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。     

露天矿排土场平台-边坡系统侵蚀形态及径流产沙特征

露天矿排土场平台径流汇集量大且急促,常导致边坡发生强烈沟蚀。排土场平台-边坡系统集中来水条件下的侵蚀过程研究仍十分薄弱。本研究以平台-边坡系统为对象,采用野外放水冲刷试验方法,研究不同放水流量(48、60、72、84 L·min^-1)下系统径流、产沙及侵蚀形态演变规律。结果表明: 48 L·min^-1流量时,平台-边坡系统以细沟侵蚀为主,60～84 L·min^-1流量下系统发育形成切沟。平台、边坡流速随放水历时呈突变-波动-稳定变化趋势,平台流速小于边坡径流流速,减幅为8.3%～67.1%,边坡流速为边坡上/下部最大,较中部增加18.5%～44.6%。平台和边坡产沙率随放水历时呈现突变-波动-稳定3个阶段,边坡产沙率高达平台的17.4倍;平台上细沟侵蚀产沙量占比高达86.6%～95.1%,60～84 L·min^-1流量下边坡切沟侵蚀产沙量占比高达69.2%～86.6%。平台侵蚀沟宽深比大于边坡,边坡宽深比为边坡上部最小,边坡中/下部最大,是边坡上部的1.36～1.93倍,侵蚀沟沿平台至坡脚总体上呈“宽浅-窄深-宽浅”式发展;48 L·min^-1流量下侵蚀主要集中在平台与边坡中部,侵蚀体积占比分别为29.9%、26.8%;60～84 L·min^-1流量时,侵蚀集中在边坡上部,占总侵蚀体积的36.1%～44.7%。结果可为陕北露天矿排土场平台-边坡系统沟蚀防治及侵蚀产沙模型的建立和修正提供参考。     

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。     

极端降雨下黄土高原草被沟坡浅层滑坡特征及其对产流产沙的影响

植被恢复作为黄土高原防治水土流失的重要措施,但极端降雨诱发的浅层滑坡在植被恢复的沟坡上频繁发生,影响流域的产流产沙过程。基于野外原位模拟降雨试验,在60 mm/h降雨强度下,研究草被沟坡浅层滑坡发生特征及其发生前后的产流产沙差异。结果表明：（1）极端降雨所诱发的草被沟坡上的浅层滑坡深度为14-36 cm,与自然强降雨所导致的浅层滑坡深度相贴合,均是低于50 cm。（2）植被根系与土壤容重、孔隙度等土壤性质显著相关（P<0.05）,致使滑坡面上、下层土壤物理性质差异显著（P<0.05）。由于土壤性质的差异,在极端降雨下滑坡面上层土壤水分更快达到饱和（饱和度>90%）,导致浅层滑坡的发生。（3）草被坡面浅层滑坡后的径流与产沙均显著增大（P<0.05）。三个小区的平均径流率在滑坡后增大了4.0-13.1倍,其平均含沙量和产沙率在滑坡后分别增大了9.9-54.9倍和70-841倍。研究结果有助于加深了解植被沟坡的侵蚀产沙机理,并为浅层滑坡防治提供科学依据。     

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。     

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.     

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。     

黄土区草本植被根系与土壤垂直侵蚀产沙关系研究

为了系统揭示植被根系对径流侵蚀产沙的影响,采用土钻法对草地植被根系分布特征进行系统调查,采用分层冲刷的方法对黄土高原草地土壤不同坡度、不同流量条件下的侵蚀产沙特征进行了研究。结果表明不同立地上的植被根系都表现出了随着土层深度增加而减少的趋势。分层冲刷的试验结果表明在土壤表层,植被根系对侵蚀产沙的影响是占主导地位的;而当土层超过一定深度后,根系的分布数量减少,不同流量和坡度下的深层土壤侵蚀产沙量明显增加,根系提高土壤抵抗径流侵蚀产沙的能力受到了限制。同时随着土层深度的不断加大,坡面上径流侵蚀的形态也在发生变化,逐渐从面蚀向细沟侵蚀发展。结合对草地植被根系生物量垂直分布特征的研究,证明土壤侵蚀产沙的这种变化是与草本植被根系的分布特征密切相关的。通过进一步分析植被根系分布特征和土壤垂直侵蚀产沙之间的联系,建立了草地植被根系生物量与土壤垂直侵蚀产沙特征之间的定量关系。     

黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制——以人工油松林和次生山杨林为例

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80%和20.56%～47.81%,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

黄土区次降雨条件下林地径流和侵蚀产沙形成机制——以人工油松林和次生山杨林为例

以黄土区两种常见森林植被(次生山杨林和人工油松林)长期定位观测试验为基础,从水量平衡和径流产沙机理出发,分析了次降雨条件下两种林地和荒地坡面产流产沙过程.结果表明,次降雨量在5.0～50.0 mm范围内,油松林和山杨林的林冠和枯枝落叶层总截留率分别为15.45%～56.80%和20.56%～47.81%,且随降雨量的增大而减小.与荒坡地相比,林地土壤入渗性能显著增强,尤其是0～20cm土层.分析表明,在一般降水条件下林地无径流产生;而在降雨雨强为2.5 mm·min^-1和历时30 min条件下,山杨林地无地表径流产生,荒坡地的径流流速和径流挟沙浓度均为油松林地的23.5倍,而其径流剪切力和径流能量均为后者的8倍;油松林地的径流量和产沙量比荒地分别减少了87.6%和99.4%,与径流小区多年(1988～2000)观测平均值(分别为87.0%和99.9%)相近.     

Soil erosion and gully growth associated with cultivation in southwestern Hokkaido, Japan

This study examined the processes underlying land and riparian degradation, by quantifying soil erosion and gully growth in slopes adjacent to cropland. The concentration of suspended sediments was consistently higher in cultivated catchments, where gully expansion causes 2–3 times more landslides than occur in forested catchments. Sediment from gullies contributed about 34% of the total sediment in the cultivated catchment. There has been increasing erosion and sedimentation on the valley floor over the past 20 years, both because of the expansion of land under cultivation and because of the mechanization of agriculture since the 1960s has reduced the infiltration capacity of cropland, making it easier for erosion to occur when it rains. Most of the finer sediment is transported to the sea, where it affects coastal ecosystems, while the coarser sediment, such as sand, remains in the stream and fills the spaces between gravel on the streambed. This eliminates habitat suitable for fish and invertebrates; the density of macro-invertebrates in cultivated catchments is only 10–20% of that in forested catchments. Effective stream restoration will require both construction measures to prevent slopes from eroding and the regulation of land use, including reforestation at the borders of agricultural land.     

黄土丘陵沟壑区景观格局对流域侵蚀产沙过程的影响——斑块类型水平

在黄土丘陵沟壑区,景观格局对侵蚀产沙过程有着复杂的影响,且与尺度密切相关。选取河口-龙门区间内42个水文站控制流域为研究对象,以侵蚀模数、输沙模数和泥沙输移比作为表征各流域单元内土壤侵蚀、产沙及泥沙输移过程的特征指标,运用景观指数和CCA排序,系统分析了斑块类型水平上景观格局对流域侵蚀产沙过程的影响。结果表明:流域侵蚀产沙及泥沙输移过程中,空间分异特征随景观类型不同而异;对于不同用地类型,影响"过程"空间分异的景观格局指标不同,显著影响流域侵蚀产沙及泥沙输移过程的景观指数有草地平均斑块面积(AREA_MN3)、居民建设用地景观面积百分比(PLAND5)、居民建设用地和其它类型用地景观的斑块密度(PD5和PD6),其中斑块密度(PD)是影响流域侵蚀产沙及泥沙输移过程的共性指标;草地、居民建设用地、其它类型用地的景观格局特征对"过程"变化的解释程度要高于其它景观类型。开展景观格局与生态过程关系研究时,不仅需要考虑景观格局的整体效应,更应关注单一景观类型及其格局特征对一些生态过程的指示意义。     

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.     

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%。     

基于黄土高原关键带类型的土地利用与年径流产沙关系空间分异研究

区域植被恢复改变了土地利用类型,从而有效控制了水土流失,但土地利用与水土流失关系的空间分异尚未明晰。整合了黄土高原坡面径流小区试验观测研究文献59篇和1121条年径流产沙记录,以8大关键带类型作为空间分层依据,采用地理探测器分析了土地利用与年径流产沙关系的空间分异。结果显示：撂荒地的年均径流量和产沙量最高分别为35.99 mm和4208.82 g/m²,撂荒地、裸地和耕地的产流产沙能力显著高于人工草地、林地、自然草地和灌丛,灌丛和林地的年均产沙量显著低于人工和自然草地（P<0.05）;除了撂荒地的年均产沙量在山地森林关键带最高（16240.40 g/m²）外,在丘陵沟壑农林草交错关键带的撂荒地年均径流产沙显著高于丘陵农业-草地关键带,丘陵沟壑农林草交错关键带和丘陵农业-草地关键带裸地、耕地的产流产沙能力较高,人工草地和灌丛年均产沙量显著高于其他关键带类型（P<0.05）;在山地森林关键带的林地年均径流量、径流系数和产沙量最低,分别为1.56 mm、0.41%和307.36 g/m²,而自然草地在各关键带类型都有较高的年均产流量和较低的年均产沙量;坡面径流小区的局地特征（如土地利用、面积、坡度、坡长）是影响年径流产沙关键带分异的首要因素,且存在多因子互作、非线性增强的关系。这些结果表明植被恢复能有效地保持水土,但是区域植被恢复时需要选择合适的类型,黄土丘陵沟壑区应首选自然草地、灌丛和林地。研究可为黄土高原区域植被恢复的优化配置提供科学依据。