黄土凸型复合坡面径流能量变化特征试验研究

通过对室内凸型复合坡面进行2种不同流量(6,8L/min)的放水冲刷试验,对凸型复合坡面的径流能量变化特征进行了研究。结果表明:(1)不同流量的径流能量和径流动能呈现出相似的变化规律,即径流能量随断面远离坡顶呈下降趋势,径流动能总体呈增大趋势,但变化规律较为复杂;随着径流流程的增加,径流能量急剧下降,当径流进入复合坡面的下坡后,这种趋势更显著。(2)径流能耗随断面位置的增加不断增加,不同流量均有相似的变化趋势,随着径流流程的增加,能耗呈明显增加趋势,当径流进入复合坡面的下坡面后,这种趋势更显著。(3)复合坡面径流势能远大于径流动能,径流能量消耗过程与侵蚀产沙量过程的变化基本一致,并建立了产沙量和能耗之间的相关方程。

作物覆盖与径流能量的关系

黄土高原的土壤侵蚀往往是由几场大的暴雨形成的,因此研究植被覆盖与径流的能量关系具有积极的现实意义。在整理分析了黄土高原西峰、绥德、天水、淳化4个水土保持试验站降雨、径流及泥沙资料的基础上,探讨了作物覆盖与径流能量的关系。结果表明:①作物覆盖对径流能量具有消减作用,其削减率平均值为72.4%;②作物覆盖与平均径流能量削减率之间呈直线关系;③作物覆盖的削减能量作用受降雨动能的影响,随降雨动能的增大,植被对径流能量的削减作用减小。

耕作措施对径流能量的影响

在室内人工降雨试验的基础上,分析了等高耕作、人工掏挖和人工锄耕3项耕作措施对径流能量的削减作用和减蚀作用。结果表明:耕作措施对径流能量及坡面产沙均具有削减作用,其中等高耕作的作用最大,随雨强和地面坡度的增大其作用减弱;耕作措施对径流能量的削减作用与减蚀作用之间具有一定的相关关系,但坡面产沙同时受土壤抗蚀、抗冲性等因素的影响。

草被覆盖下坡沟系统坡面流能量变化特征试验研究

坡面侵蚀是水流能量作用的结果,草本植被对坡面流能量的作用有重要影响,研究坡沟系统坡面草被不同盖度及空间配置下坡面流能量的变化过程与特征,对于揭示草被减蚀作用机理有重要意义。本文利用实验土槽和放水冲刷试验方法,研究了2种流量(3.2 L/min和5.2 L/min),坡面5种草被盖度(0,30%,50%,70%和90%)及3种空间配置(坡上部、坡中部、坡下部)下,坡沟系统坡面径流能量的变化过程与特征。结果表明,有草断面比无草断面下的径流动能、势能普遍偏小,变化幅度也较平缓;各断面能耗时间上呈下降-稳定的变化趋势,空间上随着径流流程的增加呈显著增加趋势;坡面流能耗变化过程与径流含沙量变化过程基本一致,裸坡情况下二者关系更为密切。

农业耕作措施减沙的能量分析

从径流能量入手,在室内人工降雨试验的基础上,分析了坡面耕作措施对径流能量的削减作用。耕作措施可有效减少坡面产流、产沙,其径流能量消减率可达26.84%～51.58%,在径流能量传递过程中,3种耕作措施能量传递均小于对照,其中等高耕作对径流能量消减率最大,减沙作用与径流能量消减之间呈对数关系,耕作措施对径流能量的消减作用受雨强和坡度的影响,随雨强和坡度增大,消减作用减弱。

黄土高原南部侵蚀能量组成与分级特征

以黄土高原南部3 ～15°缓坡耕地为对象,以彬县、永寿、西峰、黄龙、耀县、淳化149 场侵蚀性降雨为样本,研究得出本区侵蚀降雨能量最大值为2 160.42 Jm2 ,最小值为34.53 Jm2 ,平均值为331.47 Jm2 ;径流能量最大值为741.5 Jm2 ,最小值为0 .272 Jm2 ,平均值为98 .4 Jm2 。不同降雨量、降雨历时、降雨强度量级中,侵蚀能量数量特征不同;降雨能量基本与降雨量的增加呈正相关,径流能量以50 mm 降雨量为界,形成增幅大小不同2 个区间。依据降雨量、降雨强度可将降雨能量划分为低雨强中雨型、高雨强中雨型、低雨强暴雨型和低雨强特大暴雨型4 级;依据平均径流深可将径流能量划分为浅水深低能量、中水深低中能量和大水深高能量3 级。

无定河流域径流侵蚀功率时空变化特征

不同尺度的径流侵蚀输沙关系尚未明确,亟待深入研究。为了探究流域径流侵蚀输沙的时空变化特征,基于水蚀动力过程的径流侵蚀功率理论,运用Mann-Kendall法和线性回归法分析了无定河流域1956—2010年年径流侵蚀功率和年径流量的时空变化;利用Mann-Kendall突变点检验,识别出径流的突变年份,对比分析突变年份前后的年径流侵蚀功率和年径流量变化,分析建立了年径流侵蚀功率—输沙相关模型。结果表明:1956—2010年,无定河流域年径流量与年径流侵蚀功率有显著减小趋势,径流突变年份在1971—1985年。突变年份之前流域年径流侵蚀功率平均标准差高于突变年份后;突变年份之后年平均径流侵蚀功率比突变年份前平均减少1.05×10^-4 m 4/(s·km^2);年径流侵蚀功率随流域面积的增大而减小。流域径流侵蚀功率—输沙相关模型相关性显著(p<0.01)。研究阐明了无定河流域年径流侵蚀功率具有减少趋势,在空间上随流域面积增大而减少,在流域年尺度上径流侵蚀功率理论能够较好的表征径流侵蚀输沙关系。

坡度对黄土坡面产流产沙过程及水沙关系的影响

为了探究次降雨条件下坡度对黄土坡面侵蚀及水沙关系的影响,在室内进行模拟降雨试验,结合能量理论对黄土坡面水沙关系进行了研究。结果表明:(1)在次降雨条件下,坡面产沙强度随产流时间的变化趋势较产流强度更为复杂,并且两者随着产流时间的变化趋势存在不同步性;(2)坡面总产流量与总产沙量随坡度的变化均呈二次函数关系,并且在20°~25°存在量变的临界值;(3)坡面产流强度与产沙强度呈正相关关系,方程系数a随坡度呈现增大后减小的趋势;(4)累积产流量与累积产沙量之间呈正相关关系,相关系数c的绝对值与坡度成正比;(5)坡面平均径流能量随坡度的变化呈上升—下降的趋势,在坡面侵蚀过程中,平均径流能量与平均产沙强度之间的关系可用线性方程描述,两者呈正相关关系,平均径流能量可以合理预测黄土坡面的输沙能力。该研究可为完善黄土区的土壤侵蚀机理提供理论依据。

Soil detachment and transport under the combined action of rainfall and runoff energy on shallow overland flow

Rainfall and runoff energy results in soil erosion. This paper presents new the concepts of rainfall and runoff energy and analyzes the relationship of rainfall energy and runoff energy with sediment transport based on the conversion theory of kinetic and potential energy using artificial rainfall and mechanical calculation. The results show that the ratio of sediment detachment in sloping fallow overland flow increases with the slope gradient,rainfall energy and runoff energy, while the sediment detachment ratio under raindrop impact are significantly higher than those under no raindrop impact. The sediment concentration increases with the slope gradient and rainfall energy; when the slope gradient and rainfall energy are constant, the sediment concentration decreases as the runoff energy increases. Rainfall disturbance coefficients have a logarithmic correlation with the rate of rainfall energy and runoff energy. On the same slope gradient,when the rainfall energy is constant, the disturbance coefficient decreases as the runoff energy increases,while when the runoff energy is constant, the disturbance coefficient increases as the rainfall energyincreases. Rainfall energy results in sediment detachment, and runoff energy is the transportation for erosion sediment. This showed that rainfall energy and runoff energy are important in the sediment detachment and transportation of shallow overland flow.