雨滴击溅下表土孔隙变化及其对入渗能力的影响

为探究雨滴击溅下土壤结构与入渗能力的变化规律,为雨滴击溅下土壤侵蚀状况预测提供参考,以黄土高原褐土为对象,基于雨滴击溅试验、土壤渗透试验和同步辐射CT扫描方法,对降雨条件下表土孔隙结构与土壤渗透能力的关系进行了分析。结果表明:①雨滴击溅导致土壤总孔隙度和渗透系数显著降低(P<0.05)。2.67、3.39和4.05 mm直径雨滴击溅后土壤的总孔隙度分别降低了20.64%、36.05%和44.88%,土壤渗透系数分别降低了15.69%、40.42%和71.77%。雨滴击溅后土壤孔隙的碎片化程度加剧,导致孔隙形状更不规则,连通性降低。②土壤孔隙大小、形状和连通性对土壤渗透能力有显著影响(P<0.01):孔隙越大,形状越规则,对土壤渗透能力的影响越大。从孔隙连通性角度看,土壤连通孔隙的孔喉半径和孔隙率对入渗能力的影响程度最大。基于以上分析,建立了土壤渗透系数(K)与总孔隙度(P_(T))、大孔隙率(P_(lp))、规则孔隙率(P_(rp))、连通孔隙率(P_(cp))和孔喉半径(R_(th))的预测模型:K=0.402P_(T)+0.104P_(lp)+0.1401P_(rp)+0.350P_(cp)+0.003R_(th)-0.415,R^(2)=0.93,P<0.05。综上可见,雨滴击溅通过改变土壤孔隙的大小、形状和连通状况,导致土壤孔隙结构破坏,从而降低了土壤入渗能力。

降雨条件下土壤胶结状况与团聚体分布特征研究

[目的]分析雨滴击溅对表层土壤胶结剂含量以及团聚体分布特征的影响,揭示降雨条件下土壤胶结状况与团聚体变化的关系。[方法]通过室内模拟降雨试验,采用理化分析与同步辐射计算机扫描(SR-μCT)技术,对泥沙中团聚体胶结剂含量、表土团聚体空间分布进行了研究。[结果](1)泥沙中各胶结剂含量排序为碳酸钙>有机碳>游离氧化铁>游离氧化铝>六碳糖,相同薄层径流下,泥沙中胶结剂的含量随雨滴直径的增加不断增加;相同雨滴直径下,胶结剂的含量随薄层径流的增加呈先增加后减小的波动式变化。雨滴击溅和径流冲刷共同作用对<0.053 mm粒径下六碳糖、游离氧化铁、游离氧化铝以及0.25~2 mm粒径下六碳糖、游离氧化铁、碳酸钙和有机碳含量影响显著(p<0.05)。(2)相同薄层径流下,表土团聚体总数量(A)、微团聚体(≤0.25 mm)数量、比表面积(SSA)随雨滴直径的增加而增加,大团聚体体积百分比(V mac)、大团聚体(>0.25 mm)数量、几何平均直径(GMD)随雨滴直径的增加而减小;相同雨滴直径下,随着薄层径流增加,SSA不断减小,GMD不断增加。(3)泥沙中5种胶结剂与表土团聚体结构参数呈显著相关关系(p<0.05),泥沙胶结剂含量越高,A和SSA越大,GMD和V mac越小。[结论]雨滴击溅薄层径流增加了表土团聚体胶结剂迁移损失,增大泥沙中胶结剂的含量。降雨侵蚀下表土团聚体胶结剂含量降低,是导致土壤团聚体结构破坏,稳定性降低的主要原因。

坡度变化对原状黄土雨滴溅蚀特征的影响

为明确坡度变化对原状黄土雨滴溅蚀特征的影响,笔者利用自主设计的人工模拟雨滴溅蚀试验平台,开展不同雨径和雨强条件下原状黄土溅蚀演变规律试验研究,分析地表坡度变化与土体溅蚀程度的关联性特征。结果表明,溅蚀坑深度随降雨历时呈指数函数型增长,约40 min后逐渐趋于稳定;溅蚀深度随雨强增大近似呈线性增长;雨径大小对溅蚀范围影响显著,溅蚀破坏直径与溅蚀扩散直径随雨强增大而增加,溅蚀扩散直径D约为溅蚀破坏直径D_(0)的2.0~3.5倍;溅蚀坑形状随坡度增加由近似“圆形”发展为沿坡度方向的“沟槽形”,溅蚀坑深度随坡度增加呈线性衰减;水平方向溅蚀范围随坡度增加呈减小趋势,坡度方向溅蚀范围呈增大趋势,且坡度方向溅蚀破坏范围明显大于水平方向。

不同初始含水率黄土雨滴溅蚀试验

降雨特性、土质类型及其改良措施是影响土壤侵蚀的重要因素,为了给黄土高原地区土壤侵蚀防治及相关研究提供参考,以延安地区某边坡上更新统原状黄土为研究对象,制备原状、干燥、增湿3种圆柱体试样(初始含水率分别为14.5%、4.5%、33.6%),试验方案为2个雨滴直径(3.0、5.0 mm)、3个雨滴频率(10、50、100滴/min)、雨滴落差1000 mm、降雨历时60 min,利用自行设计的单雨滴溅蚀试验平台进行不同初始含水率黄土的雨滴溅蚀试验,结果表明:1)随着降雨历时延长,雨水从雨滴降落点不断向四周渗透扩散,在雨滴连续击溅作用下试样表面形成由小到大、由浅变深近似圆形的溅蚀坑;溅蚀坑深度随降雨历时延长而增大、随降雨强度提高而增大,不同初始含水率黄土试样溅蚀坑深度随降雨历时的变化趋势基本一致,大致可分为快速增长、持续强化、稳定渐变3个阶段。2)相同初始含水率条件下,试样溅蚀破坏直径和溅蚀扩散直径随降雨强度提高而明显增大;相同降雨强度条件下,干燥试样雨水入渗量和入渗范围较大,增湿试样溅蚀坑内的薄层积水使雨滴溅蚀破坏减弱;小雨情况下初始含水率较高的土体易被溅蚀,而强降雨情况下初始含水率较低的干土易被溅蚀。3)溅蚀扩散直径为溅蚀破坏直径的2.1~3.3倍,溅蚀破坏直径、溅蚀扩散直径和溅蚀量(体积)受土体初始含水率影响显著。

延安丘陵区黄土雨滴溅蚀过程模拟

为揭示延安丘陵区黄土雨滴溅蚀特征及其演变过程,选取晚更新世原状黄土为研究对象,利用自制的雨径、雨强可控的单雨滴模拟试验装置,对边坡浅表层采集的原状黄土进行雨滴击溅侵蚀试验,研究降雨强度和降雨历时对原状黄土侵蚀特征的影响规律。结果表明:①雨滴连续击打作用下,原状黄土表面逐渐形成一近似圆形的溅蚀坑,溅蚀坑由浅变深、由小变大,侵蚀深度随降雨历时的发展过程可描述为快速增长阶段(0~10 min)、缓慢增长阶段(10~40 min)和稳定发展阶段(40~60 min)。②侵蚀深度、侵蚀破坏直径及侵蚀扩散直径随降雨历时发展过程符合幂函数型增长,0~10 min为侵蚀变形主要增长阶段,降雨强度越大,土壤侵蚀作用越显著,0~10 min阶段的侵蚀深度占总侵蚀深度比例可达81%以上;降雨历时约10 min后,溅蚀面上横向侵蚀范围基本趋于稳定状态,侵蚀深度、侵蚀破坏直径及侵蚀扩散直径均随降雨强度呈正相关,且侵蚀扩散直径D约为侵蚀破坏直径D 0的2.71~3.55倍。③强降雨是诱发黄土边坡发生侵蚀灾害和水土流失的重要影响因素,建议采用坡面植绿、加筋和防排水等防护措施,增强坡面抗侵蚀能力,降低黄土边坡浅层水蚀灾害发生。研究成果可为黄土地区降雨侵蚀灾害防治提供参考。

坡度对降雨溅蚀影响的研究

利用可以分别收集不同方向溅蚀土样的土槽装置,选取9个坡度（5°-45°）,采用北京的普通褐土,借助人工模拟降雨手段研究了降雨溅蚀的发生过程及溅蚀量与坡度的关系。结果表明,随着坡度的不同,各方向的溅蚀过程呈现三种形式：（1）产流前溅蚀率较小,产流后迅速达到峰值,之后逐渐减小并逐渐达到稳定,峰值与稳定溅蚀率相差2倍以上;（2）产流前溅蚀率最大,产流后迅速减小并趋于稳定;（3）整个降雨过程中没有明显起伏。各个坡度下,次降雨溅蚀量均为上坡最小,下坡最大。上坡和侧坡溅蚀量与坡度成负相关,可分别用直线和指数函数拟合。下坡溅蚀量、溅蚀总分散量和溅蚀净搬运量均随着坡度的增大而先增大后减小,且为线性关系,临界坡度为35°。本研究将有助于深入理解降雨溅蚀侵蚀机理,并可为布设水土保持措施提供理论依据。

坡面草本植物对土壤分离及侵蚀动力的影响研究

植被是影响坡面水力侵蚀过程的重要因素,深入理解草本植物坡面不同降雨和径流特性对土壤分离的作用是研究土壤侵蚀动力学的基础。为此基于坡面土壤分离试验,通过定量测定2种草本植物草冠、根系对降雨和径流的影响,研究了不同侵蚀力作用下的土壤分离特征。结果表明,草本植物对坡面径流和泥沙具有重要的调控作用,相同覆盖度下狗尾草坡面的径流含沙量低于青蒿坡面（P〈0.05）。对比草本植物结构对坡面土壤分离的影响,植物根系对坡面的减沙贡献率均高于其冠层（P〈0.05）,其中,青蒿草冠对于坡面降雨的阻滞作用高于狗尾草草冠（P〈0.05）,而狗尾草根系的减沙效益高于青蒿根系（P〈0.05）,这主要与草本植物叶面积指数（LAI）及根系形态分布有关,不同植物的根长密度与土壤分离率呈指数函数关系。坡面土壤分离过程受到侵蚀阻力的影响,在草本植物覆盖坡面,随着植物覆盖度的增加,颗粒阻力和波阻力均呈增大趋势。降雨侵蚀力和径流剪切力是坡面土壤分离的主要侵蚀动力,不同试验条件下草本植物对降雨和径流侵蚀力的降低值为189.21~698.92 J·mm/（m2·min）和6.27~20.38 kg/（m·s2）,减弱系数分别为22.75%~84.04%和19.68%~63.97%。

雨滴击溅与薄层水流混合侵蚀的输沙机理

【目的】针对雨滴击溅与薄层水流混合侵蚀过程输沙机理研究中存在的问题,研究雨滴击溅对坡面径流输沙的影响。【方法】采用室内人工模拟降雨试验,以土娄土、黄绵土和黑垆土为供试土壤,在不同雨滴直径（直径2.22,2.68和3.04mm）、不同坡度（0°,2°和4°）和薄层水流厚度（0,2,4和6mm）条件下,分析单雨滴击溅时,泥沙溅蚀量与水层厚度的关系;多雨滴击溅时,泥沙溅蚀量与薄层水流厚度的关系,分别对二者关系进行拟合;同时,对于多雨滴击溅时,不同薄层水流厚度下黄绵土泥沙溅蚀量和雨滴动能的关系进行了分析。【结果】单雨滴击溅时,泥沙溅蚀量随水层厚度的增加而减少,且雨滴直径越大其扰动水层厚度越大,当雨滴直径由2.22mm增加到3.04mm时,平均扰动水层厚度由10mm增加到14.67mm。多雨滴击溅时,在相同的坡度（0°～4°）,不同土壤和雨滴直径下,随薄层水流厚度的增加,泥沙溅蚀量呈先升后降趋势;当薄层水流厚度相同时,随雨滴直径的增加,泥沙溅蚀量呈增大趋势。当雨滴动能不变时,泥沙溅蚀量随着薄层水流厚度的增加而增大;当薄层水流厚度一定时,泥沙溅蚀量随雨滴动能的增加而增大。【结论】建立了单雨滴击溅和多雨滴击溅条件下扰动水层厚度关与泥沙溅蚀量的关系式。

基于模拟降雨的北京褐土坡地土壤团粒流失特征试验

选取20°北京典型褐土坡面径流小区为试验对象,基于野外人工模拟降雨试验和有无雨滴打击作用对坡面侵蚀的影响,研究了坡面土壤团粒组成及其变化特征,揭示了坡面侵蚀过程中泥沙团粒的分离和输移规律。试验处理包括3种代表性降雨强度（35、65、100 mm/h）和3种植被盖度（0%、30%、80%）。结果表明,消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀特征变化明显,坡面含沙量和土壤分离率分别减少25.91%~31.15%和35.10%~41.20%,坡面侵蚀泥沙团粒中值粒径均小于雨滴击溅坡面。通过侵蚀泥沙有效粒径分布和最终粒径分布的比值（E/U）分析泥沙团粒的粒径分选特征,发现产流初始阶段粗砂、细砂、细粉粒和粘粒多以团聚体形式存在,而粗粉砂以初级粒子形式存在;随着降雨历时延长,侵蚀泥沙各粒级的分离程度增加,泥沙颗粒逐步分解为初级粒子。坡面侵蚀泥沙分离规律表明,泥沙团粒结构变化与坡面水动力学特征密切相关,土壤团聚体分形维数（D）与时间（T）呈幂函数关系。坡面产流前雨滴击溅对土壤分离有重要作用,其对土壤分离贡献率为28.09%,而无雨滴打击坡面土壤团聚体分形维数增量是有雨滴打击增量的48.43%。在该区坡地泥沙颗粒输移过程中,稳定性较差的砂粒被分解为细小颗粒,粗粉砂多以初级粒子形式存在,对坡面侵蚀泥沙颗粒分离过程具有重要影响,而粘粒在侵蚀坡面则逐渐富集。

降雨特性和土壤结构对溅蚀的影响

选用黄土高原地区的安塞黄绵土、绥德黄绵土、杨陵粘黄土、杨陵农地耕层土进行人工降雨溅蚀试验 ,研究了降雨特性和土壤结构对雨滴溅蚀的影响。结果表明 :土壤溅蚀量与降雨强度相关关系的最佳函数为指数函数 ;将降雨动能与雨滴中数直径的乘积 ( Ed50 )定义为降雨溅蚀力 ,降雨溅蚀力与溅蚀量呈线性相关关系。降雨溅蚀力是降雨潜在溅蚀能力的反映 ,对溅蚀降雨侵蚀力因子的研究有一定参考价值 ;溅蚀总量随降雨历时的增加而增加 ,而溅蚀率则随降雨历时的增加而减小 ,其变化过程可用幂函数描述 ;原状土的溅蚀量仅为其扰动土溅蚀量的2 2 %～ 3 0 % ,随降雨强度增大 ,雨滴打击力对土壤结构的破坏作用增强 ,使原状土与扰动土溅蚀量间的差异缩小。

雨滴击溅在薄层水流侵蚀中的作用

试验采用人工模拟降雨方法,对薄层水流侵蚀的两个阶段——雨滴击溅及径流侵蚀进行了模拟试验研究。得出:在消除雨滴打击作用后,坡面侵蚀的主要营力为薄层水流的拖拽力(τ=rhsinα),且径流侵蚀量S_R与τ有下列关系式: S_R=921.497τ^(1.713) r=0.876 α=0.017 以上式为基础,即可从有雨滴打击作用下所产生的侵蚀量中推算出径流侵蚀量S_R与雨滴侵蚀量S_(Rd)。结果表明:S_(Rd)一般占总侵蚀量的70%以上,最高可达95%,说明薄层水流侵蚀所产生的泥沙绝大部分是由雨滴击溅所致。因此,笔者认为坡度较小地段的薄层水流侵蚀,应以消除或降低雨滴击溅作用为其主要防治措施。

地表坡度对雨滴溅蚀的影响

采用人工模拟降雨的试验方法,分别研究了地表坡度对向上坡,侧坡及下坡溅蚀量的影响。结果表明:向上坡、侧坡溅蚀量与地表坡度的关系大致为抛物线型,临界坡度在10°～15°与20°～25°之间,但当i=2.037mm/min时,向侧坡溅蚀量与地表坡度为幂函数关系,临界坡度消失。向下坡溅蚀量与地表坡度成线性递增关系,其递增速率随雨强的增加而增大。最后给出了雨滴溅蚀总量与EI及地表坡度S的复因子关系式。ST=5.985(EI)^(0.544)S^(0.471)式中:ST=——单位面积上的溅蚀总量(g);E——雨滴动能(J/m^2);I——降雨强度(mm/min);S——地表坡度(°)

黄土坡面薄层水流侵蚀试验研究

采取人工模拟降雨试验方法，对黄土坡面薄层水流侵蚀进行了系统研究。结果表明，薄层水流仍属层流范畴，定义为搅动层流（ａｇｉｔａｔｅｄｌａｍｉａｒｆｌｏｗ），以区别于明渠水流中的层流；其流动型态为超临界流。薄层水流侵蚀搬运方式以推移运动来完成，所产生的泥沙是接触质。雨滴击溅侵蚀是薄层水流侵蚀物质的主要来源，可占总侵蚀量的７０％以上，最高可达９５％。此外雨滴击溅还可降低薄层水流的水力摩阻系数，减少水流的摩擦阻力，从而增加薄层水流的冲刷力，据实验结果，该平均值可达６６．１４％。

地表压实对雨滴溅蚀量的影响

雨滴击溅是坡面水力侵蚀的主要动力之一,溅蚀量多少直接受制于地表土壤状况。通过雨滴击溅实验,分析了雨滴直径、土壤密实度等对土壤溅蚀量的影响。结果表明:土壤密实度与土壤溅蚀量呈负相关,雨滴直径与土壤溅蚀量呈正相关;溅蚀量随着距溅蚀杯的距离的增大而减小,呈指数函数分布;溅蚀量受雨滴直径和土壤密实度的影响,其关系可用Ms=0.029d3.764.5ρ.128来描述。

雨滴击溅对薄层水流水力摩阻系数的影响

采用模拟降雨的试验方法，在分析计算有无雨滴击溅作用坡面薄层水流水力摩阻系数的基础上，进一步分析了雨滴击溅作用对薄层水流水力摩阻系数的影响。结果表明，雨滴击溅作用可减少薄层水流的水力摩阻系数，从而减少水流摩擦阻力，使水流侵蚀力相对增大；有雨滴击溅作用时其水力摩阻系数平均为无雨滴击溅时的６６．１４％。这说明雨滴的击溅除了本身的分散和破坏土壤结构等侵蚀作用外，还可降低水流的水力摩阻系数，从而增加径流的冲刷力。

地表水层厚度对雨滴击溅侵蚀的影响

通过人工雨滴击溅实验,分析了水层厚度、雨滴动能等在相互作用条件下对土壤侵蚀的影响。结果表明,水层厚度越深雨滴动能消耗于水层波动的能量就越多,从而用于击溅土壤的能量就越少;单雨滴溅蚀量随雨滴动能的增大而逐渐增加,动能越大,溅蚀量增加的趋势越明显;水层厚度和雨滴动能一定时,溅蚀量随着距离分布递减。

雨滴对击溅侵蚀的影响研究

采用雨滴发生器产生雨滴,选用5种直径的雨滴在4种降落高度下,分别对5种含水量的壤土进行雨滴击溅实验,每组实验设定2个重复,分析雨滴直径以及雨滴动能对溅蚀量的影响,同时分析溅蚀量的粒径分选特征。结果表明:(1)当雨滴动能小于0.067 4×10-3 J时,雨滴不能产生击溅侵蚀。在一定的雨滴直径范围内,小雨滴产生的溅蚀量较多,即小雨滴易于造成击溅侵蚀。溅蚀量随着雨滴动能的增加呈线性增长。(2)对于同种类型的土壤,溅蚀量随着前期含水量的增加而增大,存在着使土壤溅蚀量达到最大的前期含水量。土壤前期含水量与土壤抗蚀性呈负相关关系。(3)溅蚀土粒的粒径≤2mm时,其中细砂粒和粘粒含量与原土较为接近,粉粒含量远低于原状土壤,而粗粉粒含量远高于原状土壤。随着雨滴动能的增大,溅蚀土粒的分选规律变得明显,小粒径(<0.05mm)土粒的溅蚀量随着雨滴动能的增大而减小,大粒径(>0.2mm)土粒的溅蚀量随着雨滴动能的增大而增加。

单雨滴击溅规律及其对溅蚀土粒的分选作用

首先论述了击溅的物理基础 ,然后通过不同直径雨滴对黄 土善土的击溅实验 ,研究了不同雨滴动能、坡度、土壤含水量、土壤颗粒粒径对土壤起溅时间及溅蚀量的影响 ,并进一步探讨了单雨滴击溅对溅蚀土粒的分选规律。

降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀的影响

溅蚀特征研究可揭示溅蚀发生机理,而现有研究大多用溅蚀量来表征溅蚀特征,不能全面准确地反应溅蚀作用过程。为此,基于改进的试验土槽进行室内模拟降雨试验,研究降雨能量对坡面不同方向溅蚀量及溅蚀过程的影响。试验设计包括2种降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)和10个降雨能量,其中10个降雨能量是通过2种降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)和5个雨滴降落高度(3.5,5.5,7.5,9.5、11.5 m)来实现的。结果表明:在相同降雨强度下,坡面总溅蚀分量均随降雨能量的增加而增大。次降雨坡面溅蚀量均为向下坡最大,其次为侧坡溅蚀量,而向上坡溅蚀量最小。当降雨强度由50mm/h增加至100mm/h时,坡面向上坡溅蚀量增加2.3—5.0倍,向下坡溅蚀量增加1.7—5.1倍,侧坡溅蚀量增加1.9—4.3倍,总溅蚀量增加1.9—4.5倍,净溅蚀量增加1.2—6.4倍。对于不同降雨能量处理,坡面溅蚀率均表现为坡面产流前随降雨历时的增加而递增,产流后迅速达到峰值,之后逐渐减小并趋于稳定。定量分析了各溅蚀分量、总溅蚀量、净溅蚀量与降雨能量的关系,提出了溅蚀发生的降雨能量阈值,发现雨滴溅蚀发生的临界能量为3—6 J m^(-2)mm^(-1),且向上坡溅蚀量,向下坡溅蚀量,净溅蚀量和总溅蚀量皆与降雨能量呈幂函数关系,而侧坡溅蚀量与降雨能量呈二次多项式关系。

雨滴溅蚀模型研究

利用实验数据对影响雨滴溅蚀的5个主要因子,即降雨、土壤特性、坡度、坡面流水深和植被覆被,进行了单因子分析.结果表明,坡度对雨滴溅蚀的影响先随坡降的增加而递增,当坡度超过约26°的临界值后开始减小;雨滴溅蚀随水深与雨滴直径比值h/d的增加先增大,当h/d=1时达到最大值,之后开始减小;植被覆被屏蔽系数公式中的经验参数c值可以取为0.01.通过数据分析,提出了新的坡度因子、坡面流水深屏蔽系数计算公式,从而建立了一个新的雨滴溅蚀模型.与现有模型相比,新模型全面考虑了5个主要因子的影响,经过与实验数据的对比,模拟效果良好.