.04 W·m^-2)是片蚀阶段的2倍,且两阶段临界径流功率均低于红土堆积体。本研究结果可为工程堆积体侵蚀预测模型的建立提供科学参考。     

黄土区土质与土石质塿土堆积体水力侵蚀过程差异

利用室内模拟降雨试验,研究了不同雨强及坡度条件下黄土区土质(不含砾石)与土石质(砾石质量分数30%)塿土堆积体的水动力学特征、侵蚀特征及侵蚀动力机制的差异。结果表明: 砾石存在改变了堆积体坡面的水动力学特性,与土质坡面相比,土石质坡面的流速、弗汝德数、单位径流功率和过水断面单位能分别减少1.7%～49.7%、6.7%～60.6%、2.0%～44.6%和1.0%～26.7%;曼宁糙率系数、径流剪切力分别增加6.2%～169.4%、5.7%～79.3%。2.0、2.5 mm·min^-1雨强下,土石质坡面侵蚀速率较土质坡面降低26.2%～89.9%,砾石的减沙效益显著。2种堆积体的侵蚀速率与水动力学参数间均可用线性函数拟合,与土质坡面相比,土石质坡面的可蚀性参数均降低,降幅为56.1%～73.3%;而临界水动力学参数中径流剪切力增加11.1%,径流功率、单位径流功率和过水断面单位能分别减少25.4%、64.0%和5.0%。砾石的存在一定程度上控制了工程堆积体坡面降雨侵蚀过程。     

模拟降雨条件下含砾石红壤工程堆积体产流产沙过程

生产建设项目开发过程中形成的工程堆积体具有特殊的结构和复杂的物质组成,坡面侵蚀特征明显有别于一般农地.采用室内人工模拟降雨试验方法,研究降雨强度对红壤区不同砾石含量(0%、10%、20%、30%)工程堆积体产流产沙过程的影响.结果表明: 坡面产流开始时间随降雨强度和砾石含量的增大而减小,减幅分别为48.5%～77.9%和4.2%～34.2%,且与降雨强度呈显著的幂函数关系.坡面径流流速和径流率均随产流历时呈先上升随后趋于稳定的变化趋势,降雨强度是其主要影响因素,砾石含量对其影响不显著.砾石对径流量的影响存在一个10%左右的阈值,1.0 mm·min^-1雨强、10%砾石含量时坡面产流量最小;雨强＞1.0 mm·min^-1时,10%砾石含量坡面产流量最大.随雨强增大径流量增加10%～60%.坡面含沙量在产流前6 min急剧下降后趋于稳定,随砾石含量增大,降雨强度对含沙量的影响减小.雨强＞1.0 mm·min^-1时,砾石具有显著的减沙效应,产沙量与降雨强度和砾石含量呈显著的线性函数关系.     

模拟降雨条件下砾石含量对塿土工程堆积体坡面产流产沙的影响

为探究砾石含量对塿土堆积体坡面产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验,以土质坡面为对照,研究5种砾石含量(10%、20%、30%、40%、50%)堆积体坡面在不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)下的产流产沙特征。结果表明:不同试验条件下的平均径流率在2.18～13.07 L·min^-1,不同雨强条件下平均径流率均在砾石含量10%(或20%)和50%时分别达到最大值与最小值;平均流速在0.06～0.22 m·s^-1,流速变化复杂,砾石含量越小,流速变幅越大,变异系数也越大,砾石含量10%时平均流速最大。砾石的存在可有效抑制产沙,最大减沙效益可达84.2%,雨强相较于砾石含量对平均产沙率的影响更大。偏相关分析表明,平均径流率、流速、产沙率均与砾石含量呈极显著负相关;平均产沙率与平均径流率、平均流速以及二者交互项均呈极显著线性函数关系,其中,与平均径流率的相关性最强。本研究可为塿土区工程堆积体水土流失治理和侵蚀模型的建立提供参考。     

黄土区土质道路浮土侵蚀过程

基于野外原位调查采样、室内人工模拟降雨试验研究道路浮土侵蚀规律.结果表明:浮土产流起始时间和路面侵蚀起始时间随雨强和坡度增大呈递减趋势.路面侵蚀起始时间随浮土厚度增大滞后2～5 min.浮土厚度≤0.5 cm时径流率在产流后2 min趋于稳定,平均径流率随雨强增大而递增,随坡度增大而递减;浮土厚度≥1.0 cm时,径流率在产流后3 min趋于相对稳定,平均径流率随雨强增大呈线性递增,随坡度增大而先递增后递减.侵蚀临界点随坡度和雨强增大呈递减趋势.浮土厚度≤0.5 cm时,侵蚀速率随雨强增大而递增幅度达24.5％～434.4％,坡度8°和16°可达2°和4°的2.4倍;浮土厚度≥1.0 cm时,侵蚀速率在产流开始后9min左右趋于相对稳定,且随雨强和坡度增大而递增,随坡度增大侵蚀形式发生由“片蚀-细沟侵蚀-溯源侵蚀”的转变.浮土厚度≥1.0 cm时,平均10 min次降雨侵蚀量可达浮土厚度≤0.5cm的1.3倍,而单独浮土侵蚀时段侵蚀量前者是后者的2.7倍.浮土厚度≤0.5 cm时,侵蚀量与雨强的相关性显著,产流量与坡度的相关性显著;浮土厚度≥1.0 cm时,10 min次降雨产流、产沙与雨强呈显著相关.随浮土厚度增大,浮土侵蚀量在组合侵蚀中所占比例增大,而薄层时主要以道路侵蚀占主导.     

模拟降雨下喀斯特坡耕地土壤养分输出机制

喀斯特区坡耕地水土及养分流失不仅是该区土地质量退化、土地生产力衰退主要原因,同时也是该区地下水质污染的重要因素。为揭示喀斯特坡耕地地表和地下二元空间结构下的土壤养分流失机制,以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究不同雨强下喀斯特坡耕地地表及地下水土及其氮、磷、钾流失特征。结果表明:(1)小雨强(50mm/h)和中雨强下(70mm/h),喀斯特坡耕地坡面产流主要以地下产流为主;大雨强下(90mm/h),地表径流高于地下径流;产沙方式则表现为由小雨的地表和地下产沙并重到中大雨强的地表产沙为主的一个转变过程。(2)在降雨侵蚀过程中,径流各养分输出浓度均表现出一定的初期冲刷效应,受土壤吸附作用影响,雨强对全钾(TK)和全氮(TN)的影响较全磷(TP)明显。(3)地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随雨强增大而增加,坡面径流泥沙总的TK输出负荷以泥沙为主,而TN和TP输出负荷则以径流为主;TP和TN在径流的输出负荷上以地下径流输出为主(其中TP地表负荷比在11.6%—46.2%,TN在7.0%—48.5%之间),而TK则以二者并重(地表负荷比在43.5%—57.0%之间);各养分在泥沙的输出负荷上则均以地表泥沙流失为主,其负荷比均在54.5%以上。研究结果可为喀斯特区坡耕地水土流失及养分流失的源头控制提供基本参数和科学依据。     

基于水蚀预报模型的黄土高原水平阶减流阻蚀效应模拟

黄土高原是我国土壤侵蚀最严重的地区,如何合理开展坡改梯工程对防治水土流失具有重要意义。本研究应用WEPP模型模拟坡面尺度降雨—侵蚀过程,模拟分析径流小区(10 m坡长)在不同坡度的水土流失特征和二阶、三阶水平阶在不同台面宽度(1,1.5,2 m)的减流阻蚀效应。结果表明:1)坡面尺度上,径流量和侵蚀量随坡度增加而增加。坡度达到20°时,径流量随坡度增加保持稳定,产沙量增加趋势渐缓;2)与坡面小区对比,二阶和三阶水平阶随台宽增加对地表径流调控率分别从6.5%增加到61.2%,从10.1%增加到69.7%;二阶水平阶在中(1.0 mm/min)、大(1.5 mm/min)雨强下,台面宽度大于1.5 m时产沙量小于坡面,泥沙调控率从1.1%增加到68.8%,三阶水平阶泥沙调控率从1.4%增加到82.3%;3)依据单位台宽减沙量,合理设计水平阶,使其减沙效益最大化。小雨强(0.5 mm/min)时,二阶、三阶水平阶的台面宽度达到1.5 m和1 m时可发挥优良的水土保持效果;中雨强(1.0 mm/min)时,台宽1.5 m的三阶水平阶效果最佳;大雨强(1.5 mm/min)时,则以2 m台宽的三阶水平阶效果更好。应用WEPP模型为定量评价工程措施的水土保持效益提供技术支撑。     

模拟降雨条件下生物结皮坡面产流产沙对雨强的响应

生物结皮是黄土丘陵区退耕地广泛存在的地被物.本研究通过人工模拟降雨试验分析了雨强对生物结皮坡面产流产沙的影响.结果表明: 生物结皮坡面产流产沙随降雨历时的延长先增加、10~18 min趋于平稳.相对于裸土坡面,生物结皮显著延长了坡面初始产流时间,抑制了坡面产流产沙,可降低21%~78%的坡面径流量和77%~95%的产沙量.雨强主要通过影响生物结皮坡面径流而影响其产沙.随着雨强的增加,生物结皮坡面产流产沙与雨强的相关性出现了由不显著相关向显著相关的转折,雨强＞1.5 mm·min^-1时,生物结皮坡面的减流减沙作用随着雨强的增加而降低.本研究结果为降雨条件下生物结皮坡面产流产沙过程的模型模拟奠定了基础.     

北京延庆县雨型和坡面措施对水沙及污染物的影响

为探讨不同降雨和坡面类型的产流产沙及地表径流污染状况,选取北京延庆上辛庄3种坡面小区(灌草坡面、鱼鳞坑坡面、水平条坡面)、112场侵蚀降雨资料,对径流泥沙、氮磷流失量及化学需氧量(COD)值数据进行统计分析。结果表明:降雨量、最大30 min和最大60 min雨强是影响坡面产流产沙及水质的主要降雨指标,据此划分为Ⅰ型(大雨量、高雨强)、Ⅱ型(中等雨量、高雨强)、Ⅲ型(中等雨量、低雨强)、Ⅳ型(小雨量、低雨强)4种降雨类型;Ⅰ、Ⅱ雨型易引发坡面水土流失,流失量约占所有降雨总水沙量的90%;Ⅱ型暴雨更易引起水质污染,其产生的污染物可占总量的45%~50%,Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ雨型下径流污染程度相似;水平条坡面在Ⅱ雨型下产沙能力大于另外2种坡面,灌草坡面在Ⅲ、Ⅳ雨型下产水产沙能力高于另外2种坡面;与灌草坡面相比,鱼鳞坑和水平条坡面氮素流失量增加,磷素流失量减少,COD值更低。     

风水交错侵蚀条件下侵蚀泥沙颗粒变化特征

风蚀和水蚀是黄土高原风蚀水蚀交错区土壤侵蚀的主要方式,研究风水交错侵蚀对土壤颗粒的影响对于准确评价该区土壤质量及环境影响有重要意义.本文采用风洞与模拟降雨试验相结合的方法,分析了风水交错侵蚀条件下侵蚀泥沙颗粒变化特征.结果表明： 在11、14 m·s^-1风速的风蚀下,坡面表层(0～1 cm)土壤颗粒粗化.其中,细颗粒(<0.01 mm)减小9.8%～10.8%,粗颗粒(>0.05 mm)增加16.8%～20.8%.风蚀改变了坡面物理性状,进而影响了降雨侵蚀泥沙颗粒变化.相对于未风蚀,风蚀处理的侵蚀泥沙细颗粒增加2.7%～189%,粗颗粒降低3.7%～9.3%.风蚀处理后,在不同雨强、不同降雨历时下,侵蚀泥沙颗粒变化趋势不同.雨强60、80、100 mm·h^-1时,侵蚀泥沙颗粒变化较大,而雨强150 mm·h^-1、产流>15 min时,变化趋势减缓.
     

降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响试验研究

东北黑土区上坡汇流对坡面土壤侵蚀有重要影响,因此辨析降雨和汇流对黑土区坡面土壤侵蚀的影响对农田土壤侵蚀防治有重要意义。通过设计不同降雨强度和汇流速率以及二者组合的模拟降雨及上方汇流试验,分析了降雨和汇流对黑土坡面侵蚀的影响及其贡献。试验处理包括两个降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)、两个汇流速率(50 mm/h和100 mm/h,即:10 L/min和20 L/min)、以及4种不同降雨强度和汇流速率的组合((50+50)mm/h、(50+100)mm/h、(100+50)mm/h和(100+100)mm/h)。结果表明,在50 mm/h和100 mm/h上方汇流引起的坡面侵蚀量仅分别是50 mm/h和100 mm/h降雨引起坡面侵蚀量的1.9%和0.6%;当降雨强度和坡上方汇流速率分别由50 mm/h增加至100 mm/h时,降雨试验处理下的坡面侵蚀量增加6.1倍,汇流试验处理下的坡面侵蚀量增加3.2倍,说明降雨对坡面土壤侵蚀的影响显著大于汇流的作用。在降雨和汇流组合试验中,总供水强度(降雨强度+汇流速率)为150 mm/h时,降雨强度为100 mm/h和汇流速率为50 mm/h组合试验的坡面侵蚀量是降雨强度为50 mm/h和汇流速率为100 mm/h组合试验坡面侵蚀量的7.9倍。在相同汇流条件下,降雨强度由50 mm/h增加到100 mm/h时,降雨强度的增加对坡面侵蚀量的贡献率为89.6%-99.5%;而在相同降雨条件下,坡面汇流速率由50 mm/h增加100 mm/h时,汇流速率的增加对坡面侵蚀量的贡献率为17.2%-78.7%,说明在东北黑土区防治坡面汇流对坡面土壤侵蚀影响也尤为重要。     

基于模拟降雨试验的喀斯特坡耕地土壤侵蚀特征

探索喀斯特坡耕地土壤侵蚀过程及机理对该区水土流失及石漠化治理具有重要的现实和指导意义.本文采用人工模拟降雨的试验方法,探索喀斯特坡耕地土壤侵蚀过程及特征.结果表明: 降雨强度较小时(30、50 mm·h^-1),水土流失以地下孔(裂)隙流失为主,当降雨强度较大时(80 mm·h^-1),土壤侵蚀以地表流失为主;地表径流模数和输沙率均随坡度的增加而增大,随孔(裂)隙度的增加而减小.地下径流模数在0.37～0.52 L·m^-2·min^-1,地下输沙率在0.81～1.93 g·min^-1,二者均随坡度的增加而减小,随降雨强度的增加呈先增大后减小的变化趋势.