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.     

牧草调控绵沙土坡面侵蚀机理

采用人工模拟降雨方法,从坡面水动力学角度,结合土壤抗冲性分析,对不同坡度和雨强组合下牧草调控黄土高原风蚀水蚀交错区绵沙土坡面侵蚀机理进行了定量研究,为揭示植被调控土壤侵蚀机理及黄土高原水土保持植被选择提供科学参考.结果表明:覆盖度约为40％的牧草沙打旺能够有效控制坡面土壤侵蚀,减沙效益达70％以上,而且根系减沙效益大于草冠.裸坡、只有根系作用的坡面和整株牧草作用的坡面水流流速与雨强、坡度均呈V=DJ0.33i0.5的函数关系,其中,J为坡度比降,i为雨强(mm·min-1),下垫面不同,综合系数D取值不同.牧草根系和冠层能够显著减小流速,增加阻力,根系的减速作用大于草冠,而增阻作用小于草冠.根系调控坡面阻力主要通过增加坡面泥沙颗粒阻力实现,而草冠通过增加坡面形态阻力和波阻力来实现.利用薄层水流坡面产沙概念模型对土壤抗冲性进行评价,得到试验条件下裸坡、只有根系作用的坡面和整株牧草作用的坡面的临界径流切应力分别为0.533、0.925和1.672 Pa.     

三峡库区土质道路侵蚀产沙过程的模拟降雨试验

以三峡库区王家桥小流域为研究区,通过野外调查选择了5个典型路段,在1.0 mm min~(-1)模拟降雨条件下研究了土质道路降雨-径流-泥沙关系.结果表明,土质道路被高度压实,但使用强度和管护方式差异致使容重、路面浮土、杂草盖度、饱和导水率等差异显著.土质道路仅需1～3 mm降雨就能产生地表径流,7～10 mm的降雨使径流趋于稳定,径流系数超过60%,特别是车流量较大干道的径流系数超过70%,平均和峰值径流量达0.69 mm min~(-1)和0.84 mm min~(-1).土质路面大量浮土致使初始径流含沙量高,然后快速下降并趋于稳定.由于路面浮土量大和在降雨过程中能形成人工细沟的车辙等导致较大车流量干道的土壤流失率是其它路段3～4倍.土质道路的容重和路面浮土与径流系数和土壤流失量呈显著正相关,饱和导水率则呈显著负相关;路面杂草能显著减少径流,防治路面侵蚀.     

砾石对红壤工程堆积体边坡径流产沙的影响

为探究砾石对红壤工程堆积体边坡降雨侵蚀的影响,基于室内模拟降雨试验,在1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min雨强条件下,以土质边坡为对照,研究了10%、20%和30%的砾石质量分数红壤工程堆积体边坡的径流特征、产沙过程及侵蚀动力机制。结果表明：1）砾石质量分数对稳定径流强度的影响存在阈值,在雨强 > 1.0 mm/min时稳定径流强度随砾石质量分数的增加先减小后增大,在1.0 mm/min雨强时则表现为先增大后减小,且均在10%砾石质量分数下达到极值;2）雨强1.0 mm/min时,径流为缓流,砾石促进径流流动,使弗汝德数增大24.5%-87.8%,雨强2.0、2.5 mm/min时,径流为急流,砾石延缓径流流动,使弗汝德数降低4.2%-13.0%;3）侵蚀速率随产流历时变化过程受砾石质量分数和雨强的影响,雨强越大,砾石质量分数越低,边坡越易发生细沟侵蚀且伴随重力崩塌现象,侵蚀速率呈多峰多谷变化趋势;4）1.0 mm/min雨强时,砾石存在加剧了土壤侵蚀,产沙增幅达28.7%-50.5%;雨强 > 1.0 mm/min时,砾石减沙效益为5.0%-64.4%;5）径流功率是描述红壤工程堆积体侵蚀动力机制最优参数,其可蚀性参数及发生侵蚀临界径流功率从大到小对应的砾石质量分数均为10%、0、20%和30%。研究成果可为红壤区开发建设项目水土流失治理及侵蚀预测模型提供科学依据。     

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。     

雨强和土地利用对黄土丘陵区径流系数及蓄积系数的影响

利用人工降雨模拟器,设计不同降雨强度和土地利用方式的区组实验,定量研究了黄土丘陵区雨强和土地利用对降雨产流和蓄积的影响.结果表明:不同雨强对土地利用平均径流系数呈极显著的正效应,雨强与径流系数呈负指数函数关系;不同雨强对土地利用平均蓄积系数也有显著的影响,雨强为1.97、2.14、2.46、2.94和3.75 mm·min-1条件下,土地利用平均蓄积系数分别为0.73、0.62、0.58、0.55和0.44;不同雨强平均径流系数为林地>耕地>栽培草地>天然草地;林地、天然草地、栽培草地和耕地的降雨蓄积系数分别为0.44、0.68、0.66和0.55.在黄土丘陵生态脆弱区草地具有良好的降雨蓄积效果,同时表明林冠层、灌木层和枯枝落叶层对降雨的截留、阻滞和削弱具有显著功效.     

次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响

以野外径流小区的次降雨产流产沙数据为基础,对不同次降雨条件下坡面产流产沙随坡度的变化规律进行研究.结果表明:降雨性质的差异对坡面产流随坡度而变化的影响较小,在研究区的6场次降雨中,坡面产流量随坡度的变化规律基本一致,坡面径流量均随坡度增大而增大,但坡面径流量随坡度增加而增加的趋势较弱,这主要由降雨量与入渗量之间的转化程度所决定;次降雨性质对不同坡度的坡面产沙规律有重要影响,一般情况下存在临界侵蚀坡度,但临界坡度不是唯一值,而是随着降雨特性的不同而不同,临界侵蚀坡度随径流量的增大而增大,临界坡度较大时,坡面产沙量随坡度变化而变化的趋势也往往较大.     

神府煤田非硬化道路不同侵蚀期输沙特征

神府煤田生产过程中形成的非硬化道路具有复杂的下垫面条件,道路表面由于长期碾压而形成一定厚度的浮土颗粒,结构松散,抗冲蚀性差,浮土层下碾压路面土壤容重高,抗蚀性高,因此,降雨条件下路面侵蚀亦表现出不同的差异性.本文采用野外模拟降雨试验方法对坡度3°、6°、9°、12°非硬化道路不同侵蚀期的输沙过程及输沙速率与侵蚀因子的关系进行研究.结果表明:浮土层土壤在面蚀期出现了第一个输沙峰值,坡度为3°时只存在面蚀过程,输沙速率平均变异系数为0.07;6°~12°坡度下各次降雨均在产流后15 min左右开始细沟发育,雨强大于1.5 mm·min-1时,面蚀期输沙过程线波动性较明显,但不同坡度间(6°、9°、12°)变异度差异不大(0.20、0.19、0.16),雨强对输沙速率的影响强于坡度.细沟侵蚀期输沙过程线有波动,但波动性明显小于面蚀期,6°、9°、12°坡下平均输沙变异系数分别为0.05、0.09和0.10,细沟发育多,且沟宽而浅.面蚀期和沟蚀期的输沙速率均与雨强和坡度呈显著的幂函数关系.稳定输沙速率与径流率和含沙量呈显著线性关系.     

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.     

平衡施肥及雨强对紫色土养分流失的影响

利用人工降雨装置模拟3种不同强度的降雨,采用模拟径流小区,研究了四川紫色丘陵区玉米净作条件下雨强及平衡施肥对土壤养分损失量及载体的影响.结果表明:雨强是影响地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量的最主要因素.在小雨强条件下,无地表径流及土壤侵蚀发生;随着雨强的增大,地表径流量、径流总量及土壤侵蚀量都急剧增加.磷素和钾素流失总量也随雨强的增加而增加,而雨强对氮素流失的影响不大.在3种雨强条件下,3种施肥处理的氮素流失总量表现为:高氮施肥>农户习惯施肥>平衡施肥,平衡施肥能减少氮素流失,而高氮施肥增加氮素的流失.农户习惯施肥处理的磷流失总量和钾流失总量均高于平衡施肥和高氮施肥两种施钾处理,在紫色土坡耕地增施钾肥能减少磷、钾养分的流失.     

不同降雨条件下坡长对喀斯特坡面土壤侵蚀的影响

基于2012—2014年对贵州省石桥小流域布设的5个坡长(5、10、15、20、25 m)径流小区的59次侵蚀性降雨条件下的产流产沙数据,分析不同降雨条件下喀斯特裸坡产流产沙与坡长的关系。结果表明: 研究区坡面产流量随坡长的增加总体呈先减少后增加再减少的趋势,产沙量随坡长的增加先上升后下降。研究区59次侵蚀性降雨按降雨量、降雨历时和平均雨强可分为3种雨型,分别为A雨型(短历时、大雨强、小雨量)、B雨型(中历时、小雨强、中雨量)、C雨型(长历时、中雨强、大雨量)。不同雨型下坡面产流产沙量与坡长的关系存在一定差异,A和B雨型下存在20 m左右的临界产沙坡长,C雨型下产沙量随坡长的增加逐渐加大。不同雨型下,坡长与产流产沙量均存在较好的三次函数关系。不同坡长间产流产沙量的变幅不同,除15~20 m坡长外,C雨型产流产沙量变幅相对较大,尤其产沙量的变幅显著高于其他雨型。不同雨型的坡面产流总量依次为A雨型＞B雨型＞C雨型;B雨型坡面产沙量最小,20 m坡长处A雨型产沙量最大,其他坡长处C雨型产沙量最大。A雨型(研究区常见雨型)下降雨复合因子较降雨单因子与产流产沙量的相关性更好,降雨量(P)、降雨历时与最大30 min雨强的乘积(TI₃₀)、降雨历时与平均雨强的乘积(TI)、降雨量与降雨历时的乘积(PT)与产流产沙呈极显著相关,其中,P和TI与产流量的相关性最强,二者与产流量在不同坡长间的关系可用线性方程和S型曲线表示,各坡长产沙量与其对应的降雨因子均存在较好的3次函数关系。     

水蚀风蚀交错区退耕坡面植被利用对产流产沙的影响

为有效利用水蚀风蚀交错区退耕封育坡面植被,确定合理的植被利用强度非常必要.本试验选取黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域——六道沟小流域为试验区,在多年退耕封育坡面布设径流小区,通过人工模拟降雨试验,研究植被地上部分在不同利用强度下各坡度(10°、20°和30°)坡面产流、产沙变化特征,以确定合理的利用强度. 结果表明: 次降雨过程中径流速率大体可分为两个阶段:初期迅速增长阶段和中后期增长变缓或趋于准稳定阶段.侵蚀速率的变化趋势因坡度的不同而略有差异.利用强度对产流量有显著影响,产流量随利用强度的加强而增加.坡度对侵蚀量影响显著,侵蚀量表现为20°坡面＞30°坡面＞10°坡面.以植被地上部分未利用小区为对照,相对增水量和相对增沙量均随利用强度加强而增加.结合降雨资料推测,退耕15年左右坡面植被地上部分盖度达到25%时,坡面年土壤侵蚀量基本低于容许土壤流失量.应重视该区20°坡面植被的恢复治理工作.     

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。     

黄土丘陵沟壑区黄土坡面侵蚀过程及其影响因素

降雨强度、坡长、坡度是影响坡面产流产沙的重要因素。为定量分析降雨强度、坡长、坡度对黄土丘陵沟壑区安塞黄土坡面侵蚀过程的影响,本研究基于室内人工模拟降雨试验,分析2个坡长(5、10 m)、3个坡度(5°、10°、15°)、2个降雨强度(60、90 mm·h^-1)下安塞黄土坡面产流产沙规律。结果表明: 初始产流时间随坡长增加呈减小趋势,但总体变化不大;初始产流时间随降雨强度增加而减小,与60 mm·h^-1相比,90 mm·h^-1下缩短5.7～18 min;10°坡度上的径流起始时间最快。随降雨历时延长,产流率先快速增加,最终逐渐稳定在某一产流率值上下波动;产沙率在产流初期短时间内突然升高,达到最大值后减小,再逐渐达到稳定。产流率和产沙率随坡长和降雨强度的增加而增加,但随坡度变化规律不明显。随着降雨强度、坡长和坡度的增加,总产沙量相应增加。在降雨强度90 mm·h^-1时,坡长和坡度分别为10 m和15°的坡面产生了细沟,导致总侵蚀量最大(11885.66 g)。降雨强度为60 mm·h^-1时,随着坡长增加单位面积侵蚀量减小,在5～10 m坡段存在临界侵蚀坡长。坡长、坡度和降雨强度对坡面径流过程均有促进作用,降雨强度、坡长和两者之间交互作用对产流率和总侵蚀量的贡献率较大,其中,对产流率贡献最大的影响因素是降雨强度,贡献率为49.8%;坡长对总侵蚀的贡献率最大,为37.8%。     

竹林坡地径流中泥沙及氮磷载荷特征模拟

采用人工模拟降雨的试验手段,设定6个降雨强度(31.8～114.0 mm·h-1),通过测试径流量、泥沙量、径流中总氮(TN)和总磷(TP)浓度,研究了浙江省2种不同经营方式竹林(用材竹林和笋竹林)坡地(坡度20°)径流的载荷特征及机理.结果表明:用材竹林地的总径流量和径流系数均高于笋竹林地;笋竹林地的径流含沙量和总产沙量远大于用材竹林地;相同雨强下,笋竹林地降雨径流中的TN浓度为用材竹林地的5～6倍,笋竹林坡地径流中TN浓度随雨强增大而减小;用材竹林地降雨径流中TP浓度高于笋竹林地,笋竹林地泥沙中TP流失量是用材竹林地的数百倍;在TN和TP随径流泥沙的流失过程中,产流前期浓度起主要作用,后期径流量和产沙量起决定作用.     

小流域林草植被控制土壤侵蚀机理研究

从坡面水动力学角度研究了坡面乔木林、草本植物和林地枯落物对坡面径流流速和动能的影响机理.结果表明,坡面径流水头损失与坡面坡度、林木密度、净雨强、坡长等有关,水头损失与林木间距(b)和树木地径(D)间的关系为:E^∝(D/b)^4/3;坡面草本植物在水流作用下易弯曲,增大水流底层的阻力,减小床面的切应力;枯枝落叶使径流速度减小,从而大大降低径流挟沙能力.对甘肃省天水市桥子东沟和桥子西沟两个对比小流域的实测单次降雨、径流、泥沙资料分析可见,在相同降水条件下,已治理小流域内的径流量、产沙量、洪峰流量、最大输沙率等指标均小于未治理小流域,说明林草植被在小流域中的涵养水源、保持水土的作用明显.     

模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响

通过模拟降雨实验的方法,分析研究了坡度10°和20°,降雨强度30mm/h和60mm/h条件下不同盖度黑麦草对坡面产流产沙的调控过程,并从雷诺数、弗劳德数和阻力系数三个方面对水流运动过程和黑麦草调控坡面流的水力学特性进行了剖析。研究结果表明:雷诺数随坡度增加而相对增大,随降雨强度增大有明显增大趋势。黑麦草覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数,在各降雨强度和坡度条件下,雷诺数随黑麦草盖度增加而减小,雷诺数大小一般呈现:裸坡20%40%60%80%。黑麦草盖度对坡面流弗劳德数有显著影响,随着黑麦草盖度增加弗劳德数减小,并且弗劳德数随盖度变化为:裸地20%40%60%80%,坡面阻力系数与坡面产沙率有良好的拟合关系,随坡面阻力系数的增大,坡面产沙率呈对数减小,并且阻力系数在0—1时减小速率很大,阻力系数大于1以后减小曲线较为平缓。     

喀斯特裸坡产流产沙过程试验研究

运用可调坡度、地下孔(裂)隙度试验钢槽装填土石模拟喀斯特裸坡,采用人工模拟降雨的方法探索了喀斯特裸坡产流产沙过程。结果表明:降雨强度、坡度和地下孔(裂)隙度对喀斯特裸坡产流产沙均有明显的影响。(1)在30、50、80mm/h降雨强度下地表产流产沙存在临界降雨强度,临界降雨强度在50—80mm/h之间,地下孔(裂)隙产流量和产沙量均随降雨强度增大呈现先增大后减小的变化趋势,产流量随降雨强度变化顺序为503080mm/h,产沙量随降雨强度大小变化顺序为508030mm/h。(2)随着坡度增大,地下输沙模数减小,其大小随坡度变化的顺序为10°15°20°25°;同一降雨历程内,坡度越小,单位时间内的地下输沙模数减小量越大,其大小随坡度变化的顺序为10°15°20°25°。(3)地下孔(裂)隙度对地下产流产沙影响显著,地下孔(裂)隙度的增大使地下流失量增大。地下产流比重、产沙比重均随地下孔(裂)隙度的增大而增大,大小顺序均为1%3%5%。研究有助于深入了解喀斯特坡地土壤侵蚀机理,为喀斯特石漠化治理和生态修复提供理论依据。