The characteristics of rill development and their effects on runoff and sediment yield under different slope gradients

Rill formation is the predominant erosion process in slope land in the Loess Plateau, China. This study was conducted to investigate rill erosion characteristics and their effects on runoff and sediment yielding processes under different slope gradients at a rate of 10°, 15°, 20° and 25° with rainfall intensity of 1.5 mm min-1 in a laboratory setting. Results revealed that mean rill depth and rill density has a positive interrelation to the slope gradient. To the contrary, width-depth ratio and distance of the longest rill to the top of the slope negatively related to slope gradient. All these suggested that increasing slope steepness could enhance rill headward erosion, vertical erosion and the fragmentation of the slope surface. Furthermore,total erosion tended to approach a stable maximum value with increasing slope, which implied that there is probably a threshold slope gradient where soil erosion begins to weaken. At the same time, the correlation analysis showed that there was a close connection between slope gradient and the variousindices of soil erosion: the correlation coefficients of slope gradient with maximal rill depth, number of rills and the distance of the longest rill from the top of the slope were 0.98, 0.97 and-0.98, respectively,indicating that slope gradient is the major factor of affecting the development of rills. Furthermore,runoff was not sensitive to slope gradient and rill formation in this study. Sediment concentration,however, is positively related to slope gradient and rill formation, the sediment concentrations increased rapidly after rill initiation, especially. These results may be essential for soil loss prediction.

基于三维激光扫描技术的冻结黑土细沟发育模拟

为探究融雪径流与冻结状态对黑土细沟网络发育的影响,该研究开展了冻结与非冻结处理黑土坡面的融雪径流模拟冲刷试验,利用三维激光扫描技术获取多次定时径流冲刷并直至侵蚀形态稳定的坡面点云,结合数字表面模型差异(digital surface model of difference,DoD)微地形变化监测方法与点云逆向工程,获取细沟网络发育过程的侵蚀面积、侵蚀体积、细沟长度和细沟密度等侵蚀参数。结果表明,冻结因素与温度变化对细沟网络发育过程与程度有重要影响:1)冻结处理的黑土坡面更容易发展出细沟网络,达到坡面侵蚀形态基本稳定后的侵蚀面积、侵蚀体积以及侵蚀细沟长度是非冻结处理黑土坡面的291%、557%和437%。2)冻结处理与非冻结处理沿坡面细沟截面形态变化差异明显。冻结坡面细沟交叉时宽深比RW/D快速减小,下切速度加快,随后宽度与深度呈比例稳定增加;非冻结坡面汇水处的R_(W/D)随冲刷次数增加而增大,侧蚀速度加快,其他截面R_(W/D)随着冲刷次数的增加而减小,下切速度加快。3)采用ArcGIS与点云逆向工程模型联合获取的冻结状态下细沟形态参数与发育过程DoD相对误差范围为-12.70%~4.42%,提取精度在95%以上。该联合方法在冻结土体条件下获取细沟参数具有较高精度,可作为土壤侵蚀参数高精度提取的一种手段。

黄土坡面细沟径流输沙对水动力学参数的响应

细沟径流输沙是细沟侵蚀产沙的重要过程,阐明细沟径流输沙与水动力学参数之间的关系可以有效地揭示细沟径流输沙的动力学机制,并为建立细沟侵蚀过程物理模型奠定基础。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,研究黄土坡面细沟径流输沙对水动力学参数的响应关系。结果表明:1)一次降雨径流产生的细沟输沙模数对水动力学参数平均值响应关系大小顺序为平均水流断面单位能量(R=0.99)>平均水流功率(R=0.88)>平均水流切应力(R=0.82)>平均单位水流功率(R=0.76);2)降雨径流过程中,细沟输沙率对水动力学参数瞬时值响应关系为水流切应力(R=0.88)>水流功率(R=0.47),水流断面单位能量和单位水流功率的相关性较差,细沟输沙率对水流切应力的响应关系呈幂函数方程关系。

黄土坡面细沟与细沟间水流水动力学特性研究

采用室内人工模拟降雨试验，使用5m长的移动式可调坡钢制土槽，通过2个降雨强度（1．5和2mm／min）和4个坡度（10°、15°、20°、25°），对黄土坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面径流水动力学参数特征进行了研究。结果表明：（1）细沟内水流的平均流速一般大于同水平面上细沟间水流平均流速，二者变化规律不同，细沟内水流流速的变化与细沟形态变化有关，当测速坡段内有跌坎时，测得流速就会减小；（2）雷诺数和弗汝德数的变化都与对应的水流平均速度变化规律相同，与坡度的不同所表现出的变化规律并不明显；细沟内水流Re和n的值比细沟间水流一般要大；（3）Darey·weisbaeh阻力系数（，）和曼宁阻力系数（n）受坡度的影响比较显著，二者呈较好的线性关系；径流阻力系数（，）与雷诺数（Re）之间并无显著关系，而与弗汝德数（n）之间的关系显著；细沟内水流阻力系数一般小于细沟间水流阻力系数，特别是在坡度较大的情况差异更为显著；（4）水流功率和水流剪切力都随坡度的增大而呈先增后减的趋势，临界坡度在20°-25°之间；同一坡度下细沟流与细沟间水流之间关于平均径流剪切力和水流功率的差异并无显著规律。

降雨强度、坡度及坡长对细沟侵蚀的交互效应分析

为了对细沟侵蚀影像因素的交互效应分析方法进行探索,通过2个降雨强度(1.5和2 mm/min)、4个坡度(10°、15°、20°、25°)和2个模拟坡长(5、10 m)进行室内模拟降雨试验,采用回归分析的方法来探讨降雨强度、坡度及坡长对坡面产流、产沙及水流速度是否存在交互效应。结果显示:1)以单宽产流速率作为试验中坡面产流的表征指标,对其有显著影响的是降雨强度、坡度的主效应,以及坡长坡度的交互效应;2)含沙量是由降雨强度及坡度共同作用的结果;3)细沟间片流流速主要受降雨强度、坡度、距坡顶距离主效应的促进影响,无交互效应存在,而细沟间水流的变化中不仅有3因素的正向主效应影响,而且坡度与距离的交互效应也对其影响显著,但此交互效应表现为负。

黄土坡面细沟发育过程中含沙量与水动力学参数的关系

采用室内人工模拟降雨试验,在不同降雨强度、坡度和坡长的条件下,对黄土坡面细沟侵蚀过程中坡面径流含沙量及其与水动力学参数之间的关系进行研究。结果表明:(1)5m坡长径流含沙量基本上一直处于缓慢增大的趋势,而10m坡长含沙量在断流前不再增加,有的还呈缓慢减小的趋势;含沙量与坡度和雨强之间均存在极显著相关关系,与坡长之间相关性不显著;(2)含沙量变化规律与细沟形成及发育有明显的同步关系,根据含沙量随时间的变化趋势并结合相应坡面细沟侵蚀过程的观测,可将坡面侵蚀发育过程分为面蚀阶段、细沟形成阶段、细沟快速发育阶段和细沟平稳发育阶段4个阶段;(3)坡面流速和细沟流速分别与含沙量进行相关分析,结果显示坡面流速与含沙量相关性更显著;(4)含沙量与水流剪切力和水流功率之间存在显著相关关系,与单位水流功率之间存在极显著相关关系,说明在试验坡面流水力学参数中,单位水流功率与径流含沙量之间的相关性最为显著。

黄土坡面细沟水流含沙量变化过程试验研究

细沟侵蚀是我国黄土坡面主要侵蚀过程之一,阐明细沟水流含沙量变化过程对于揭示坡面细沟侵蚀产沙过程机理及治理坡面水土流失具有重要意义。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,对黄土坡面细沟水流含沙量变化过程进行研究。结果表明:(1)在不同雨强及不同坡度下,细沟水流含沙量随径流过程的变化具有很大的相似性,都随径流历时增长而逐步递增,可用幂函数方程很好地描述;(2)细沟水流平均含沙量随雨强及坡度的增大都相应增大,分别可用线性方程和指数很好地描述;(3)雨强及坡度对细沟水流含沙量的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述,其中雨强对坡面细沟水流含沙量的影响大于坡度的影响;(4)水流切应力是细沟水流含沙量变化过程关系最密切的水动力学参数,试验条件下细沟水流含沙量变化过程的发生发展根源于水流剪切力的动力作用过程。

黄土坡面细沟径流输沙过程试验研究

细沟侵蚀是黄土地区坡面最主要的侵蚀方式之一,输沙过程是细沟侵蚀中的重要环节,阐明细沟输沙过程对理解细沟侵蚀发生发展过程机理及治理坡面水土流失具有重要意义。该文采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,对黄土坡面细沟径流输沙过程进行研究,结果表明:(1)不同降雨强度及不同坡度下,细沟径流输沙率随径流过程的变化具有极大的相似性,都随径流历时的增加而逐步递增,可用幂函数方程很好地描述;(2)细沟径流输沙模数随降雨强度及坡度的增大皆相应增加,可分别用幂函数方程及指数方程很好地描述;(3)雨强及坡度的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述,其中,二者的影响基本相当;(4)水流切应力是与细沟输沙动力学过程关系最密切的水动力学参数,细沟输沙动力学过程的发生发展根源于细沟水流剪切力的动力作用。

不同土壤坡面细沟侵蚀差异与其影响因素

采用室内纯净水人工模拟降雨试验,在坡度为10°、15°、20°、25°坡面,土槽为5 m、10 m两种规格,对两种土壤((土娄)土与黄绵土)分别进行雨强为1.5 mm min-1,的降雨实验,利用三维激光扫描仪对每一场降雨后的坡面进行监测,分析不同坡度对细沟侵蚀的影响,比较两种土壤坡面细沟侵蚀的差异,以及其差异的影响因子。结果表明:(土娄)土土壤颗粒以粉粒与黏粒为主,粉粒占总质量的64.12%,黏粒为28.42%。黄绵土的土壤颗粒以粉粒为主占总质量的67.95%,黏粒与沙粒含量较少,黏粒占14.52%,沙粒占17.53%。在相同条件下,(土娄)土降雨过程中入渗缓慢,产流时间、坡面流速均快于黄绵土,跌坎出现时间也较早,使其更容易产生细沟。(土娄)土的径流量高于黄绵土,在降雨过程中,径流稳定时间较早。(土娄)土侵蚀量高于黄绵土,(土娄)土产沙率呈增加趋势,黄绵土含沙量变化不明显。从坡面细沟发育来看,(土娄)土坡面细沟成平行状分布,黄绵土细沟为较宽树枝状。

黄土坡面细沟水流输沙能力变化特征

水流输沙能力是土壤侵蚀过程极其重要的参数之一,精确计算细沟水流输沙能力可以有效揭示细沟侵蚀过程机理,为建立坡面细沟侵蚀过程模型奠定重要基础。采用细沟水槽试验方法对黄土坡面细沟水流输沙能力变化特征进行研究。结果表明:不同坡度下,细沟水流输沙能力随流量增加而平缓增大,可用幂函数方程很好地描述;不同流量下,细沟水流输沙能力随坡度的增加而增大,可以用指数方程很好地描述;细沟水流输沙能力随流量及坡度变化的因子模型为二元幂函数方程,其中流量对细沟水流输沙能力的影响大于坡度的影响;ANSWERS模型中的输沙能力方程不能用于计算黄土陡坡细沟水流输沙能力。

黄土坡面细沟径流过程试验

采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验方法,对同坡度不同降雨强度及同降雨强度不同坡度条件下的黄土坡面细沟径流过程进行模拟试验研究,结果表明:1)不同降雨强度下,细沟径流率随径流过程的变化在3个大降雨强度下为先逐步增大随后转为稳定的变化过程,2个小降雨强度下变化较平缓,稍有后期大于前期的趋势,皆可用幂函数方程描述;2)不同坡度下,细沟径流率随径流过程的变化表现为随径流历时的增长而递增,15m in以后接近于稳定,变化过程一致,可用幂函数方程很好地描述;3)不同坡度下细沟径流率随径流过程的变化与不同降雨强度下总体上具有相似性,都随径流历时增长呈先增大后趋于稳定或稍有后期大于前期的变化趋势,但细沟径流率随径流过程的增加速率在不同坡度下比不同降雨强度下大;4)同坡度下,细沟径流深随降雨强度增大而增大,可用对数方程很好地描述;同降雨强度下,细沟径流深随坡度增大相应增加,可用对数方程很好地描述;细沟径流深随降雨强度及坡度的变化可用二元对数方程很好地描述。

利用REE示踪法分析坡面放水冲刷的侵蚀过程

为确定放水条件下坡面侵蚀规律,采用3个坡度(15°,18°,21°)和3个流量(3.5,4.5,5.5L·min-1)交叉组合进行室内冲刷试验,并利用REE示踪法系统分析细沟发生和发展过程。结果表明:坡面上部细沟侵蚀最为剧烈,到试验结束时,坡面上部、中部和下部的沟蚀深度分别在20cm、10cm和5cm的范围内;上部和中部各层稀土元素示踪区的侵蚀率在试验过程中的变化曲线呈现单峰型或多峰型。流量对各元素示踪区侵蚀率的影响比坡度更为显著,是影响细沟侵蚀量的主要因素。水流流量不变时,在试验初始3min内,坡度对坡面下部的侵蚀影响相对较大。

横坡垄作下雨型对褐土坡面细沟侵蚀过程的影响

雨型对细沟侵蚀过程起关键作用,而横垄坡面具有独特的细沟侵蚀特征。为定量研究雨型对横垄坡面细沟侵蚀过程的影响,以褐土横垄坡面为研究对象,设计了降雨动能、降雨量和平均雨强相同的4种雨型,采用可同时调节垄向和坡面坡度的土槽进行模拟降雨,分析了各雨型下细沟发育形态、产流产沙特征和细沟水流的水动力特性等。结果表明:雨型间细沟沟头溯源、沟壁崩塌和沟底下切侵蚀速率的不同导致细沟形态具有明显差异,增加-减弱型、减弱-增加型和减弱型的沟宽和沟深较增加型分别增加158.8%和38.9%,115.7%和-27.8%,21.6%和-33.3%,相应宽深比的增加率分别为14.9%,60.4%,82.6%。雨型间的细沟径流量和侵蚀量均差异显著,径流量为增加-减弱型>减弱-增加型>减弱型>增加型,而侵蚀量为增加-减弱型>减弱型>减弱-增加型>增加型。4种雨型下产沙率与径流率之间均符合幂函数关系,但增加-减弱型、减弱型和减弱-增加型方程中的指数较增加型(0.54)分别增加2.52,2.46,1.46倍。雨型间差异最大的水力学参数为雷诺数,侵蚀动力参数则为水流功率;增加-减弱型、减弱-增加型和减弱型的雷诺数和水流功率较增加型分别显著增加107.0%和106.8%,42.2%和41.9%,16.6%和16.7%。研究结果有助于深入理解横坡垄作对坡面细沟侵蚀过程的作用机制,并为横坡垄作措施的合理利用提供依据。

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。

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。

细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用,采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强(66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h)条件下,不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明,黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大,而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式,坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势;产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系,尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916,细沟的出现会加剧侵蚀,使含沙量明显增加;不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同,细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。

不同坡形坡面侵蚀规律试验研究

采用室内人工模拟降雨方法,研究不同坡形坡面侵蚀规律。结果表明产流量和含沙量、总径流量和侵蚀量大体上是凹形坡大于凸形坡,其次是内聚直坡,直线形坡最小,并且随着雨强和坡度的增大而增大。坡面上部和坡脚侵蚀较弱,坡面侵蚀的剧烈段在坡面中下部,并随雨强和坡度增大而逐渐上移。细沟的宽度和深度随雨强的增大而增大,产生细沟后侵蚀量将迅速增大,最大占总侵蚀量的91%。

2次降雨条件下不同土壤细沟侵蚀分析

不同土壤细沟侵蚀发育对比研究是探讨细沟侵蚀机制的必要内容。通过间隔为24 h的2次人工模拟降雨,在不同降雨强度(1.5,2.0,1.0 mm/min)、不同坡长(5、10 m)的试验条件下,分析坡度为20°时塿土和黄绵土2种土壤细沟侵蚀过程中产流产沙、空间变化的差异。结果表明:1)从坡面产流量来看,2种土壤在2次人工降雨过程中有相似的产流过程,坡长和降雨强度相同时,塿土坡面产流量大于黄绵土;2)从坡面形态看,第1场降雨过程中塿土坡面表面积、细沟侵蚀强度大于黄绵土坡面,但黄绵土坡面一旦发生细沟侵蚀,其体积变化幅度剧烈于塿土坡面;3)塿土在第1场降雨过程中侵蚀速率的变化过程可以反应细沟发育的各个阶段,较大降雨强度使黄绵土发生细沟侵蚀侵蚀,其细沟发育的各个阶段持续时间长于塿土,即黄绵土细沟形态变化缓慢。

野外模拟降雨条件下矿区土质道路径流产沙及细沟发育研究

为研究矿区土质道路径流产沙及细沟形态发育特征,在野外调查的基础上,设计坡度（3°、6°、9°、12°）和雨强（0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min）2个处理,在野外建立不同坡度的道路小区,采用人工模拟降雨的方法,测定了不同处理道路径流产沙参数和细沟形态指标。结果表明：1）各坡度道路径流率为1.12~8.24 L/min,与雨强线性关系极显著,随坡度变化不显著;除0.5 mm/min雨强3°~9°坡及1.0 mm/min雨强3°坡道路径流流态为层流外,其余为紊流,雨强-坡度交互作用（I×S）对流态影响显著;阻力系数只与坡度相关。2）各坡度道路剥蚀率为0.92~324.46 g/（m^2·s）,与雨强、坡度和径流率呈极显著幂函数关系（R^2=0.968,P〈0.01）,道路土壤发生剥蚀的临界剪切力和临界径流功率分别为2.15 N/m^2和0.41 W/（m^2·s）。3）3°道路以片状侵蚀为主,6°~12°道路细沟发育,细沟宽深比、复杂度、割裂度和细沟密度分别为1.80~3.75、1.07~1.55、0.20%~10.33%和0.067~2.01 m/m^2,细沟发育程度是雨强和坡度交互作用（I×S）的结果。4）6°~12°道路细沟侵蚀量占总侵蚀量比例为18.0%~57.16%,总侵蚀量与细沟宽深比、细沟复杂度、细沟割裂度和细沟密度均呈显著的函数关系（R^2=0.35~0.96,P≤0.01）,割裂度是影响土质道路总侵蚀量的最佳细沟形态因子。结果可为矿区土质道路水土保持工程设计及生产安全提供参数支持。

地下水-地表水耦合模拟中下垫面影响初探

本文针对下垫面对地表径流形成与运动的影响进行分析,通过洼地储水量和消减储水量的概念对下垫面的影响进行评价,将下垫面的影响以地表孔隙度的形式表现在地表径流运动方程中,并推导出洼地储水高度和消减储水高度与地表孔隙度和径流深度的关系式,且对参数的获取进行了探讨,最后对大、小凌河扇地的下垫面条件进行了分析与评价。