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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

壤中流和土壤解冻深度对黑土坡面融雪侵蚀的影响

融雪侵蚀是东北黑土区土壤流失的一种重要形式,而目前有关壤中流和土壤解冻深度对融雪径流侵蚀的影响研究较少。本研究采用室内模拟试验,设计两个融雪径流量(1和4 L·min^-1)和两个土壤解冻深度(5和10 cm),以及有、无壤中流处理,分析壤中流和土壤解冻深度对黑土区坡面融雪侵蚀的影响。结果表明: 1)壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别是无壤中流处理的1.1～1.2倍和1.3～1.9倍。两个融雪径流量下,当土壤解冻深度由5 cm增加到10 cm时,无壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别增加10.0%～13.5%和15.4%～37.1%;而有壤中流处理下坡面融雪径流深度增加6.5%～8.5%,融雪侵蚀量则无显著变化。2)坡面细沟发育受壤中流、土壤解冻深度和融雪径流量的综合影响,各处理下细沟侵蚀量占坡面融雪侵蚀量的72%以上。3)壤中流发生使坡面径流流速和径流剪切力分别增加20.3%～23.2%和37.0%～51.3%,Darcy-Weisbach阻力系数减少9.0%～21.4%,从而增加了坡面融雪侵蚀量;且壤中流发生促进了坡面细沟发育,其细沟侵蚀量较无壤中流处理增加43.6%～69.9%,也导致坡面融雪侵蚀量增加。无壤中流条件下,土壤解冻深度加剧坡面融雪侵蚀的主要原因是随着土壤解冻深度的增加,坡面径流侵蚀能力和可蚀性物质来源增加,导致融雪径流侵蚀量增加。此外,土壤解冻深度对壤中流条件下细沟形态发育也有明显的影响,土壤解冻深度为5 cm时,细沟横向加宽作用显著;而土壤解冻深度为10 cm时,细沟下切侵蚀作用更显著。本研究加深了对黑土区融雪侵蚀机理的认识,可为水蚀模型的研发提供理论指导。     

黄土丘陵沟壑区自然恢复草被对浅沟侵蚀的影响

浅沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区的一种重要侵蚀类型.以往研究多侧重于农地浅沟,有关自然恢复草被对浅沟侵蚀影响的研究甚少.本研究采用野外原位冲刷试验,以裸地浅沟为对照,探究放水流量为5、10、15、20和25 L·min^-1条件下草地浅沟的径流产沙特征及侵蚀机理.结果表明: 与裸地相比,草地浅沟平均流速、稳定径流率、雷诺数、弗劳德数分别减小25.4%～67.3%、8.4%～26.6%、54.9%～80.5%、18.6%～65.1%,阻力系数增大0.09～7.18倍.草地浅沟最大产沙率、稳定产沙率和平均产沙率较裸地浅沟分别减小55.1%～90.9%、61.8%～95.4%和64.8%～92.4%;5～25 L·min^-1放水流量下,自然恢复草被的减沙效益可达65.9%～88.8%,且随放水流量增大,减沙效益呈减小趋势.与裸地相比,草地浅沟的平均径流功率和平均径流剪切力分别减小54.9%～80.5%和12.4%～51.1%,临界径流功率增大1.43倍,临界剪切力增大33.7%;草地和裸地浅沟平均产沙率与平均径流功率、平均径流剪切力均呈显著线性相关.自然恢复草被显著增加了浅沟抗蚀性能,降低了浅沟径流侵蚀能力.     

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%。     

黄土坡面细沟侵蚀形态试验

基于同一降雨强度下的室内连续模拟降雨试验,研究了典型坡度条件下黄土坡面细沟侵蚀形态,分析了细沟的空间分布特征、发育状况及距细沟沟头长度、细沟宽度和深度关系。结果表明:第1次降雨坡面以断续细沟为主,侵蚀方式主要为溯源侵蚀,细沟累积长度为39.3 m,坡面细沟总面积占试验土槽面积的14.2%;第2次降雨坡面以连续细沟为主,细沟沟壁崩塌增强,坡面的破碎程度增加,细沟累积长度增加32.1%,坡面细沟总面积增加115.6%。与第1次降雨相比,第2次降雨后细沟平均宽度、深度和坡面细沟侵蚀平均深度均增加,且在4—7 m坡段内增加幅度最大。单位斜坡长上细沟平均宽度和深度随斜坡长度的增加呈现先增加后减小的趋势,表明径流能量的消长对坡面细沟侵蚀发育过程及形态特征有明显影响。第1次降雨单条细沟长度均小于3 m,细沟宽度随距细沟沟头长度的增大而增大,第2次降雨则呈现先增大后减小的趋势,细沟深度随距细沟沟头长度的增加一直呈现先增大后减小的趋势,细沟宽度与深度的拟合关系最好,细沟深度随宽度的增加而增大,后趋于稳定。     

不同入流条件下植被过滤带对坡面径流氮、磷的拦截效果

植被过滤带能有效拦截坡面径流泥沙,在防治水土流失和农业面源污染等方面具有重大潜力.为探讨不同入流条件下植被过滤带对坡面径流氮、磷的拦截效果及其水动力学机理,本研究通过模拟上方来水冲刷试验,定量分析了上方来水流量、氮磷含量浓度等因素影响下植被过滤带对径流氮、磷的拦截规律及其与径流水动力学参数之间的关系.结果表明: 植被过滤带能有效拦截上方来水中氮、磷等污染物,入流流量分别为200、400、600 L·h^-1时,模拟植被过滤带对总氮的拦截率分别为74.9%、62.0%、58.3%,对总磷拦截率分别为85.0%、75.6%、72.0%,在上方来水流量较低时拦截效果最优;上方来水入流氮、磷浓度变化对植被过滤带拦截效率的影响不显著.不同入流条件处理下,植被过滤带对氮、磷的拦截率随弗洛德数增大而增大,呈显著线性正相关关系;与阻力系数、水流剪切力、水流功率呈线性负相关关系;其中,氮、磷拦截率与水流剪切力的相关关系最优,可以用含水流剪切力的公式表征植被过滤带对氮、磷的拦截效率.     

黄土区被草土质路面产流产沙过程及防蚀效果

通过变坡钢槽装土和人工降雨的室内模拟试验,分析了黄土区裸露土质路和被草土质路(被草土质路种植早熟禾)路面的产流产沙过程及被草土质路的防蚀效果.结果表明:在相同雨强和坡度条件下,研究区被草土质路的径流系数大于裸露土质路;两种路面的径流系数均随着雨强和坡度的增加而增大;不同雨强、相同坡度条件下,径流系数与降雨历时呈对数关系,径流系数与雨强、坡度呈二次函数关系;两种路面的土壤侵蚀速率均随着雨强和坡度的增加而增大;相同降雨条件下,被草土质路的土壤侵蚀速率低于裸露土质路;在不同雨强条件下,被草土质路的平均减沙效益达47.22%;在不同坡度条件下,被草土质路的平均减沙效益达26.24%;被草土质路通过增加路面糙度和增大路面阻力可降低水流搬运泥沙的能力,起到了减少路面产沙量的作用.     

坡度和植被盖度对粉砂质河岸带坡面流侵蚀水动力特征的影响

揭示坡面水流水动力参数特征对于深入了解坡面土壤侵蚀的内在机制具有重要意义.本试验在黄河下游河岸带原生坡面上,采用野外模拟径流冲刷的方法,研究了4个坡度(5°、10°、15°、20°)和3个植被盖度(0%、15%、30%)在特定放水量(15 L·min^-1)条件下坡面薄层水流剥蚀土壤的水动力学过程,分析了径流剪应力(τ)、水流功率(ω)、径流能量(F)等水动力学参数的变化及其对坡度、植被盖度以及二者交互作用的响应差异.结果表明: 在坡度和植被盖度的影响下,τ、ω和F变化规律明显,坡度不变情况下,τ随着植被盖度的增加而增加,ω和F随着植被盖度的增加而减小;植被盖度不变情况下,τ、ω和F均随坡度的增加而增加.坡度小于10°时,坡度和植被盖度的变化对坡面土壤侵蚀的影响不明显;坡度大于10°时,相同坡度条件下植被盖度越大减蚀效果越明显,相同植被盖度下坡面侵蚀量随坡度的增大而增加.τ、ω均与土壤剥蚀率呈显著的线性关系,在土壤侵蚀发生时均存在临界剪应力和临界功率;F与土壤剥蚀率则呈现良好的对数关系.双因素方差分析表明,坡度和植被盖度对τ、ω和F的影响显著,两者的交互作用对ω影响显著,但对τ、F的影响不显著.     

灌木斑块格局对产流及产沙过程的影响

研究景观斑块盖度和连通方式影响下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化规律,对于揭示坡面土壤侵蚀过程的水动力机制和水文连通性具有重要意义。本研究采用野外人工模拟降雨试验,分析灌木样地不同覆盖度水平(0%、20%、40%、60%、90%)和不同连通方式(竖路径、横路径、S路径、随机斑块路径)下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化。结果表明: 随灌木覆盖度增加,产流量和产沙量均呈指数递减趋势;覆盖度增加到60%以上时,灌木减水减沙能力趋于稳定。随灌木覆盖度增加,流速、径流深、雷诺数、弗劳德数、径流功率和径流剪切力显著降低,曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数显著增大;但当灌木覆盖度增加到60%以上时,水力学参数特征值变化无显著差异。4种连通方式的产流率大小依次为竖路径>S路径>横路径>随机斑块;产沙率表现为竖路径最大,S路径次之,横路径与随机斑块无显著差异。连通性差的路径(横路径、随机斑块路径)与连通性好的路径(竖路径、S路径)相比,表现出较强的水力传输阻力和较差的水力挟沙能力。研究灌木斑块不同覆盖度和不同组合方式对坡面产流产沙量和水动力参量的作用,阐明植被减水减沙的临界盖度和合理配置方式,可为黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供重要的理论依据。     

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.     

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.