地表糙度对径流和产沙影响的室内试验研究

该文通过室内人工模拟降雨的方法,分析了连续降雨过程条件下,不同糙度地表的径流量和产沙量的变化。研究结果表明:人工锄耕的地表,延缓径流的作用较为明显,但这一作用仅发生在降雨初期;随着降雨的进行,不同糙度地表的径流变化规律基本一致,先增加,随后趋于稳定的趋势,但径流总量没有明显变化。同样,人工锄耕的地表,延缓地表的产沙作用强于糙度小的地表,产沙率15°坡面要高于5°坡面,随着降雨的进行,在雨强1.0mm/min条件下,这一变化更为明显,最终产沙总量变化不大。地表糙度对侵蚀的影响,不仅与降雨持续时间相关,同时与坡度密切相关,并初步证实黄土区地表糙度对侵蚀的影响存在着一定的临界条件。这为揭示地表糙度的本质特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地水土流失的治理和退耕还林(草)工程的实施。

地表糙度与径流水力学参数响应规律模拟

为了明确地表糙度与坡面径流特征及其水力学参数之间的相互作用,通过模拟人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和对照组直型坡等4种不同糙度的地表,在室内模拟降雨条件下,对不同糙度坡面上的径流特征和水力学参数(雷诺数、弗劳德数、阻力系数和水流剪切力)以及降雨前后地表糙度的变化进行了测量与计算。结果表明,雨前雨后各措施坡面的地表糙度为:等高耕作>人工掏挖>人工锄耕>直型坡。相同雨强和降雨历时下,不同糙度坡面其径流特征差异显著。初始地表糙度越大的坡面,径流越容易稳定在层流状态;反之,径流越倾向于往紊流发展。对人工锄耕、人工掏挖、等高耕作3种耕作措施来说,在相同雨强和降雨历时下,初始糙度越大的坡面,其断面流量、径流量和产沙量越小。坡面初始地表糙度越大,径流阻力系数也越大,但坡面径流的雷诺数、弗劳德数和径流剪切力则越小,径流对地表糙度具有减小作用,雷诺数和水流剪切力越大,径流对地表糙度的减小作用越弱。研究结果为深入理解坡面地表糙度与其水文特征之间的相互作用提供参考。

降雨条件下耕作方式对地表糙度的溅蚀效应

地表糙度是影响坡耕地土壤侵蚀的主要因素之一,为了进一步明确耕作方式对地表糙度的侵蚀效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就单雨强与组合雨强条件下耕作方式对溅蚀的作用以及地表糙度的变化进行了研究。结果表明,从对照坡面,经耙耱地、人工锄耕、人工掏挖到等高耕作方式的坡面,在雨强0.62mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡溅蚀量呈先增加再减小的变化,向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;除耙耱地外,其他耕作方式坡面的地表糙度呈减小的变化。在雨强1.53mm/min条件下,不同耕作方式坡面向上坡、向下坡和总溅蚀量均呈先增加再减小最后增加的变化;地表糙度与对照坡面相反,均呈增加的变化。组合雨强条件下,随降雨强度的增加,耙耱地总溅蚀量与地表糙度呈一直增加的变化趋势;其他耕作方式下,随降雨强度的增加,坡面总溅蚀量呈先增加后减小的变化趋势,地表糙度却呈先减小后增大的变化。这为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地的水土流失治理。

黄土坡耕地地表糙度的空间异质性研究

【目的】探讨微尺度下(2 cm×2 cm)地表糙度在侵蚀过程中的空间异质性规律,为进一步理解和定量化描述地表糙度与土壤侵蚀的相互耦合关系奠定基础,并为黄土高原坡耕地水土流失的治理提供一定的理论依据。【方法】以黄土高原不同耕作措施条件下(4种常见的农业耕作措施:人工锄耕、人工掏挖、等高耕作、直线坡(对照)的坡耕地为研究对象,通过室内人工模拟降雨实验,利用激光扫描仪获取地表糙度数据,运用地统计学和分形维数方法对地表糙度的空间分布特征及变异性进行研究。【结果】基本统计特征分析表明,黄土坡耕地地表糙度在整体上的分布较均匀,具有较弱的空间变异特征。半方差函数分析表明,黄土坡耕地地表糙度均表现出中等以上的空间自相关性,其空间自相关尺度范围为2.02—3.82 m。由空间结构特征引起的异质性占总异质性的比例较大。分形维数分析表明,黄土坡耕地地表糙度具有良好的分形性质,其分形维数介于1.59和1.91之间;随坡度的增大,各坡面地表糙度的空间分布趋向复杂,空间异质性增强;人工锄耕、人工掏挖、等高耕作坡面的空间异质性在小尺度范围内依次增强,具有良好的水土保持作用。【结论】造成地表糙度空间异质性差异的主要原因是由人为耕作和坡度所形成的空间结构特征。地表糙度的空间配置格局在小尺度范围上由人为耕作和坡度、在大尺度范围上由降雨及其侵蚀过程所控制。该研究结果可为进一步理解地表糙度与侵蚀的相互耦合关系奠定基础,并为黄土坡耕地的水土流失防治提供一定的科学依据。

地表糙度的量测方法及对坡面径流和侵蚀的影响

通过室内试验及野外量测，提出了野外实用可靠的地表糙度量测方法，通过室内对不同糙度下地表径流及侵蚀过程的观测，研究了糙度对坡面径流的水流形态、流速、径流量及侵蚀量的影响规律，从而得出，糙度对侵蚀过程的影响较大，尤以对径流量及侵蚀量影响为甚，是土壤侵蚀预报中一个不容忽视的因子，将其引入有利于提高预报精度。

玉米季坡耕地地表糙度的变化特征及其对土壤侵蚀的影响

通过野外模拟降雨试验,研究玉米种植下紫色土坡耕地地表糙度的变化特征,并分析地表糙度对产流产沙的影响。结果表明:随生育时期的推进,地表糙度逐渐衰退,在抽雄期时达到最小,地表糙度平均变幅大小为横坡垄作>顺坡垄作>平作,苗期时变化幅度最小,拔节期或抽雄期时最大;玉米长势越好地表产流时间越晚,各生育时期地表产流时间均为顺坡垄作最早,横坡垄作最晚;全生育期内地表径流量呈现先降低后增高的变化趋势,除苗期外横坡垄作产流量均低于平作,总体而言地表糙度对地表径流的影响未达到显著水平;苗期时土壤侵蚀量随地表糙度的增大呈指数递减,而其余3个生长时期均是随地表糙度的增大土壤侵蚀量呈指数或者幂函数递增。

模拟降雨条件下坡度与地表糙度对径流产沙的影响

通过室内模拟降雨试验,研究坡度与地表糙度对土壤侵蚀的影响。根据研究区坡耕地特点,试验共设计5个坡度,分别为9°,12°,15°,20°,25°,设计雨强为1.0mm/min,降雨历时为60min。结果表明:(1)5个坡度下坡面径流总量表现为先增大后减少,在20°与25°坡面表现出显著性差异,地表糙度变异率降幅为12°>9°>25°>15°>20°;(2)次降雨产流量与坡度、糙度变异变率呈显著指数函数关系;(3)5个坡度其坡面产沙量表现为先增大后减少,产沙量在坡面梯度为3°的坡面之间以及20°与25°坡面间存在显著性差异,说明坡度对产沙量有显著影响;(4)次降雨产沙量与坡度、糙度变异变率呈极显著线性关系;(5)次降雨量、产沙量与坡度、糙度变异变率的回归关系均优于分别与坡度、糙度变异变率的回归关系。研究成果为揭示水蚀过程中坡度与地表糙度对侵蚀的作用机理提供了参考。

基于DEM的黄土坡耕地地表糙度测定方法研究

提出了一种基于DEM的测定地表糙度的方法,并对其测算的地表糙度与链条法测定值进行了比较。结果表明:该方法测定的地表糙度具有离散度小、可操作性强、效率高等特点,而且对地表结构不会造成破坏;在高精度DEM的支撑下,测定的地表糙度更能反映地表实际状况。该研究为进一步研究地表糙度与土壤侵蚀的关系奠定了基础。

模拟条件下不同耕作措施和雨强对地表糙度的影响

[目的]研究不同耕作措施和降雨强度下地表高程和糙度的空间分布特征以及降雨前后二者的变化,以探讨不同耕作措施和降雨强度对坡耕地地表糙度的影响。[方法]人工降雨条件下,模拟人工锄耕、人工掏挖、等高耕作3种耕作措施和对照组直型坡,测量、计算并分析了各坡面高程信息和地表糙度的空间分布特征以及降雨前后二者的变化。[结果]降雨前坡面的高程空间分布在不同耕作措施之间具有显著性差异。直型坡高程的统计方差最小,高程分布最集中;与直型坡相比,等高耕作坡面高程的统计方差最大,高程分布最离散;其次是人工掏挖和人工锄耕坡面。雨前地表糙度大小为等高耕作>人工掏挖>人工锄耕>直型坡。降雨能显著改变地表糙度值的大小,并呈现同一耕作措施随雨强增大地表糙度值改变越多的规律。降雨后等高耕作、人工掏挖和人工锄耕这3种措施的地表糙度均呈减小趋势,同一雨强下,等高耕作糙度减小最多,人工掏挖次之,人工锄耕糙度减小最少。直型坡的地表糙度在雨后却有所增加,在60、90和120 mm·h-1雨强下,直型坡雨后糙度分别增加了10.9%、22.5%和36.5%。雨后各措施地表糙度值均改变,但仍为等高耕作>人工掏挖>人工锄耕>直型坡。[结论]耕作措施是形成坡耕地地表糙度的主要原因,不同的耕作方式造成地表起伏状态的差异,使不同耕作措施下的地表糙度具有空间异质性。降雨作用会减小各耕作坡面的地表糙度,增加对照组的地表糙度,且随降雨强度增大,地表糙度变化越剧烈。耕作措施造成的地表初始糙度越大,降雨对糙度的减小作用越显著。但人工锄耕、人工掏挖和等高耕作3种耕作措施对地表糙度的影响大于降雨对地表糙度的影响。

坡耕地地表糙度对降水分配的实验研究

地表糙度指地表微小的高低起伏变化,是人为土地管理与土壤侵蚀共同作用的结果,可以影响降雨过程中水分转化与土壤侵蚀过程。该文以直线坡为对照,借助3种常见耕作管理措施(人工锄耕、人工掏挖与等高耕作)产生不同水平的地表糙度,结合人工模拟降雨试验研究地表糙度水分转化效应。结果表明:长历时人工降雨条件下,地表糙度可以强化降雨向土壤水分转化。其强化入渗作用表现为:增加地表填洼量,增大入渗水头与入渗深度,滞后产流时间,削减径流量,进而提高入渗率及水分转化率。坡耕地地表糙度与填洼量成指数关系,与平均入渗率及水分转化率成对数关系。

降雨过程对地表糙度的影响

通过野外模拟降雨试验,研究降雨过程中,不同坡度、雨强以及不同地表覆盖度下地表糙度的变化情况。利用测点法测量每次降雨前后的地表糙度值,确定坡度、雨强以及地表覆盖度变化对地表糙度的影响。结果表明,相同雨强下,地表裸露、土壤一定时,坡度越大,地表糙度变化越大;同一地表,土壤一定且坡度相同的情况下,雨强越大,地表糙度变化越大;在同一坡面,雨强一定的条件下,植被覆盖度越小,地表糙度变化越大。研究结果为地表糙度影响因子的研究和揭示地表糙度的本质特征提供了一定的理论依据,同时也可服务于黄土高原坡耕地水土流失的治理和退耕还林(草)工程的实施。

人工降雨条件下坡耕地地表糙度的时空变异分布研究

水蚀过程中地表糙度变化研究,特别是微地表条件下水蚀过程中地表糙度的分布及变化特征的研究是土壤侵蚀学科领域的前沿问题,目前仍处于不断的探索与发展阶段。本文试图通过对陕西省杨凌区农耕地土壤进行固定坡度和雨强下不同耕作措施的室内人工降雨试验,建立微地形条件下高精度的DEM并进行分析,探讨地表糙度在水蚀过程中的时空变异分布。结果表明:(1)人为耕作对坡面地表糙度的整体分布状态和坡面高程空间分布状况的影响显著;(2)降雨对等高耕作、人工锄耕、人工掏挖耕作措施的高程分布有一定的影响,并且高程变化量的最大值均出现在坡面的下部;(3)在降雨侵蚀的产流前后,坡面糙度的空间变化最大,而产流后糙度的空间变化趋于平稳。研究结果初步揭示了微地表条件下地表糙度的时空变异状况,并可为进一步分析不同坡度、不同雨强条件下地表糙度的综合研究奠定基础。

侵蚀过程中地表糙度变化特征的研究

在地表侵蚀过程特征的基础上,通过室内人工模拟降雨试验,运用三段降雨法,研究了这一过程中地表糙度的变化,得出:降雨过程中,随机糙度的地表与有向糙度的地表变化不同,前者呈增加趋势;而后者呈递成趋势,且随着雨强的增加,变化幅度增大。

地表糙度与水力糙率系数的关系

通过室内人工模拟降雨实验,初步探讨了地表糙度与水力糙率系数间的关系,得出了两者表征阻力特征相 一致的阈值为0.979,并回归得到小于该值求算地表糙度的计算模型y=2.4234e0.30051n(x),R=0.769,其中Y为 地表糙度;X为曼宁糙率系数。

坡耕地地表糙度的初探

以黄土区(淳化径流小区)为研究对象,通过人为管理措施界定不同的地表糙度,选定地表糙度测定方法及求算指标,分析管理措施对糙度的影响,并提出了黄土区坡耕地地表糙度的定义,结合黄土区地表起伏的数量特征,得出了该区坡耕地地表糙度的界限,为土壤侵蚀预报的建立提供了基础材料。

坡面水蚀过程中地表糙度的研究进展

地表糙度作为反映地表微地貌形态和物理性状的指标,影响着地表的水文学和水力学的特性。同时,它还与降雨、地表凹陷处蓄水量、下渗、风等关系十分密切。然而,关于地表糙度在侵蚀过程中详细的定量信息极其有限,故在研究中出现一些相悖的结果。因此,在大量分析国内外地表糙度研究的基础上,从地表糙度的概念、地表糙度的特征及其在溅蚀、面蚀与细沟侵蚀过程中的研究方面出发,客观地评价了该领域研究状况,提出了该领域研究存在的问题和展望。

降雨条件下土壤物理性质对地表糙度变化的影响

在人工模拟降雨条件下,采用接触式测针糙度仪量测法,分析了土壤质地、土壤容重和土壤含水量对地表糙度变化的影响。结果表明,在1.0mm/min雨强下,随土壤物理性粘粒含量的增加,地表糙度变化呈增大的趋势;随土壤容重的增加,地表糙度的变化总体上呈减小的趋势,且当土壤容重相同时,直线坡面和耙耱地坡面地表的糙度变化均高于人工锄耕和等高耕作坡面;随土壤含水量的增加,地表糙度的变化总体上也呈减小的趋势,且在土壤含水量相同时,直线坡面地表的糙度变化较其他处理高。并在此基础上,就上述因子相互作用对地表糙度变化的影响进行了量化分析,表明土壤含水量和土壤容重与地表的糙度变化呈负相关,而土壤孔隙度与地表糙度变化呈正相关。

坡耕地地表糙度的研究进展

在大量分析国内外坡耕地地表糙度研究的基础上 ,从地表糙度的概念、影响地表糙度的因子、测算方法及其侵蚀效应方面出发 ,客观地评价了该领域研究的进展 ,提出了该领域研究存在的问题和发展趋势。

降雨对地表糙度影响的研究

通过野外模拟降雨实验 ,研究了降雨对地表糙度的影响规律 ,经过降雨作用后 ,随机糙度的地表 ,变化呈增加趋势 ,而有向糙度的地表 ,则呈减小趋势 ;随着降雨组合因子增加 ,随机糙度的变化量呈增加的趋势 。

玉米苗期横垄坡面地表糙度的变化及其对细沟侵蚀的影响

通过野外人工模拟降雨试验,研究玉米苗期紫色土坡耕地地表糙度的变化特征,并分析地表糙度对细沟侵蚀过程中产流及侵蚀产沙的影响。结果表明,细沟侵蚀阶段,与降雨前相比,降雨后地表糙度整体呈减小的变化趋势。不同坡度下,地表糙度变幅(Rr)均随雨强的增大而增大,其中15°坡面变化较为明显,1.0,1.5,2.0mm/min雨强下地表糙度变幅(Rr)分别为0.50,5.82,12.96。地表径流随雨强的增大而增大,壤中流变化不明显。15°坡面,1.5,2.0mm/min雨强的地表径流显著高于1.0mm/min;20°坡面,各雨强间地表径流量差异显著。坡面侵蚀产沙量随雨强的增大而增大,15°坡面,1.5,2.0mm/min雨强的侵蚀产沙量均显著高于1.0mm/min,其侵蚀产沙量较1.0mm/min条件下分别提高9.74倍和16.91倍;20°坡面,各雨强间侵蚀产沙量差异显著,1.5,2.0mm/min雨强的侵蚀产沙量较1.0mm/min条件下分别提高5.38倍和8.96倍。地表糙度变幅(Rr)、雨强与地表径流量和细沟侵蚀产沙量均呈极显著相关,可较好地实现坡面径流和侵蚀产沙的预测。