黄土坡面细沟沟头溯源侵蚀的量化研究

沟头溯源侵蚀占坡面细沟侵蚀量的60%以上。该文运用立体摄影测量技术和人工模拟径流冲刷的方法,研究不同流量和坡度下沟头溯源侵蚀过程及其产沙特征,探讨沟头下切造成的地表形态变化对坡面产沙的影响。结果表明:1)坡面产沙率和沟头溯源侵蚀速率随流量和坡度的增加而增大。流量每增加1 L/min,产沙率增加0.59~5.34倍;坡度从15°增加到20°,产沙率增加14.0%~89.7%。2)当流量小于或等于2 L/min时,产沙率在试验初期增加较快,而后缓慢上升;当流量大于2 L/min时,产沙率始终保持快速上升趋势,沟头溯源长度达到100 cm所需时间较流量为1 L/min时缩短12 min以上。3)坡度对沟头溯源侵蚀速率的影响随流量的增加逐渐减弱。4)细沟长度随时间的变化受流量和坡度的影响,其值可由线性增函数表达;产沙率受沟头溯源侵蚀速率、沟头跌坎高度和沟头下方沟槽内发育的二级沟头数影响,其值可由多元非线性回归方程表示。研究结果可为沟头溯源侵蚀预报模型建立和坡面水土保持措施布设提供理论依据。     

不同降雨强度下黄土区冻土坡面产流产沙过程及水沙关系

为了明确降雨对冻土坡面侵蚀的作用机理,探讨冻土和未冻土在不同水力条件下侵蚀之间的差异。通过室内模拟降雨试验,采用3种降雨强度(0.6,0.9,1.2 mm/min)对比定量研究冻土坡面和未冻土坡面产流产沙过程及水沙关系。结果表明:在0.9、1.2 mm/min雨强下,冻土坡面的产流时间相对对照坡面提前了18.7,6.4 min。冻土坡面径流量、侵蚀量均远大于对照坡面,在0.9,1.2 mm/min雨强下径流量分别是对照坡面的1.16,1.19倍,侵蚀量分别是对照坡面的10.40,6.40倍。随着降雨进行,坡面产生不同程度的细沟,其中,冻土坡面相比对照坡面细沟出现时间分别缩短了18 min,22 min,且冻土坡面细沟侵蚀量占总侵蚀量的79%～92%,此比例大于同雨强下的对照坡面。两种坡面的累计径流量与累计产沙量之间满足y=kx+b的线性关系,在细沟间侵蚀阶段,冻土坡面的k值是对照坡面的8.48～9.02倍,而在细沟侵蚀阶段,则为对照的3.68～7.50倍。研究结果表明细沟侵蚀是冻土坡面土壤侵蚀率增大的主要原因,而冻结层的阻水作用是导致坡面上细沟出现时间提前的最重要因素。该研究可以为完善土壤侵蚀机理研究提供一定的参考价值。     

黄土丘陵区冻土坡面侵蚀过程特征研究

为了探究黄土丘陵区未冻坡面和冻土坡面在不同径流坡长条件下侵蚀之间的差异,在室内进行模拟冷冻和放水冲刷试验,采用3种径流坡长(2 m,4 m和6 m)和2种坡面类型(未冻坡面和冻土坡面),定量研究了未冻坡面和冻土坡面的产流产沙过程和水沙关系。结果表明:(1)未冻坡面和冻土坡面的初始产流时间均随着径流坡长的延长而缩短,在相同径流坡长条件下,冻土坡面的初始产流时间较未冻坡面减少;(2)未冻坡面的平均产流量与平均产沙量和冻土坡面的平均产沙量均随着径流坡长的延长而增大,而冻土坡面的平均产流量随着径流坡长的变化无显著差异;(3)未冻坡面产流率和产沙率的关系分为缓慢和急速增加两个阶段,而冻土坡面的产沙率则随着产流率的增大而增大;(4)累积产流量与累积产沙量之间呈正相关关系,参数c的绝对值与径流坡长呈正比,并且冻土坡面大于未冻坡面。土壤冻结后使初始产流时间大大缩短,径流量的增加伴随着冻结土壤的不断融化导致冻土坡面侵蚀加剧。     

玉米季横垄坡面细沟侵蚀特征及其影响因素

通过野外人工模拟降雨试验,开展玉米不同生长期紫色土坡耕地细沟侵蚀特征研究,并分析玉米叶面积、雨强对细沟侵蚀过程的影响。结果表明:随玉米生长期推进,坡面产流时间、跌坎及细沟出现时间总体呈先增加后减少的趋势。苗期、拔节期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为10′59″和15′30″,抽雄期、成熟期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为20′16″和18′58″,玉米苗期坡耕地更易产生细沟侵蚀。苗期细沟形态发育完整,2.0 mm min-1雨强条件下,苗期最长细沟的长、宽、深分别为77.62、6.25和4.04 cm。随玉米生长期推进,细沟侵蚀阶段产流量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期和抽雄期细沟侵蚀阶段产流量分别占玉米季径流总量的30.97%和19.01%,玉米各生长期细沟侵蚀阶段产流率均随降雨时间的推移呈波动上升。细沟侵蚀阶段产沙量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期细沟侵蚀阶段产沙量显著高于其他生长期,玉米各生长期细沟侵蚀产沙率均随降雨时间呈波动变化。玉米季坡耕地细沟侵蚀产流量与雨强呈极显著正相关,产沙量与玉米叶面积指数呈显著负相关,产流率、产沙率与叶面积指数和雨强的回归方程均达极显著水平。     

坡面侵蚀泥沙来源立体分布研究

采用REE-INAA方法,采取沿坡面分层分段的新型试验布设方法,研究次降雨条件下坡面侵蚀泥沙来源立体分布规律。结果表明:坡面侵蚀形态演变过程可划分为面蚀、细沟发育和细沟稳定3个阶段。细沟侵蚀是坡面侵蚀产沙的主要原因,试验中的细沟侵蚀产沙量约为面蚀产沙量的9.9倍。可以利用侵蚀产沙贡献率来表征不同试验区域产沙量对总产沙量贡献作用的大小。处于坡面底部的Eu区和Yb区是面蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为3.1%和3.3%。处于坡面底部的Nd区和Ce区是细沟侵蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为42.8%和37.5%。坡面中下部是坡面侵蚀泥沙来源的主要区域。     

冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面细沟微形态变化及其侵蚀特征

选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,基于野外径流小区冲刷试验结合三维激光扫描技术,研究3种流量(60,100,200 L/h)与4个坡度(5°,10°,20°,30°)组合冲刷下砒砂岩区坡面细沟形态演变特征及径流侵蚀产沙机制。结果表明:坡面细沟在坡下最先发育,随着冲刷流量和坡面坡度的增大而向上延伸;细沟出现的时间随着坡度的增加而缩短;10°坡面上细沟的形态表现为"宽浅型",最大宽深比为0.038,20°坡面细沟的形态为"深窄型",最小宽深比为0.017;随着冲刷强度和坡度的增加,细沟宽深比变小,而细沟数量、细沟密度、细沟复杂度、细沟割裂度等指标均增大。坡度和冲刷强度共同影响着坡面产沙率变化,随着坡度和冲刷强度的提升坡面产沙率表现为先增后减的趋势。细沟宽深比与坡面产沙量呈现极显著负相关(-0.935,P0.01),细沟密度与细沟割裂度与产沙量呈显著正相关关系(0.888,0.944,P0.01)。     

模拟降雨条件下角砾和圆砾对陡峭路堑边坡产流产沙的影响

[目的]研究角砾和圆砾对陡峭工程边坡入渗、产流、产沙以及水动力学特征,为青藏高原地区工程边坡土壤侵蚀预测模型与水土保持工作提供一定的理论支撑。[方法]基于青藏高原地区派墨农村公路沿线气候特征及其土质路堑边坡形态和物质组成特征,通过室内人工降雨模拟试验,研究了在强降雨(120 mm/h),大坡度(50°),3种砾石含量(30%,40%,50%)条件下圆砾和角砾坡面宏观侵蚀特征和产流产沙规律。[结果]圆砾坡面平均入渗率高于角砾坡面,平均产流率低于角砾坡面,初始产流时间明显晚于角砾坡面;圆砾和角砾坡面水流流态均属于层流,流型均为急流,圆砾坡面的径流剪切力、径流功率、雷诺数略小于角砾坡面,但弗劳德数远大于角砾坡面,流速大于角砾坡面,阻力系数小于角砾坡面,径流挟沙能力更强;圆砾坡面稳定产沙率约为角砾坡面的2倍,总产沙量比角砾坡面高出约20%。[结论]卵砾石表面光滑,与土壤间贴合不够紧密,形状更容易引起局部湍流,在强降雨条件下,陡峻冲洪积路堑边坡坡面易发育以卵砾石为中心,遍布坡面的环形小细沟,细沟发育数量和产沙量都将大于以棱角状碎块石组成的崩坡积路堑边坡。     

鲁中山区小流域坡面土壤侵蚀产流、产沙及侵蚀方式变化过程的研究

采用模拟降雨的方法对鲁中山区坡面土壤降雨条件下产流、产沙和侵蚀方式的演变过程进行了研究,结果表明:产流量都是随时间递增最终达到稳定产流,但是各次降雨达到稳定产流的时间均随降雨强度和坡度的增大而递减。相同坡度条件下120mmh-1雨强产流较60mmh-1雨强先到稳态,而相同雨强条件下10°坡面则较5°坡面先达到稳态。产沙量呈递增趋势且逐渐达到稳定产沙,达到稳定产沙的时间随雨强和坡度的增大而递减。相同坡度条件下120mmh-1雨强处理较60mmh-1雨强处理先达到稳态,相同雨强条件下10°坡面比5°坡面产沙过程先达到稳定产沙状态;在降雨过程中坡面首先产生面蚀,后出现细沟侵蚀;面蚀率随降雨历时延长有减小趋势,但变幅较小,细沟侵蚀率随降雨时间先急剧增加后保持稳定。     

小麦秸秆长度、覆盖量对坡面产流产沙的影响

为定量研究小麦秸秆覆盖对坡面产沙产流过程及减水减沙效益的影响,采用室内人工模拟降雨试验,研究在降雨强度为90 mm/h时,不同秸秆长度和秸秆覆盖量下的坡面产流产沙特征和产流产沙过程规律,结果表明:(1)在相同秸秆长度下,随秸秆覆盖量增加,产流量产沙量极显著减少(p0.01)。相同覆盖量水平下随秸秆长度增加,产流量显著增加(p0.05),在4.5 t/hm~2覆盖量下产沙量极显著增加(p0.01)。(2)秸秆覆盖坡面的初始产流时间较裸露坡面延迟6.23倍,产流量平均下降19.5%,产沙量下降31.6%。覆盖措施通过保护土壤的结构有效抑制了细沟侵蚀过程向切沟侵蚀发展。产流产沙过程受秸秆长度和覆盖量的交互作用影响,交互效应对产流过程的影响更突出。(3)随覆盖量增加,减水减沙效益极显著增加(p0.01);随长度增加,减水减沙效益分别减少为17.26%,27.97%。不同覆盖条件下的坡面产流量、产沙量和减水、减沙效益均与秸秆长度、秸秆覆盖量呈二元线性关系。(4)在当前试验条件下,当秸秆长度为3～5 cm,覆盖量为4.5 t/hm~2时达到最优减水减沙效益。     

草甸土近地表解冻深度对融雪侵蚀影响模拟研究

采用室外人工模拟融雪水冲刷试验,研究了春季解冻期近地表草甸土解冻深度对坡面融雪水冲刷侵蚀过程的影响。结果表明:土壤解冻深度对产流及侵蚀有较大影响。由于冲刷过程中冻土层逐渐向下移动,解冻土层厚度增加,坡面产流和侵蚀也随之经历着此消彼长的复杂过程。对同一冲刷强度,解冻深度愈小,坡面初始产流时间愈早,前期侵蚀率愈大,冲刷后期侵蚀率增幅减小。初始解冻深度越大,坡面初始产流时间愈晚,前期侵蚀率较为稳定,但随冲刷时间的延长,坡面随解冻深度不同发生不同程度的细沟侵蚀,侵蚀量急剧增大,冲刷过程中侵蚀率大小的变化受细沟发育程度的影响较大。     

坡面草被覆盖对侵蚀产沙影响的模拟试验

为了探究坡面植被及其布设位置对坡面侵蚀动力过程的影响,通过室内放水冲刷试验,分析了不同植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)和不同坡面覆盖位置(坡上、坡中和坡下)下的坡面产沙及其水动力学参数的变化。结果表明:植被覆盖度、径流动能、径流流速、弗汝德数、阻力系数、糙率系数、剪切力等与坡面侵蚀产沙量密切相关。随覆盖度的增加,径流流速、径流剪切力、单位水流功率和径流动能逐渐降低,曼宁糙率系数和阻力系数逐渐增加,产沙量呈直线下降。当覆盖度从0增长到50%时,植被的减沙效益显著提高,当盖度增加到70%时,植被保持水土的作用不随覆盖度的增加显著提高,不同坡面覆盖位置下坡面侵蚀产沙表现为植被位于坡面中下部的产沙量小于植被位于坡面上部的,可用包含植被覆盖度、单位水流功率和径流动能等参数建立的联合公式模拟预测坡面侵蚀产沙量。研究结果可为阐明植被减沙的临界盖度和合理位置以及黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供参考。     

上方汇流对黄土坡面侵蚀—搬运过程的影响

研究坡面上方汇流对坡面下方侵蚀-搬运过程的影响将深化对坡面土壤侵蚀过程机制的认识。通过设计由供水装置和试验土槽组成的试验系统,采用不同降雨强度的模拟降雨试验,研究坡度为15。时上方汇流对黄土坡面侵蚀-搬运过程的影响。结果表明：在降雨强度为50、75和100mm／h时,坡面接受上方汇流后,坡面侵蚀产沙量皆大于没有上方汇流时的坡面侵蚀产沙量,即上方汇流在坡面下方引起了净侵蚀产沙量;坡面侵蚀产沙量并不是简单地与汇水流量成正相关,在小汇水流量下,由上方汇流增加的侵蚀产沙量较小,当汇冰流量增加到1．6L／min后,坡面侵蚀产沙量随汇水流量的增加明显增大,且增加幅度随汇水流量的增加而增大,但当汇水流量增加到3．2L／min后,坡面侵蚀产沙量随汇水流量增加的幅度明显减小;接受上方汇流后,坡面侵蚀现象以侵蚀-搬运过程占主导地位。     

上方来水对浅沟侵蚀产沙的野外放水冲刷试验研究

浅沟通常发生在黄土高原地区陡坡农耕地上,是黄土高原丘陵沟壑区一种独特的微地貌现象,影响着坡面降雨产汇流过程和侵蚀产沙数量。以黄土丘陵沟壑区坡面浅沟为研究对象,通过野外典型浅沟径流小区放水冲刷试验,研究上方来水对浅沟侵蚀产沙及输沙规律的影响。结果表明:浅沟径流率随着上方来水流量的增大而不断增大;产沙率随着上方来水流量的增大而增大。含沙量大小顺序为上方来水流量15L/min,下方水流量10L/min时含沙量>上方来水流量10L/min,下方水流量10L/min时含沙量>无上方来水,下方水流量10L/min时含沙量>上方来水流量5L/min,下方水流量5L/min时含沙量>无上方来水,下方水流量5L/min时含沙量。有上方来水比无上方来水含沙量增大1.39～2.46倍。     

岩土覆被格局对西南喀斯特坡地产流产沙的影响

为研究不同岩土格局对喀斯特坡地水土流失/漏失的影响,利用人工模拟降雨试验,以裸坡为对照组,研究镶嵌格局、横坡格局、顺坡格局3种岩土覆被格局下的坡面产流产沙特征。结果表明：(1)顺坡格局的地表产流量最多,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡的地表产流量增加88.6%,67.1%,576.1%,同时顺坡格局的地下产流量最少,分别较镶嵌格局、横坡格局与裸坡减少37.5%,36.1%,39.2%。(2)地表产沙量顺坡格局>镶嵌格局>横坡格局>裸坡,地下产沙量镶嵌格局>横坡格局>顺坡格局>裸坡。3种岩土格局的地表产沙量较裸坡均有明显增加,但地下产沙量相对增加较少。(3)岩土格局可改变地表径流泥沙关系,地表累积径流量与地表累积产沙量呈幂函数关系,镶嵌格局明显改变地表径流泥沙关系,使坡面地表侵蚀量显著提升。研究结果可进一步深化对喀斯特坡地降雨侵蚀规律的认识,为喀斯特地区的石漠化治理提供参考依据。     

Impervious surface impacts to runoff and sediment discharge under laboratory rainfall simulation

Urbanization of watersheds previously managed for agricultural uses results in hydrologic changes associated with increased flooding and erosion. Few studies have been conducted to quantify these effects under controlled conditions and standard rainfall simulation methodologies have not been previously established. In this study, a laboratory rainfall simulation procedure was developed and utilized to evaluate hydrologic and sheet erosional responses to various configurations of impervious surface cover at the small scale. Runoff and sediment losses from a sloped (5%) cascade of soil boxes having 50% impervious cover located at the top of the slope or at the bottom of the slope, or having 0% impervious cover were measured. Results indicate that the 50% upslope impervious treatment generated sediment at 3–5 times the rate of the 50% downslope impervious treatment. Upslope impervious cover resulted in initially lower water runoff rates than channel development, but this effect narrowed or reversed with continued rainfall. These results suggest that upslope impervious surfaces may represent a larger total on-site erosion risk than equivalent impervious surfaces located at lower positions along the slope, especially under high antecedent soil moisture and/or high intensity rainfall.     

不同草带覆盖位置条件下坡沟系统侵蚀产沙差异性

以坡沟系统单元为研究对象,利用室内降雨试验,结合三维激光扫描和微地貌分析技术,研究不同草带覆盖位置下坡沟系统侵蚀产沙差异性。结果表明:一些布设在合适位置的草带能够在p0.05水平上显著影响坡沟系统的径流量和产沙量。植被布设于坡面中下部比布设于坡面上部具有更好的水沙调控作用,植被布设于坡面长度60%时,径流量和产沙量分别减少7.35%和62.93%,直接拦沙功效优于蓄水减沙功效,水土保持功效达到最优。植被布设于坡面下部时,其侵蚀输沙过程的剧烈程度得到了缓解,植被调控侵蚀发育的作用体现。植被布设于坡面中下部时,下垫面仅有52%的区域发生侵蚀,其侵蚀输沙过程的剧烈程度明显减少,植被调控侵蚀作用有效限制了侵蚀发育。植被布设于坡面中部和中上部时,加剧了侵蚀的发育程度。研究结果有助于更好地理解植被优化配置。     

黄土高原坡耕地土壤物理结皮对坡面产流产沙过程的影响

探究黄土高原坡耕地土壤物理结皮对坡面产流产沙的影响和作用机理,为黄土高原坡耕地水土流失防治提供科学依据.通过室内人工模拟降雨试验,研究坡耕地沉积结皮和翻耕以后形成的击溅结皮对坡面产流产沙过程的影响.根据研究区坡耕地结皮形成的特点,试验共设计5个处理,分别为裸地、沉积结皮、沉积结皮破坏、翻耕和翻耕击溅结皮,每个处理对应2...     

红壤侵蚀退化坡面植被恢复过程中的水土保持效益演变

为探究花岗岩红壤侵蚀退化坡面植草措施实施中植被在不同生长阶段水土保持效益的演变规律，设置条带型（D1）、随机型（D2）、斑块型（D3）3种不同植草格局坡面，并以侵蚀退化裸地坡面（CK）作为对照开展试验，在天然降雨条件下监测整个植被生长过程中的坡面土壤侵蚀变化特征。结果表明：（1）植被的生长可显著提升坡面的水土保持能力，随着植被生长阶段的推进，坡面的产流产沙量明显下降，减流效益达20.74%~79.03%，减沙效益达97.42%~99.40%，但在不同降雨类型下，随着植被生长，坡面减流减沙效益表现出的递增变化规律具有差异。（2）植被生长能逐渐削弱降雨因素对坡面产沙的影响，使得坡面减沙率在不同雨型间的差异逐渐减小，最终稳定在一个较高水平，不同雨型间坡面减流率的差异在植被生长各时期皆较大。减流率、减沙率与植被生长时间二者之间存在对数函数关系，相关系数分别大于0.491和0.792。植被生长指标（分蘖数、盖度、株高）与坡面产流产沙量之间呈显著或极显著负相关关系。（3）从整个植被生长过程来看，3种植草格局的水土保持效益大小表现为D1>D3>D2，在植被生长的前期以及前中期，高植株密度的分布格局强于低植株密度分布格局，后期各格局差异较小。研究结果为南方红壤水土流失区严重侵蚀退化地植被恢复提供科学依据及技术支撑。     

草带措施对坡耕地产流产沙和氮磷迁移的控制作用

植被在坡面的位置对坡面保持水土的作用是不同的。动态监测澄江抚仙湖一级支流尖山河小流域坡耕地降雨-径流过程及水土流失量,研究草带措施对云南红壤坡耕地产流产沙和氮磷迁移的削减作用。结果表明:草带调控处理下雨季降雨量、总产流次数、径流深和土壤侵蚀量较原状坡面明显减少,次降雨下,宽草带的径流控制率和土壤侵蚀控制率分别为79.19%和64.55%,窄草带的径流控制率和土壤侵蚀控制率分别为85.15%和73.77%,坡耕地土壤侵蚀量变异系数>径流深变异系数>降雨量变异系数,原状坡面变异系数间增幅差异为31.42%,宽草带调控措施作用下变异系数间增幅差异为20.37%,窄草带调控措施作用下变异系数间增幅差异为19.11%,窄草带对坡耕地径流和泥沙的调控能力更强;宽草带和窄草带2种草带作用下,径流氮磷迁移浓度差异不显著,较原状坡面相比,草带措施明显控制氮磷迁移通量,径流总氮迁移通量控制率分别为81.23%和81.68%,铵态氮迁移通量控制率为78.25%和59.50%,总磷迁移通量控制率为71.36%和82.03%;径流泥沙速效养分含量明显增加,较原状坡面相比,草带措施能明显控制径流泥沙氮磷迁移通量,且径流泥沙氮磷迁移控制率较径流氮磷迁移控制率高,径流泥沙全氮迁移通量控制率为98.43%和94.30%,碱解氮迁移通量控制率为98.43%和93.10%,全磷迁移通量控制率为96.43%和89.77%,速效磷迁移通量控制率为90.34%和57.43%。     

模拟降雨下坡面草带分布对产流产沙过程的影响

为深入探讨坡面植被分布对产流产沙过程的影响,定量分析植被分布与坡面产流产沙的关系,通过人工降雨试验,在15°坡面条件下,对不同植被覆盖度（40%,60%）、不同降雨强度（30,60,90 mm/h）和不同植被分布位置（相对距离为0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0）条件下的坡面产流产沙进行观测,分析不同植被分布条件下的水土保持作用,提出了不同覆盖度下控制水土流失的植被优化配置。结果表明：（1）在一定坡度和降雨强度条件下,不同植被分布条件下坡面产流率和产沙率均表现为先迅速增加后趋于稳定的变化趋势;（2）坡面平均产流率和产沙率随着相对距离的增加表现出先减小后增大的趋势,植被相对距离为0.2的坡面的平均产流率在不同实验条件下均为最小;（3）通过随机森林算法发现,降雨强度和植被覆盖度对产流具有重要影响,降雨强度和植被相对距离对产沙具有重要影响;（4）当植被覆盖度为40%时,以减少径流和泥沙为主要目标的最优化植被相对位置分别为0~0.36,0~0.31;当植被覆盖度为60%时,以减少径流和泥沙为主要目标的最优化植被相对位置分别为0~0.43,0~0.22。表明坡面植被分布对产流产沙有重要的影响,在相同植被覆盖度条件下,草带的相对距离越小,对减少径流和泥沙的作用较好。研究成果可为生态恢复过程中植被的优化配置提供理论依据和数据支撑。