不同放牧条件下坡面初始产流时间和径流流速变化特征

[目的]研究不同降雨强度下植被覆盖度和坡度对我国北方典型草地坡面产流的影响,以期进一步丰富我国有关北方典型干旱半干旱草原的水土保持研究理论,为合理配置草原资源提供理论及实际参考依据。[方法]研究基于野外人工模拟降雨试验的方法,分析了不同雨强下初始产流时间与植被盖度和坡度的相关规律,以及不同放牧条件下坡面径流流速的变化规律,建立了初始产流时间与植被盖度和坡度以及坡面流速与植被盖度和坡度的多元回归模型。[结果]雨强为1.5 mm/min时,3个坡度4°,9°,14°坡面的初始产流时间相比裸地,放牧条件下分别增加了1.23,1.39,1.30倍,围封条件下分别增加了2.02,2.03,1.38倍。整个模拟降雨的坡面径流流速变化范围0.05~0.3 m/s,围封状态下,坡面流速仅是放牧条件下的63%~68%。[结论]植被盖度和坡度对初始产流时间的影响较为显著,在其他条件相同的情况下,初始产流时间随着雨强或坡度的增大均减短,随着植被盖度的增加而明显延长。在其他条件相同的情况下,雨强或坡度越大,坡面流速越大;植被盖度越大,坡面流速越小,产流总量与之规律相同。

不同坡形坡面径流流速时空分异特征研究

通过室内模拟降雨试验分析了不同坡形坡面径流流速的时空分异特征,研究结果表明:同雨强、同坡度条件下,直线形坡的坡面流速最大,凸形坡的其次,凹形坡的最小,并且在同坡形条件下,坡面流速随雨强、坡度的增加而增加。另外,不同坡形坡面径流流速在空间上也存在一定的差异,坡面径流流速基本上沿着坡面向下逐渐增大,并且坡面上各段流速随坡度、雨强的增大而逐渐增大。

基于电导式传感器径流流速测量系统的试验研究

在土壤侵蚀和水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数，目前尚无广泛应用的径流流速测量仪，研究快速的径流流速测量具有重要意义。该文基于互相关理论，建立了基于虚拟仪器Lab VIEW的径流流速的测量系统，并采用自制的电导式传感器，研究了两传感器间距对测量系统的影响，测量了5个泥沙含量水平下的径流流速。结果表明：测量系统适用的泥沙含量范围为0～250kg／m^3，测量误差为4．5％；若以染料示踪法测量的流速作为标准值进行修正，修正后的测量误差为3．81％。

基于相关法的坡面径流流速测量系统

坡面径流流速是土壤侵蚀研究中的一项重要参数,目前仍未有通用的径流流速测量仪,因此研究径流流速的有效测量方法具有重要的意义。该研究以相关测速理论为基础,在已有的研究基础上改进了光电传感器的硬件设计和试验平台,开发了一套坡面径流流速测量系统。试验研究了传感器与液面及两传感器之间距离对测量系统的影响,并进行了室内模拟坡面径流流速试验研究。结果表明,两传感器的间距为5 mm、液面距离为9 mm为最优试验参数,测量系统的泥沙含量适用范围为0～400 kg/m3、坡面的范围为0～25°,测量系统能够准确测定径流流速,最大相对误差为3.61%,为坡面径流流速的快速、准确测量提供了一种有效的方法。

基于虚拟仪器技术的光电式坡面径流流速测量系统

在水土流失研究中，坡面径流流速是径流计算、土壤侵蚀预报中不可缺少的水动力参数。目前尚没有广泛应用的测量径流流速的仪器，该研究从两相流理论出发，基于相关流速测量理论，采用LabVIEW虚拟仪器开发平台，研制了一套径流流速在线测量系统，包括红外光电传感器、信号调理电路、PCI-6040E数据采集卡以及使用Lab VIEW开发的相关测量软件等。采用室内模拟水槽试验，结果表明，该测量系统适用的泥沙含量范围为0～250kg／m^3，以染料示踪法测得流速作为标准值进行标定试验，系统最大相对误差为4．14％；基于相关流速理论所建立的虚拟仪器系统测量坡面径流流速是可行的。

施加NPD对黄土坡面径流流速和侵蚀产沙的影响

天然聚合衍生物(NPD)是一种新型的高分子聚合物,是坡面土壤侵蚀化学调控措施所采用的一种新型材料,通过室内人工模拟降雨试验,以裸坡为对照,研究了不同NPD施加措施(撒施和喷施)及不同施加量(1.0,3.0,5.0g/m2)条件下径流流速特征以及对侵蚀产沙的影响。结果表明:(1)施加NPD的坡面径流流速随降雨历时的变化与裸坡一致,均呈先增大后逐渐趋于稳定的趋势,且流速随降雨历时的变化过程可用对数方程描述。撒施在1.0mm/min雨强下,延迟降雨初始产流时间8～19min,而喷施在3个雨强下,初始产流的时间整体上较裸坡提前1～2min;(2)与裸坡相比,施加NPD具有显著减小流速的效应,且雨强越大,减小流速的效应越差;施加不同剂量NPD减缓坡面径流流速的效益范围13.2%～54.3%。其中撒施3g/m2剂量和喷施5g/m2剂量对坡面径流流速的减小效应相对较好;(3)与裸坡相比,施加NPD具有显著的减沙效应,且减沙效应范围为30.6%～71.2%。无论是撒施还是喷施,整体表现为5g/m2计量的减沙效应最好。(4)裸土坡面的侵蚀模数对平均流速的响应关系与撒施和喷施NPD坡面的侵蚀模数对平均流速的响应关系皆可用对数方程表示,且撒施和喷施对流速的减小作用均大于减沙作用。

典型黄土坡面土壤侵蚀特征及径流流速空间变化试验研究

为了明确土壤性质对坡面侵蚀方式作用机制的影响,本研究采用室内模拟降雨试验,选取黄土高原典型暴雨强度,在不同坡度条件下,对两种黄土的坡面侵蚀方式、形态特征、产流产沙过程及其相应径流流速的变化规律进行了研究。结果表明,绥德土径流量明显高于安塞土,10°、15°和20°时前者的平均径流量分别比后者高出51.1%、55.5%和63.0%,且前者更易形成细沟,使得其平均含沙量和平均产沙率分别是后者的1.14~3.59倍和2.50~8.48倍。在片蚀阶段,与绥德土相比,安塞土的含沙量较高,后者的平均含沙量是前者的1.24~1.73倍,但两种土壤的含沙量和产沙规律相同,均表现为先快速增加到最大值,然后逐渐降低到相对稳定状态,该现象证明片蚀的初期阶段主要受控于径流输沙能力,后期受径流的剥蚀能力控制。在细沟侵蚀阶段,绥德土细沟发育以沟头溯源侵蚀为主,崩塌作用频繁,该侵蚀形式不仅控制着细沟形态的总体特征,也导致含沙量和产沙率均急剧增加,该阶段平均含沙量是相应片蚀阶段的3.25~4.34倍。细沟沟口下方坡面存在明显的泥沙沉积带,表明细沟集中水流的搬运能力远高于坡面漫流,细沟侵蚀主要受径流输沙能力控制。两种土壤的径流流速均表现为坡面下部高于坡面上部,径流稳定后高于径流稳定前,总体来看,绥德土和安塞土上坡和径流稳定后的平均流速分别是下坡和径流稳定前的1.4倍、1.25倍和1.75倍、1.29倍,此外细沟侵蚀或侵蚀强度与微地貌形态之间的互馈作用对径流流速也有较大影响。

黄土丘陵区草本植物覆盖下生物结皮对坡面径流流速的削减作用

生物结皮是干旱半干旱地区的常见地被物,与植物共同影响坡面径流及流速。迄今鲜有研究关注植物和生物结皮共同覆盖对流速的影响,是干旱半干旱地区坡面侵蚀驱动因素研究的薄弱环节。本研究以黄土丘陵区退耕草地为对象,通过野外模拟降雨试验,研究草本植物覆盖下有无生物结皮及不同组成生物结皮(多藻少藓、多藓少藻和藓)对径流流速的影响。结果表明:植物和植物+生物结皮覆盖显著降低了流速,植物覆盖较裸土降低70.7%,植物+生物结皮覆盖较裸土降低83.1%;植物和生物结皮共同覆盖下,植物和生物结皮对径流流速的削减效益分别为70.7%和12.4%。植物覆盖下生物结皮对流速的影响程度与其组成有关,多藻少藓结皮、多藓少藻结皮和藓结皮对流速的削减效益分别为11.5%、12.4%和19.4%。流速与藓盖度呈显著负相关,与藻盖度呈显著正相关,藓结皮盖度(x)与流速(y)的关系式为:y=-2.081x+0.03(R^(2)=0.469)。当植物盖度一定时(40%±10%),生物结皮组成中藓盖度是影响共同覆盖坡面流速的关键因子。综上,草本植物覆盖下生物结皮有显著减缓流速的作用,且作用程度与其组成有关。表明在研究退耕草地坡面侵蚀动力机制时,生物结皮的作用应予以考虑。

草本植被覆盖结构对径流侵蚀动力的作用机制

为了解植被与坡面径流侵蚀动力的关系,通过野外模拟冲刷试验,研究不同处理条件下草类植被坡面径流的水动力学特性和侵蚀产沙规律。结果表明:植被完整程度的差异,对坡面径流的流速有显著影响。试验小区上坡面径流流速的大小顺序依次为:裸地小区(0.27 m/s)>铲草小区(0.24 m/s)>剪草小区(0.16 m/s)>原状坡面小区(0.1 m/s)>除草剂小区(0.08 m/s),径流雷诺数也有相似的变化趋势。在相同的试验条件下,植被越完整,径流运动所遇到的阻力也就越大;相应的坡面径流深也表现出增加的趋势。径流含沙量的分析结果表明,各小区的径流含沙量都随试验进行而逐渐降低,植被结构越完整,径流含沙率降低的趋势也就越明显,相应地径流输沙率也从最大裸地小区的400 g/min降低到3 g/min。

径流量和坡度对复合坡薄层径流水力学特性的影响

为研究复合坡面径流运动过程及其水力学特性,通过实验室土槽模拟试验,测试了7个径流量（10,15,20,25,30,35,40L/（min·m））和25个坡度（5°~25°）组合（5个直面坡、10个凸型坡和10个凹型坡）条件下的径流流速,计算了径流深度、雷诺数和弗劳德数。结果显示,直面坡径流流速随流程增加而增大并趋于稳定,且随流量或坡度增大而增大。凸型坡下坡面的径流流速大于上坡面,而凹型坡下坡面的径流流速小于上坡面。径流深度的变化规律与流速相反。径流雷诺数沿流程为一常数,而径流弗劳德数则随之增大。径流雷诺数和弗劳德数随径流量增加而显著增大。坡度对雷诺数影响较小而对弗劳德数影响显著。试验条件下,径流雷诺数介于200~800之间,弗劳德数小于2.5。当径流量小于25L/（min·m）时坡面径流属于层流状态,反之为紊流。凸型坡上坡面的径流为缓流而下坡面为急流,凹型坡径流大多数情况下属于急流状态。

饱和与非饱和黄绵土细沟径流水动力学特征及侵蚀阻力对比

近地表水文状况显著影响坡面土壤侵蚀过程。土壤饱和状态作为一种特殊的近地表水文状况,其细沟侵蚀特征较之非饱和状态存在明显的差异。以黄绵土为研究对象,采用限定性细沟模拟冲刷,对比研究了饱和与非饱和状态下黄绵土的水动力特征和侵蚀阻力。结果表明:饱和黄绵土径流流速与坡度、流量之间符合良好的幂函数关系,坡度对流速的影响更甚;饱和黄绵土径流流速约为非饱和黄绵土的1.17倍,其坡面摩擦阻力仅为非饱和黄绵土的70.3%;同种工况下,非饱和黄绵土的径流含沙量和细沟径流动能明显偏低,随着径流动能增大,2种土的径流含沙量均呈现对数型增长,径流含沙量峰值稳定在400,280kg/m^3内;饱和与非饱和黄绵土的细沟可蚀性参数分别为0.088,0.057kg/(m^2·s),相应的土壤临界剪切力分别为0.773,1.561Pa,表明饱和黄绵土更易剥蚀、流失。

含碎石紫色土坡面降雨入渗和产流产沙过程

在室内土槽模拟降雨试验基础上，观测了具有不同碎石体积含量紫色土的降雨人渗地表产流产沙量以及细沟间径流和细沟径流的流速，以期建立碎石含量与土壤流失的定量关系。研究结果表明：土壤中碎石混合对降雨人渗有正负两方面的影响，当碎石含量为20％～30％时，碎石的存在增强土壤入渗能力，当碎石含量提高到30％时，土壤的入渗能力被削弱。土壤中碎石混合通过不同的作用机制对坡面细沟间径流流速和细沟径流流速产生不同的影响，随着碎石含量的增加，细沟间径流平均流速逐渐增加，细沟径流的平均流速逐渐降低。土壤中碎石混合通过改变土壤的物质组成和结构，增强土壤的抗蚀性和抗冲性，随着碎石含量的增加，径流含沙率和土壤流失量显著降低，土壤流失比与碎石含量呈极显著指数负相关关系。

海涂围垦区排灌工程边坡土壤侵蚀过程的水动力学特征

利用人工模拟降雨试验研究降雨强度和坡度两因子对海涂围垦区排灌工程边坡侵蚀产沙过程及其对径流水动力学参数的响应关系。结果表明，边坡输沙率随降雨历时增加呈S形曲线增长。随雨强和坡度增大，坡面细沟发育迅速，侵蚀量急剧增加，但在坡度25°附近存在一个侵蚀的临界坡度。高雨强和陡坡下，坡面平均流速显著增大，侵蚀输沙率与平均流速之间呈显著线性正相关关系。试验坡面径流雷诺数较小，变化于8．5～42．6之间，水流剪切力为分散边坡土颗粒的主要作用力；坡面输沙率和平均雷诺数之间呈抛物线正相关关系，且在雷诺数较小时坡面输沙率随雷诺数的增长较缓慢，随水流雷诺数的增大，水流紊乱程度越强，坡面产沙能力越强。坡面径流所受阻力系数均随雨强和坡度增大线性降低，输沙率与Manning糙率系数和Darcy Weisbach阻力系数均呈线性负相关关系。

玉米马铃薯间作和起垄对坡面水动力学特性的影响

为了研究间作体系下地表特性对土壤侵蚀的影响,采用人工降雨法分析了玉米马铃薯间作及起垄在不同降雨强度(40,80 mm/h)下的水力学参数的变化特征。结果表明:(1)同一降雨强度下玉米马铃薯间作的阻力系数高于玉米单作处理,雷诺数、弗劳德数和径流流速低于单作玉米处理(P<0.05)。7月初80 mm/h降雨强度下玉米马铃薯间作和玉米单作的阻力系数分别为0.41~0.53和0.09~0.10;径流流速分别为0.11~0.12,0.19~0.21 m/s。玉米马铃薯间作的径流流速和阻力系数与马铃薯单作差异不显著(P>0.05)。(2)同一降雨强度下间作高垄的阻力系数最高,径流流速、雷诺数和弗劳德数最低。40 mm/h降雨强度下间作高垄、间作低垄、玉米高垄的径流流速分别比玉米低垄分别减少35.71%,35.71%和14.29%。间作条件下起垄能增加坡面流阻力,降低雷诺数和弗劳德数,进而减缓坡面径流流速,这对于坡耕地土壤侵蚀的防治以及农业的可持续发展具有重要的指导意义。

人工降雨和放水冲刷条件下紫色土坡面产流产沙特征分析

采用可变坡的3 m×1 m土槽进行人工降雨和放水冲刷试验,在不同坡度（5°~20°）、不同雨强（0.6~2.5mm/min）和放水流量（1.6~7 m3/s）情况下,对紫色土坡面的产流产沙特征进行了研究。结果表明：放水冲刷试验中径流流速从坡上到坡脚表现出先增加后减小、逐渐增大和逐渐减小3种趋势,而人工降雨试验则恰恰相反,径流流速从坡上到坡脚表现出逐渐增大的趋势;15 min是2种试验方法产流过程稳定的临界时间;人工降雨试验径流含沙量稳定的时间介于5~50 min之间,放水冲刷试验含沙量稳定的临界时间为20 min。试验成果可为后续紫色土侵蚀相关研究提供数据支持。

不同植被格局对梁峁坡-沟坡的侵蚀动力作用机制

[目的]探究不同植被格局对梁峁坡—沟坡的侵蚀动力作用机制,为进一步揭示草地坡面侵蚀规律和植被减蚀效应研究提供科学依据。[方法]以梁峁坡—沟坡为研究对象,采用室内降雨模拟降雨和三维激光扫描技术,分析不同植被格局对梁峁坡—沟坡侵蚀动力作用机制。[结果]径流流速和含沙量共同影响着坡面侵蚀动力过程,径流流速是主要影响因素。坡面的侵蚀产沙来源主要位于沟坡内,不同植被格局下梁峁坡与沟坡产沙比例的不同,反映了植被调控侵蚀的范围和强度的不同。草带位于梁峁坡中下部时,不但能够有效降低梁峁坡的侵蚀程度,而且能够有效抑制和减缓沟坡内的径流流速,大幅度降低梁峁坡下部和沟坡内的侵蚀程度。[结论]不同植被格局可以通过影响径流流速和含沙量来调控梁峁坡—沟坡侵蚀动力。

农业耕作措施蓄水保土机理分析

在黄土高原沟壑区的淳化县泥河沟流域 ,以常规耕作的直线坡为对照 ,对等高耕作、人工掏挖、人工锄耕的蓄水保土情况进行了人工降雨试验 ,结果表明 ,各种耕作措施均可提高土壤稳定入渗率、延长产流时间、降低坡面径流流速及减少坡面产流量、降低侵蚀模数等 。

路堤边坡冲刷量预测方法研究

影响边坡冲刷的因素很多 ,而基于模糊感知器建立一个通用的公路边坡冲刷预报模型是一个较好的解决途径。该方法结合了神经网络与模糊方法的优点 ,它可以模拟影响因素之间复杂的非线性关系 ,较好地解决了公路边坡冲刷预报中的模糊性和不确定性。模糊感知器网络将冲刷影响因子序列分成学习样本 (30min降雨强度、降雨历时、降雨量、坡度坡长 ) ,表示冲刷外因和学习目标样本 (土压实度、径流流速、径流流量、土颗粒粘聚力、植被指数 ) ,表示冲刷内因。通过模糊感知器特有的算法训练学习样本得到目标样本 ,最终得出冲刷预报值。为了验证模型 ,在连徐高速公路路堤边坡用SR型人工降雨设施进行冲刷试验 ,得到冲刷量实测资料 ,将通过模型计算的冲刷量值与之比较 ,显示了模型具有较好的预报效果。

不同草带空间分布对坡面缓流效应调控机制

为了研究植被对坡面缓流效应的影响机制,研究选取坡面开展室内降雨试验,分析了植被调节下的径流、输沙变化特征,阐明了草带对径流流速的调控作用。结果表明:草带种植于13 m坡面的上坡下部60%位置,可以充分发挥出缓流效应,调控径流流速范围达到坡面70%的区域,流速降低50%,控制了坡面流速的增加,有效抑制了流速的恢复;而且能够合理控制径流含沙量,进一步减缓径流侵蚀强度,水土流失治理效果达到试验范围内最优。随着草带位置的逐渐上移,坡面径流流速降低至最小后又逐渐增加。动力恢复空间具有临界现象,动力恢复距离超过坡面长度的54%,径流流速增加明显,草带调控径流作用减弱,甚至加剧侵蚀;动力恢复距离小于坡面长度的54%,径流流速降低显著,草带调控径流作用增强,侵蚀强度减弱。研究结果揭示了植被通过对流速的缓流效应来调控土壤侵蚀输沙过程,可为植物措施的水土保持规划提供参考依据。

土石混合紫色土坡面水文过程的实验研究

土壤中的碎石改变了均质土壤的容重、孔隙度与孔径分布等物理性质,从而对土壤水文与侵蚀过程造成影响。该研究在室内人工模拟降雨条件下,对6种不同碎石体积含量(0,5%,10%,20%,30%,40%)紫色土坡面的水文过程进行了模拟。结果表明,径流系数与碎石含量之间差异显著(F=115,P<0.01)且呈显著正相关关系;土壤湿润锋随着碎石含量的增大呈增加的趋势;不同碎石含量的土壤坡面起始产流时间差异显著(F=208,P<0.01),且产流时间随碎石含量的增加而减小;碎石含量为20%时,土壤平均产流量最高,超过20%时,产流量反而降低;但碎石含量对径流流速没有显著影响。该研究结果可以为碎石含量在紫色土中的作用机理提供理论基础,同时为紫色土区土壤资源的合理利用提供科学依据。