苜蓿草地侵蚀产沙过程及其水动力学机理试验研究

利用人工模拟降雨试验，定量研究了不同降雨强度（45mm/h、87mm/h、127mm/h）下20°陡坡苜蓿草地的产流产沙变化规律，分析了苜蓿草地侵蚀产沙的水动力学机理。试验结果表明，苜蓿草地累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈很好的幂函数关系，随着降雨时间的增大而增大。在45mm/h和87mm/h降雨强度时，草地径流量和侵蚀产沙量呈高-低-稳定的变化趋势，在127mm/h降雨强度时，草地径流量和侵蚀产沙量呈高-低-高的变化趋势。苜蓿草地的水土保持作用通过改变土壤的入渗特性实现，草地坡面入渗率与径流量和产沙量呈明显负线性相关。从水动力学角度对苜蓿草地径流剪切力和单位水流功率与输沙率的关系进行了分析，得出试验条件下苜蓿草地的临界径流剪切力值为2.857N/m2，临界单位水流功率值为0.0114 m/s，输沙率随径流剪切力和单位水流功率的增大而增大。     

生草覆盖条件下不同降雨强度对紫色土坡面侵蚀产沙的影响

造林种草,增加植被覆盖度是防止土壤侵蚀的重要措施.通过人工模拟降雨试验,探讨生草覆盖下紫色土坡面侵蚀产沙的动态变化.结果表明,有生草覆盖的坡面径流含沙量较裸地的径流含沙量更快达到稳定状态;坡面侵蚀产沙率随覆盖度增加呈指数型递减,且坡下种草的减沙效果最好;覆盖度与降雨强度对坡面侵蚀产沙量的影响存在对比消长关系,但生草覆盖度对产沙量的影响小于降雨强度的变化对产沙量的影响.     

灌木减流减沙效应及其水力学机理试验研究

利用人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下20.陡坡面灌木的减流减沙效应,探讨了灌木保持水土作用的水力学机理.结果表明:在45、90和130 mm/h降雨强度下,灌木地坡面土壤的平均入渗率是裸地坡面入渗率的2.9 ～4.7倍;与裸地相比,灌木地径流流速减少59.4％ ～81.9％,径流量减少61.7％ ～80.6％,产沙量减少95.5％～99.3％;断面比能参数可表征为侵蚀产沙的主导因子,灌木地临界断面比能值为0.13cm,裸地临界断面比能值为0.074cm.研究结果对定量评价灌木减流减沙作用有一定的参考意义.     

雨型对东北黑土区坡耕地土壤侵蚀影响的试验研究

降雨雨型对土壤侵蚀过程有重要的影响,也是当前土壤侵蚀研究的热点之一。通过野外原位人工模拟降雨试验,设计了次降雨中平均降雨强度、总降雨量相同的4种不同降雨雨型(均匀型:降雨强度为60mm/h;峰值型:降雨强度分布为30-90-60mm/h;延迟型:降雨强度分布为60-30-90mm/h;减弱型:降雨强度分布为90-60-30mm/h),研究降雨雨型变化对东北黑土区坡耕地土壤侵蚀的影响。结果表明:各雨型条件下休闲坡耕地径流总量的大小顺序为延迟型>减弱性>均匀型>峰值型,而土壤侵蚀总量的大小顺序为减弱型>均匀型>延迟型>峰值型。延迟型雨型的坡面径流总量是其它雨型的1.02~1.45倍,减弱型降雨的侵蚀总量分别是均匀型、延迟型和峰值型的1.03、1.36和2.68倍。同一雨强在不同降雨雨型中出现的位置不同,其产生的坡面径流量和侵蚀量对坡面总径流量、总侵蚀量的贡献率也不同,分布在降雨雨型起始位置的雨强对坡面径流量的贡献率最小;除30mm/h降雨强度外,分布在降雨雨型起始位置的雨强对坡面侵蚀的贡献率最大。研究还发现,试验设计中减弱型降雨雨型与东北黑土区夏季主要侵蚀雨型特点类似,是造成东北黑土区坡耕地土壤侵蚀相对严重的主要雨型。     

砾石作用下松散红壤堆积体坡面产流产沙特征

为了探究松散红壤工程堆积体在不同降雨条件下的径流产沙特性,基于野外调查统计结果构建堆积体试验槽模型,通过模拟降雨试验研究不同降雨强度下纯土和20%砾石含量堆积体的径流产沙的差异。结果表明：(1)砾石作用延缓堆积体坡面径流发生时间的平均滞后效益为299.56%;2种堆积体径流率随产流历时呈递增变化,随降雨强度增大,平均径流率递增34.48%～244.83%,土石混合堆积体平均径流率相较于纯土减少6.54%～45.83%,平均流速减少13.76%～30.54%。(2)降雨强度≤1.5 mm/min时堆积体侵蚀速率随产流历时总体缓慢递增或趋于稳定,土石混合堆积体平均侵蚀速率比纯土减少80.39%～84.95%;但在强降雨条件下（2.0 mm/min）纯土堆积体侵蚀速率呈快速增大后递减变化,土石混合堆积体侵蚀速率波动递增,且土石混合堆积体平均侵蚀速率比纯土增大20.04%。(3)降雨强度和砾石均会改变堆积体坡面径流产沙和流速,差异显著（P<0.05）且呈“水大沙多”的特点。研究结果可为堆积体水土流失防治措施布设提供指导,为建立工程堆积体土壤侵蚀预测模型提供基础数据。     

华南红壤区坡面产流产沙对植被的响应

植被对坡面水蚀具有重要影响,其减水、减沙效益广受关注。以广东省五华县源坑水小流域2011—2014年的径流小区次降雨水沙观测数据为基础,分别在次降雨、月、年及不同降雨区间讨论植物类型差异、月际植被盖度变化、年际植物生长及不同次降雨量对坡面产流、产沙的影响。研究结果表明:(1)在次降雨尺度,植物小区平均减沙效益、减水效益分别为24.77%、12.95%,其减沙效益大于减水效益;(2)在各降雨区间,相较于裸土小区,桉树、松树和糖蜜草小区分别在次降雨量为20~30 mm、20~40 mm和20~50 mm的降雨区间具有较为显著的减沙效益。松树和糖蜜草在次降雨量为10~50 mm的降雨区间均具有显著的减水效益。但在次降雨量50mm的降雨区间植物的减沙、减水效益均不显著。(3)在月尺度上,各径流小区产流、产沙量均无显著差异。但由于月际植被盖度的变化,不同月份植物减沙效益数值顺序存在一定变化,但植物减水效益数值顺序较为稳定均呈现为糖蜜草松树桉树。(4)在年尺度上,桉树,松树和糖蜜草的减沙、减水效益区间分别为7.00%~38.66%、2.98%~8.76%,7.74%~37.30%、6.67%~19.67%和8.35%~45.33%、10.00%~23.36%。各径流小区年均次降雨产流、产沙数值顺序均呈现裸土小区桉树小区松树小区糖蜜草小区。各植物小区的减水效益与减沙效益相一致,表明相较于植物通过改变水沙关系减沙而言,植物主要是通过减水来减沙。     

不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

针对植被防护堆积体侵蚀动力机制的问题,通过野外模拟降雨试验,分析直根系和须根系植被对堆积体径流流速、水力和水动力参数的影响。结果表明:植被削减堆积体平均侵蚀速率达88.34%~92.88%,直根系消减平均流速效益为50.51%,须根系为21.32%~35.61%;裸坡和植被堆积体径流流型均属于层流(雷诺数<40),裸坡径流在降雨强度≤1.2 mm/min时处于急流态,直根系堆积体均处于缓流态,须根系堆积体在急流态和缓流态间变化。直根系对坡面径流的阻滞作用大于须根系;植被防护下堆积体侵蚀速率、水力和水动力参数与裸坡呈显著性差异(P<0.05),径流剪切力和径流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程,呈显著线性关系(R²为0.63~0.96)。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测模型的植被因子修订提供科学依据。     

模拟降雨条件下开挖面土壤侵蚀测算模型研究

为科学治理工程开挖坡面水土流失问题,采用野外人工模拟降雨试验,设计了5种雨强(30,60,90,120,150 mm/h)和3种坡度(10°,20°,30°),系统分析了不同情景下雨强、坡度、径流率、径流流速、水流剪切力及水流功率同坡面剥蚀率之间的关系。结果表明:工程开挖坡面剥蚀率Di与坡度S相关性不显著(p 0.05),与雨强I、坡度和雨强的交互作用(I×S)呈极显著相关(p 0.01);采用3种常用的细沟间侵蚀模型来计算工程开挖坡面土壤剥蚀率,就拟合效果而言,幂函数型坡度因子指标更适用于工程开挖坡面土壤剥蚀率的计算;采用径流流速、水流剪切力和水流功率为代表的水动力学参数来计算土壤剥蚀率,就拟合效果而言,水流功率是描述其细沟间侵蚀动力过程的最理想水力参数。研究成果可为建立工程开挖坡面水土流失量预测模型提供技术参数和依据。     

神府矿区土质道路侵蚀及其与径流特性的关系

为明确神府矿区土质道路土壤侵蚀特征,采用野外模拟降雨的试验方法,研究了不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mm/min)条件下矿区3°和6°土质道路土壤侵蚀过程及其与径流特性的关系。结果表明:道路侵蚀速率随降雨历时呈突增—波动—稳定的变化过程,且雨强和坡度越大,侵蚀过程的波动程度就越高;相同雨强条件下,6°坡侵蚀速率是3°坡的2.61~3.46倍,两坡度道路侵蚀速率与雨强和径流率均成极显著的线性函数关系(显著性水平P0.01)。回归分析表明,侵蚀速率与径流深成极显著的幂函数关系(P0.01),与径流剪切力、径流功率、单位径流功率均成极显著的线性函数关系(P0.01),道路发生土壤侵蚀的临界径流剪切力、径流功率、单位径流功率分别为0.80 N/m~2、0.056 W/m~2、0.005 8 m/s。     

坡度对三峡库区紫色土坡面径流侵蚀的影响分析

基于运动波理论,在紫色土坡面径流侵蚀力和径流侵蚀能力的影响因素分析基础上,对三峡库区紫色土坡面土壤侵蚀的临界坡度进行了分析,分析结果表明:(1)坡面径流流量、水深和流速均随降雨强度的增大而增大,坡面径流流量和坡面径流水深随坡度的增大而减小,而流速随坡度的增大先增大再减小,在坡度为33.21°时达到最大值;(2)坡面径流侵蚀力随着降雨强度的增大而增大,而坡度对它的影响较为复杂,这个特定坡度随降雨强度和坡长的增大而减小,随坡面土壤颗粒粒径的增大而增大,对紫色土坡面而言,在37.14°～46.19°之间;(3)坡面径流侵蚀能力在临界坡度处达到最大值,临界坡度是一个变量,随降雨强度和坡长的增大而减小,随坡面土壤颗粒粒径的增大而增大,紫色土坡面径流侵蚀的临界坡度在35.93°～40.78°之间.     

坡面各侵蚀分带的侵蚀特征对降雨雨型的响应

以不同侵蚀带的径流小区为研究对象,统计试验地附近土壤侵蚀观测站6年降雨、径流泥沙观测资料,对浅沟坡面不同侵蚀带侵蚀产沙对降雨雨型的响应,结果表明:随着降雨强度的提高,不同土壤侵蚀分带的径流量均呈增加趋势,且短历时、高强度暴雨在片蚀带、细沟侵蚀带和浅沟侵蚀带的径流量与土壤侵蚀量均最大;不同侵蚀分带径流产沙量呈显著的线性关系;随着降雨强度的增加,浅沟侵蚀带径流产沙量逐渐增大,不同降雨强度下,片蚀带径流产沙量均较小,表明发生坡面侵蚀的主要原因是由于沟蚀的径流产生引起的。在不同降雨雨型下的线性函数方程中,均以A1降雨雨型下三个侵蚀分带回归方程的斜率最大,且土壤侵蚀量与降雨强度之间呈显著的正相关关系。     

草被覆盖对坡面水沙关系的影响分析

研究自然修复草被坡面的侵蚀产沙过程对认识生态修复措施的减水减沙作用和黄河水沙锐减原因具有重要意义。采取野外标准径流小区冲刷模拟试验的方法,研究不同立地类型下的坡面产流产沙过程和水沙搭配关系,结果表明:1与裸坡相比,自然修复草被坡面的减水减沙效益分别达到88.0%和99.9%,人工草被坡面的减水减沙效益分别达到47%和97.6%;2自然修复草被措施对坡面水沙关系影响明显,自然修复草被小区呈现水少沙少现象,水沙搭配关系与裸坡和人工草被坡面明显不同;3对于自然修复草被来说,土壤入渗率的显著提高是其发挥减水减沙作用的重要原因。     

红壤坡面侵蚀发生的临界条件

采用可移动式降雨侵蚀槽进行放水冲刷试验,研究了红壤坡面侵蚀产沙强度与坡面径流能耗的关系,并分析得到土壤侵蚀发生的临界平均径流能耗值.研究结果表明:运用能量守恒原理得出坡面径流能耗,在4种不同坡度条件下,径流能耗越大,坡面产沙强度也越大;在径流能耗相同的情况下,坡度越大,产沙强度越大;建立坡面产沙强度(Dr)与径流能耗(△E)之间的关系,两者存在良好的线性关系:Dr=2.842 5△E-15.172,可用此进行坡面产沙强度的估算;土壤侵蚀发生存在有一定的临界径流能耗,在试验研究的范围内,可得到红壤坡面侵蚀发生临界平均径流能耗为5.34J/min.     

自然修复草被对坡面径流的阻滞作用研究

自然修复是干旱半干旱地区小流域水土保持生态治理措施的一种,研究自然修复措施对坡面径流的阻滞作用,对客观评价生态蓄水能力和认识黄河水沙锐减原因具有重要意义。利用野外标准小区,研究了天然降雨和径流冲刷模拟试验条件下,坡面自然修复草被对径流的阻滞作用,结果表明:低强度降雨时,自然修复草被坡面降雨入渗率可达97%,高强度降雨时更容易产流;同一径流冲刷试验条件下,自然修复草被坡面、人工草被坡面和裸坡坡面的径流入渗率分别为90.1%、49.1%和3.4%,自然修复草被坡面的产流时间最长,阻延径流、增加入渗的作用更突出。     

晋西黄绵土坡面径流流态与输沙特征试验研究

为了探讨晋西黄绵土坡面径流流态与输沙特征,本研究采用室内人工模拟降雨试验方法,对降雨条件下坡长对该区坡面径流雷诺数、弗劳德数、径流量、产沙量与输沙率进行量测与分析。结果表明:在雨强30~125mm/h、坡长1~5m的情况下,坡面薄层径流为层流,且为急流;径流流态对坡面水流侵蚀力有显著影响,产沙量与雷诺数呈良好幂函数关系;雨强与坡长的增大可增强径流紊动性,输沙率随二者的增大呈增加趋势,当雨强大于60 mm/h、坡长由3 m延长到4 m时,输沙率增量较2~3 m与4~5 m时小;输沙率与径流量的关系可用幂函数描述。该研究结论能够为黄土陡坡面水土流失治理和水土保持措施的布设提供一定的依据。     

模拟降雨下枯落物调控坡面产流产沙过程及特征研究

本研究采用模拟降雨实验的方法,研究了30、60和90 mm/h降雨强度下,5种枯落物覆盖坡面径流的水动力学特征,以期揭示枯落物覆盖条件对坡面产流产沙过程及其径流水动力学特征影响。研究结果表明:坡面平均产流率和产沙率随降雨强度增大而增大,随枯落物生物量增加而减小,并且与降雨强度和枯落物生物量之间均为指数函数关系;坡面流量-历时曲线稳定流量值主要受降雨强度的影响;产沙率-历时曲线稳定产沙率受降雨强度和枯落物生物量等多种因素的影响;枯落物覆盖对坡面径流水动力学特性有显著影响,相比于裸坡覆盖有50、100、150、200 g/m~2枯落物坡面径流平均流速相比裸坡减少率分别在17.7%、26.8%、37.9%、53.7%;雷诺数减少率分别在11.2%、18.7%、26.3%、33.4%左右;弗劳德数减少率在21.3%、30.3%、42.9%、61.2%左右,Darcy-Weisbach阻力系数增大了0.5~5.6倍;产沙率与Darcy-Weisbach阻力系数呈对数关系,与剪切力和径流功率呈线性关系,枯落物能显著增大径流临界剪切力和功率;产沙率(Dr)和各水动力学因子间有良好的相关关系,相关程度顺序为:RewVPFrft。     

黄土陡坡细沟侵蚀动态发育过程及其发生临界动力条件试验研究

研究细沟动态发育过程及其发生的临界动力条件是认识细沟发生和了解土壤侵蚀水动力过程的重要基础.本研究采用室内人工模拟间歇性降雨试验,对20°黄土陡坡细沟侵蚀动态发育、产流产沙过程及侵蚀发生的临界条件进行了研究.结果表明:(1)细沟侵蚀过程为溅蚀-跌坑-侵蚀穴-断续细沟-连续细沟,到第10场降雨结束,细沟侵蚀面积达68.32％,较发育初期增加了6.7倍,最长沟长、沟宽、沟深增加了9.8倍、5倍和3.3倍;(2)随降雨历时增加,各场降雨地表产流量前期迅速增加,随后达到稳定;含沙量变化为前期迅速增加,随后逐渐稳定并略有增加;(3)径流动能、水流功率与输沙率间均呈线性关系,径流动能更能准确揭示坡面土壤分离过程.实验条件下,黄土坡面土壤剥蚀的临界径流动能为0.013J,临界单位水流功率为0.003m/s;细沟侵蚀的临界径流动能为0.045J,临界单位水流功率为0.004m/s.     

上方来水来沙对细沟侵蚀泥沙颗粒组成的影响

土壤中细颗粒的流失是土壤质量恶化的重要表现之一。利用试验土槽和供沙土槽双土槽径流小区系统,分析了黄土坡面在不同降雨强度、不同含沙水流汇入条件下的细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化特征,探讨了降雨强度、坡面上方不同含沙水流汇入、细沟水流流速对细沟侵蚀泥沙颗粒组成变化的影响及其机理。结果表明,上方水流的汇入使侵蚀泥沙中<0 001mm的粘粒含量呈增加趋势,0 05～0 001mm的粉砂粒呈减少趋势,而降雨强度对侵蚀泥沙颗粒组成的影响不甚明显;同时,侵蚀泥沙中粘粒含量随细沟水流流速和细沟侵蚀产沙量的增大而增加。     

黄土高原丘陵沟壑区梯田边坡侵蚀过程对雨强的响应

为了进一步明确黄土高原水平梯田边坡在不同降雨强度下的侵蚀规律和细沟发育特征,选取陕西安塞县纸坊沟小流域土壤为试验材料,利用自制的试验模型槽,采用人工分层填筑方法,模拟野外最常见的单级梯田形态,在室内模拟降雨的条件下,设计了五组降雨强度(1.5、1.75、2.0、2.25、2.5 mm/min),研究了不同降雨强度对单级梯田的侵蚀规律和细沟发育的影响。结果表明:降雨强度对径流率和侵蚀速率的变化有着显著的影响,雨强≥2.0 mm/min时,径流率和侵蚀速率呈波动性增加;梯田边坡细沟长度、宽度和深度随雨强的增大而增大,其中细沟的长度能很好地反映细沟的发育过程,且与侵蚀速率之间存在着极显著的正相关关系;不同降雨强度下,梯田边坡坡面流速均呈先增大后稳定的趋势,坡面平均流速和雨强呈明显的幂函数关系;梯田边坡在侵蚀分为片状侵蚀、细沟侵蚀、细沟调整和崩塌四个阶段,且土壤侵蚀量与雨强之间有着明显的指数关系。     

不同降雨条件下生态护坡减流减沙效应对比研究

生态护坡技术逐渐广泛应用于边坡防护工程中,目前国内尚缺乏生态护坡水力侵蚀规律的研究。为更好地模拟自然降雨条件下Enkamat型生态护坡产流产沙规律,设置持续性降雨、间歇性降雨及变降雨强度不同降雨条件下试验,分析径流含沙量及泥沙累积侵蚀量随降雨历时变化规律;设置降雨强度为120 mm/h,坡度25°下Enkamat7220+植被、Enkamat7020+植被、Enkamat7220+植被根系、Enkamat7020+植被根系、仅植被、仅根系、裸坡7组不同试验组次,分析并得出加筋植草型生态护坡产流产沙规律及其减流减沙特性,验证了Enkamat型生态护坡水土防护效果的优越性,为江苏沿海垦区生态软防护工程提供理论支撑。