不同作物种植模式下坡耕地产流产沙的模拟研究

产流产沙是坡耕地水土流失的主要形式,为探讨不同种植模式对坡耕地产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验方法,在同一坡度、3种雨强下对坡耕地7种种植模式进行模拟试验。结果表明：1)不同种植模式下坡面产流量随雨强增大而增大,初始产流时间随雨强增大而缩短。坡面产流量趋势为先逐渐增大,之后(10 min左右)逐渐趋于稳定。C单种模式减流效果最差;A-B-C套种模式减流效果最好;低矮作物单种及参与的套种模式能更好促进降雨入渗。2)不同种植模式下坡面产沙量与雨强呈正相关,低矮作物参与的种植模式径流含沙量变化幅度较小,中、高单种或套种模式径流含沙量变化复杂。小、中雨强下,A-B-C套种模式减沙效果最好;大雨强下,A-B套种模式减沙效果最好。低矮作物参与的种植模式减沙效果优于中、高作物单种其套种模式。3)不同种植模式下产流量和雨强均呈极显著正相关。B、C单种模式与A-B-C套种模式产沙量与雨强有相关关系,其余模式与雨强的相关性不显著。综上,低矮作物单种及低矮作物参与的套种模式能有效减流、保土,因此坡耕地在进行农作物种植时应考虑增加低矮作物参与种植,避免造成大量水土流失。     

不同坡面单元人工降雨产流试验与分析

土壤前期含水率、坡度、雨强和植被是降雨产流过程的重要影响因子.目前,利用人工降雨产流试验对降雨产流机制的研究主要集中在黄土高原干旱地区和南方湿润地区,关注华北平原地区的较少,为探究不同因素对华北地区降雨产流过程的影响,利用河北工程大学临洺关校区人工模拟降雨试验平台,分析了不同降雨情景下地表径流产流响应的差异性.结果 表明:产流起始时间随土壤前期含水率、坡度和雨强的增大而减小,且受土壤前期含水率的影响更显著,产流量随时间变化呈现先增加后平稳的趋势;裸地坡产流起始时间小于自然草地,在起始产流至达到稳定临界点的时段内,裸地和草地坡产流量与产流历时呈现对数关系;累积产流量与降雨历时呈线性函数分布,拟合优度均在0.9以上.相较植被和坡度而言,土壤前期含水率和雨强是影响试验单元产流最重要的两大因素.通过上述不同情景、不同因素的试验差异分析研究,以期为构建适用于华北平原的产汇流模式提供理论依据和数据支撑.     

雨强和坡度对嵌套砾石工程边坡侵蚀特征的影响

为探究不同雨强和坡度对西南高山-亚高山地区急陡、高砾石含量工程边坡土壤侵蚀的影响.采用室内模拟降雨及人工配置土壤等方法,在5种雨强(25,40,45,65,85 mm/h), 5种坡度(35°,40°,45°,50°,60°)条件下进行模拟实验.研究结果表明:工程坡面产流率随着雨强的增加呈对数增加.不同雨强下坡面平均产流率变化过程随着坡度的变化差异性具有统计学意义.随着雨强的增加,同一坡面工程边坡侵蚀率明显增多.当雨强为40 mm/h时,工程坡面侵蚀率随坡度变化较小(0.015 g/s);当雨强为65 mm/h时,同一坡面的侵蚀率随着坡度的增加而减少.工程坡面溅蚀率整体呈现出迅速增长至峰值后缓慢下降的趋势.同一边坡随着雨强的增加,坡面击溅侵蚀率在产流前和产流时都有明显的增加,不同粒径土壤增速具有明显差异,同一坡面随着坡度的增加,坡面泥沙溅蚀率存在临界值(40°～45°).降雨强度与土壤侵蚀相关性有统计学意义,不同雨强下坡度与径流过程和侵蚀过程的相关性具有明显差异性.结论:工程边坡中砾石具有增加下渗率和抗侵蚀作用,工程坡面土壤侵蚀率随降雨历时逐渐下降;坡度的增加在增大坡面流速的同时会降低坡面实际承雨面积,工程坡面土壤侵蚀率随坡度的增加呈非线性关系.     

坡长对红壤侵蚀影响人工降雨模拟研究

为解决南方红壤丘陵区裸坡面水土流失问题,该文采用人工模拟降雨(雨强30—150mm/h)结合试验土槽等方法(坡长分别为1、2、3、4、5m,坡度20°),研究了不同雨强下坡长对红壤侵蚀的影响,并初步探讨了侵蚀增强的临界雨强和设置水土保持措施的合理坡长,结果表明,产沙量随坡长的延长呈增大趋势,二者的关系可用幂函数(R20.80)表示,雨强越大,产沙量增速越快,增量越大.坡长延长相同长度时,产沙量不呈比例增加,初步建议在南方红壤丘陵区裸坡面可每隔4—6m设置水土保持措施,有效缓解坡面水土流失.坡面侵蚀产沙量随着雨强的增大而增加,坡长越长,产沙量随雨强增加速度越快,二者呈幂函数关系(R2=0.99),60mm/h左右是红壤丘陵区侵蚀增强的临界雨强;雨强、坡长与产沙量均呈正相关关系,雨强对裸坡面侵蚀产沙量的影响较坡长大.该研究为南方红壤丘陵区裸坡面水土流失治理提供一定的理论依据.     

坡度因子对济南市坡面土壤侵蚀特征的影响

为了研究坡度因子对径流小区土壤侵蚀特征的影响,认识济南南部山区坡面侵蚀的过程,充分利用济南市水文局水土保持监测实验站径流小区2014、2015年的实测数据,系统分析了坡度因子对坡面产流、产沙量的影响。结果表明:随着坡度的增大,坡面产流、产沙量逐渐增大,在坡度为20~25°时达到最大值,之后小幅减小,且整体上呈现增大的趋势;在不同雨强条件下,最大30 min雨强I_(30)40 mm/h比I_(30)≥40 mm/h的产流量、产沙量小;随着坡面植被覆盖度的增加,土壤抗蚀性提高,坡面产流量、产沙量减小;通过土壤流失方程模拟不同坡度坡面的产沙量与径流小区实际测得数据总体上差距较小,说明该模型及其参数适用于济南南部山区。     

基于侵蚀过程的喀斯特坡耕地土壤重金属迁移机制

为探索喀斯特坡耕地土壤重金属元素随径流迁移机制,通过人工模拟降雨试验方法,系统研究了不同降雨强度和坡度下Cu、Zn和Ni元素随地表径流迁移转化机制。结果表明:(1)不同处理条件下坡面产流量呈上升趋势,在产流10～20 min后达到峰值并趋于稳定,同时降雨强度越大,坡度越陡,产流量越高。(2)不同处理条件下产沙量均呈先迅速增加后缓慢减少的变化趋势,产沙量与降雨强度呈正比,且在相同降雨强度下存在临界坡度。(3)供试土壤中重金属均以残渣态为主,随着产流时间的延长,径流中溶解态Ni和Cu元素变化无明显规律,上下波动幅度不大,溶解态Zn在径流中含量低于检测下限,而颗粒态Cu、Zn和Ni含量基本呈现先快速上升又逐渐下降的变化趋势,与径流产沙量变化趋势一致。     

土壤容重对红壤坡地降雨侵蚀和入渗的影响

通过室内坡面模拟降雨试验,在长200cm、宽30cm、坡度15°的径流小区上,雨强控制在80～85mm/h范围内,研究亚热带红壤土坡面5种不同容重(1.05、1.1、1.15、1.2、1.25g/cm3)产流形式和侵蚀产沙、产流强度的关系.结果表明:地表径流和壤中流是亚热带红壤的主要产流形式,在总降雨量中的比例随容重的不同而不同.5种容重的地表径流比例都达97%以上,壤中流仅占产流的一小部分.但是壤中流在一定程度上对降低土壤侵蚀增加降雨入渗起到一定作用;壤中流初始产流时间、产流强度先随容重变大而减慢、减小,后随容重增大而加快、增大;容重1.15g/cm3时,总产沙量与总溅蚀量是最小的.     

移动降雨条件下结皮对坡面产沙的影响机理

通过室内小尺度坡面(4m×1m)人工降雨物理模型,设计沿坡面上下移动的移动降雨工况进行产沙产流过程比对试验,对产流产沙量时空特性及侵蚀泥沙粒径特性进行分析,探讨不同降雨移动方向条件下结皮对坡面产沙过程的影响机理。结果显示:结皮发育造成产沙显著减少;降雨向上移动时,结皮发育成熟使峰值产沙提前出现,而向下移动时产沙峰值始终随产流峰值一起出现;向上移动降雨工况在雨强3.6×10-5 m/s时达到产沙峰值和等效泥沙浓度的最大值,而向下移动工况则对应更大的降雨强度;结皮发育在降雨初期对产沙成分的影响最明显,总体上产沙成分保持特定比例结构,粉粒最易受侵蚀,粘粒次之。研究表明:结皮发育是影响移动降雨条件下坡面产沙时空特性的重要因素。     

降雨入渗-地表径流下延安卸荷黄土边坡侵蚀演化特征

明确卸荷黄土边坡降雨侵蚀规律对地质灾害防治和流域生态治理具有重要意义。以延安卸荷黄土边坡降雨侵蚀灾害为研究背景,利用自行开发的降雨入渗-地表径流黄土边坡试验平台,研究降雨强度、降雨历时对卸荷黄土边坡入渗量、径流量、土壤流失量以及坡体含水率的影响,揭示降雨作用下卸荷黄土边坡侵蚀演化规律。研究结果表明：1）降雨初期坡面雨水以入渗为主,入渗量约为地表径流量的2～8倍;随着降雨历时增加,地表径流量呈增加趋势,雨水入渗量呈减少趋势;短历时强降雨条件下地表径流量小于入渗量,而持续强降雨条件下地表径流量大于入渗量。2）坡面侵蚀产沙量与降雨强度呈正相关关系,持续强降雨条件下的土壤流失量约为短历时强降雨的10.81倍。3）地表土体含水率随降雨次数增加呈现快速增长到缓慢增长再到平稳状态的发展过程,随降雨强度降低呈减小趋势;相同雨强下,持续强降雨下的地表土体含水率较短历时强降雨增长了9.62%;坡面中、底部浅层土体含水率增长速率高于坡面顶部。4）持续强降雨下边坡侵蚀灾变演化过程为雨水入渗→浅表层土体增湿→坡面密集溅蚀坑→地表径流→浅、细、短的侵蚀沟槽→深、宽、长的侵蚀沟槽→坡体浅层滑塌,坡面侵蚀破坏范围表现...     

公路路基压实黄土坡面人工降雨侵蚀试验

公路压实高原二区黄土(Q2)路基坡面人工降雨侵蚀试验研究表明,坡面冲蚀强度与雨强、降雨历时、坡长、坡角、压实度、土壤粘性皆有一定关系,高原二区粘性黄土冲蚀强度随时间增加而减小过程对坡面防蚀有利,在得出历时1h降雨坡面平均冲蚀强度及长历时坡面侵蚀强度随时间变化的经验公式基础上,提出减小坡面冲蚀强度方法。首先考虑增加压实度减小坡面土体重力侵蚀来减少坡面总体侵蚀量;实际工程中采用修筑截水平台或截水沟减小降雨侵蚀坡长或坡高,可大大减小冲蚀强度;坡高h不变时,坡角避开冲蚀强度最大的临界坡度为25.9°;坡高一定及边坡稳定情况下,边坡坡角应尽量避开15°～60°范围,大于70°或小于15°的坡面冲刷很小,对于70°以上坡角特别适应于直立性黄土坡面。     

金沙江干热河谷坡面降雨产流特征的分析

为干旱区植被恢复技术研究及坡面治理提供依据,运用坡面径流泥沙小区定位观测方法,对元谋县典型干热河谷地段坡面小区降雨产流特征进行了研究,根据降雨的三个重要特征降雨量、持续时间和时段最大雨强,通过SPSSK均值聚类分析法对降雨进行了分类.结果表明,研究区年内降水量分配不均,试验期间雨季6月、9月降水过分集中,易形成持续大雨,导致产生大的地表径流并冲刷地表,造成水土流失.研究区存在降雨强度大、持续时间短的A型雨、降雨强度小持续时间长的C型雨以及居于二者之间的B型雨;降雨量和降雨强度,尤其最大30min雨强是影响坡面产流能力的关键因素;不同雨型下坡面产流能力大小为A型雨>B型雨>C型雨,而产流尺度效应则为C型雨>B型雨>A型雨.     

降雨和坡度对路基边坡产流产沙的影响

【目的】分析降雨和坡度对铁路路基边坡产流产沙的影响,为胶东半岛区域铁路建设过程中路基区水土流失监测及防治提供技术支撑。【方法】采用人工模拟降雨试验,在3种雨强(20、40、60 mm/h)、2个坡度(30°、35°)模拟条件下,研究降雨、坡度对胶东铁路路基边坡产流产沙的影响。【结果】模拟降雨条件下,当降雨强度由20 mm/h增加到60 mm/h,相同坡度下的路基边坡产流起始时间缩短56～73 s; 当坡度由30°增大到35°,相同雨强下的路基边坡产流起始时间提前2～23s。径流量、产沙率在降雨初期剧增到峰值,之后径流量逐渐趋于稳定,而产沙率波动减小后逐渐趋于稳定。相同坡度条件下,雨强由20 mm/h增加到40 mm/h,径流量和产沙率分别增加37.8%～115.2%和67.0%～86.9%; 雨强由40 mm/h 增加到60 mm/h,径流量和产沙率分别增加54.7%～125.0%和144.5%～177.9%。相同雨强条件下,坡度30°～35°处于对径流侵蚀影响的临界坡度范围内,坡度对径流量、产沙率的影响较复杂,小雨强(20、40 mm/h)时,坡度是主要影响因素,35°边坡径流量、产沙率小于30°边坡; 大雨强(60 mm/h)时,降雨成为主要影响因素,35°边坡径流量大于30°边坡,而产沙率小于30°边坡。【结论】降雨、坡度对胶东铁路路基边坡产流起始时间、径流量、产沙率等有一定的影响,模拟降雨条件下,雨强和坡度的增加将缩短产流开始时间,尤以雨强的影响更加明显。     

喀斯特坡耕地裸坡侵蚀性降雨产流试验研究

为揭示喀斯特坡耕地土壤侵蚀驱动力——产流过程及机制,本研究采用人工模拟降雨试验,通过模拟典型喀斯特坡耕地耕作层、地表微地貌和地下孔(裂)隙构造,探索不同雨强(30,50,70和90mm/h)、坡度(5°,10°,15°,20°和25°)、地下孔(裂)隙度(1%,2%,3%,4%和5%)组合下坡耕地产流特征.结果表明:(1)对于地下产流降雨(雨强为30mm/h),喀斯特坡耕地坡面不产生地表径流,降雨全部转化为地下径流;不同地下孔(裂)隙度下的地下产流率大致相当,而不同坡度下的地下产流率差异较大.(2)对于地表产流降雨(50和70mm/h),地表地下均产生径流,其中地表产流率随坡度增加而增大,且随地下孔(裂)隙度增大而减小,而地下产流率则相反;(3)对于极端降雨(雨强90mm/h),地表产流率随坡度增加而增加,随地下孔(裂)隙度增大而减小,而地下径流则与地表径流相反.地下径流是喀斯特坡耕地主要产流方式,地下孔(裂)隙度和坡度共同影响着径流分布,而降雨强度决定着地表径流和地下径流率.     

粉砂壤土中大孔隙对坡地产汇流的影响

以室内试验槽为平台,采用人工模拟降雨实验,研究粉砂壤土大孔隙对坡面出流、坡面流流速、坡面流阻力系数、曼宁糙率、雷诺数、弗劳德数和坡面累积产沙量的影响.结果表明,在粉砂壤土中,相对于无大孔隙试验槽,含有大孔隙的试验槽的坡面阻力系数和曼宁糙率较大,而坡面出流量、坡面初始出流时间、雷诺数、弗劳德数坡面流流速,以及坡面累积产沙量则较小.两坡面流的流态均为层流和缓流,累积产沙量随时间的变化过程可用幂函数描述.     

降雨-植被格局耦合作用对坡沟系统水沙特征影响

不同植被格局的产流产沙特征是研究坡沟系统植被调控机理的重要基础.本研究以坡-沟系统物理模型为载体,通过间歇性模拟降雨试验对坡面5种覆草格局的产流产沙特征进行了分析.结果表明,植被格局对坡沟系统的产流产沙量均有显著性影响(p0.05).坡下部的蓄水减沙效益总体优于坡上部,但在坡沟系统条件下,并非将草带种植得越靠近坡面最下端,其蓄水减沙效益最佳,不同植被格局的蓄水减沙效益依次为:坡面中下部坡下部坡面中上部坡面上部,即将草带种植在距离坡面4m时其水土保持效果最佳,此处可减水7.35%,减沙62.93%.在不同格局条件下,第2、3次降雨径流量均值分别比第1次降雨增加5.39%~37.16%、1.83%~21.83%,产沙量均值分别比第1次减少42.05%~82.45%、72.34%~92.26%,即随着降雨场次的增加,径流量略有增加且趋于稳定的时间逐渐缩短,产沙量急剧下降.在不同植被格局条件下,随着模拟降雨历时的延长,径流量在0~10min内以约0.54L/min的速度快速增加至8~10L/min,之后处于水平稳定状态.产沙量的变异系数Cv在50%以上,产沙过程波动剧烈.草带削减径流量为5%左右,蓄流作用稍弱,相对来说对泥沙的拦截作用较好,能使产沙量下降33%左右.     

陕北地区土地利用变化影响土壤入渗性能试验研究

陕北地区为典型的生态脆弱地区,近年来随着当地社会经济的快速发展,土地利用条件发生了深刻变化。科学认识土地利用变化对降雨入渗等水文特征影响,对于科学指导当地的生态环境建设具有重要意义。论文通过模拟降雨试验,对几种主要土地利用类型的降雨入渗特征进行了研究。研究结果表明,在原状土坡面上,雨强和坡度对土壤入渗性能产生影响。随着雨强的增大,单位雨强入渗率明显降低,其有效入渗雨量降低;坡度越大土壤的入渗性能也相应降低。在扰动土坡面上,土壤入渗性能总体有所增加,但是在较陡坡度条件下,扰动土坡面土壤入渗性能降低,坡面产流增加。非硬化路面的土壤入渗性能整体较低,加之坡面糙度较低,产流量和产流速度明显增加,增加了水土流失发生发展的动力条件。在生产实践中需要加强对扰动区以及非硬化道路路域水土保持防护。     

晋西黄土坡面薄层流水动力学特征模拟试验研究

为了研究具有代表性的晋西黄绵土坡面薄层流水动力学变化特征,从而揭示坡面径流侵蚀产沙动力学原理,采用室内人工模拟降雨试验方法,分析了特定坡度(20°)下,坡面径流雷诺数、弗劳德数、流速、径流深等水动力学参数随坡长(1,2,3,4,5 m)与雨强(30～125 mm/h)的变化。结果表明,不同坡长与雨强的组合方式下,坡面径流属层流,且为急流,径流紊动性随雨强与坡长的增大而增强,在坡面植物篱间距设置时应考虑坡长的影响;坡长、雨强均对平均径流深、流速、剪切力有显著影响,且雨强的影响较坡长大;剪切力与坡长、雨强具有显著线性函数关系(R~20.89),但当坡长与雨强同时作用于径流剪切力时存在一定的相互制约作用。该研究结论将为晋西黄绵土坡面土壤侵蚀的研究提供一定的理论依据。     

基于BP神经网络的坡面降雨产流预测

为预测坡面降雨产流,基于坡面降雨产流的非线性特性,引用3层BP(Back-Propagation)网络建模方法,对B市密云水库流域石匣小区水土保持监测小区的坡面降雨产流进行了研究。模型输入层变量数为5个,分别代表坡度、坡长、降雨强度、降雨历时、土壤的有效糙率,输出层变量数为坡面降雨产流量,利用野外小区实测数据,对上述网络进行了训练,学习100次后网络趋于收敛,训练样本集误差达到2.040 96×10-10,小于预设精度,预测样本的平均相对误差为1.67%。该模型的建立与实践,为坡面降雨产流预测的研究提供了新的方法。     

古树包滑坡坡面径流饱和-非饱和渗流的有限元分析

坡面径流产流规律的研究对预防滑坡和边坡排水具有重要的理论意义和一定的实用价值。本文基于有限元理论,采用Galerkin法建立了坡面径流饱和—非饱和渗流方程,对滑坡坡面径流饱和—非饱和渗流进行了耦合分析。以清江古树包滑坡治理工程为例,首先建立了数学模型,模拟了降雨入渗过程,研究了降雨强度、初始体积含水率对坡面径流产流规律的影响。结果表明：降雨强度越大,开始产流经历的时间越短,坡面径流的最大水深越大;初始体积含水率越大,产流开始时间和达到平衡的时间也会提前。     

坡度对坡面降雨产流规律的影响

通过建立概化坡面模型,设置不同坡度下的单层无限深均质各向同性梯形壤土剖面,在不考虑蒸散发和土壤水分滞后效应的前提下,假定若干初始土壤含水量,借助Hydrus软件,在给定时空分布均匀降雨的条件下对Richards’方程进行数值计算以探索坡度对霍顿型降雨产流过程的影响。结果显示产流基本随坡度增加而减小,而初始土壤含水量增加将抑制坡度对产流的影响,用幂函数可以较好地近似产流和坡度之间的关系。