模拟降雨条件下坡度和降雨强度对桂南崩积体侵蚀产沙的影响

[目的]探究坡度和降雨强度对崩岗崩积体坡面侵蚀产沙特征的影响,为桂南地区崩积体水土流失预测及其防治提供科学依据。[方法]采用室内模拟降雨试验,研究不同坡度(15°,20°,25°)和降雨强度(60,90,120 mm/h)条件下崩积体坡面侵蚀产沙过程。[结果]各坡度条件下,60 mm/h降雨强度时,崩积体坡面侵蚀速率变化过程较为稳定,且侵蚀速率多低于5.0 g/(m^(2)·s),并呈现出一定的下降趋势;90~120 mm/h降雨强度下,侵蚀速率呈先波动增大后波动减小的变化趋势。降雨过程中侵蚀速率最大值随降雨强度和坡度的增大而增大,侵蚀速率最大值出现的时间集中在0~25 min内,且随坡度的增大有提前的趋势。次降雨产沙量(3.64~48.07 kg/m^(2))随降雨强度和坡度的增大而增大,与降雨强度和坡度之间的非线性回归结果(幂函数)优于线性回归结果。次降雨产沙量与坡度和降雨强度的交互项相关性最为显著,二者呈极显著线性函数关系。[结论]次降雨产沙量对降雨强度的敏感系数要高于对坡度的敏感系数,降雨强度对次降雨产沙量的影响强于坡度,崩积体侵蚀防治中建议做好坡面排水措施。

模拟降雨对面源污染影响的参数率定研究

降雨是面源污染扩散的主要动力,也是面源污染治理中需要考虑的重要因素之一。但天然降雨具有不确定性,为确定降雨对面源污染研究所需的试验条件,以我国南北3个典型示范区的降雨强度及其变化范围作为参数依据,利用可模拟降雨强度为15~120 mm/h的人工模拟降雨装置,研究了10种降雨强度(15、20、25、30、40、45、50、60、90和120 mm/h)和2种降雨高度(2、4 m)下的人工模拟降雨过程,分析降雨强度准确性、降雨均匀度以及雨滴直径大小和分布三方面参数。结果表明:该装置在降雨强度为15~120 mm/h时,4 m降雨高度的降雨均匀度基本能保持在80%以上,2 m能保持在60%以上,雨量分布呈现出中心大、四周小,由中心向四周发散的特点;该降雨范围内雨滴中数直径基本保持在0.85~2.28 mm,雨滴最大直径不超过3.02mm。人工模拟降雨参数与天然降雨有较高的相似性。4 m降雨高度下的降雨参数在降雨强度为15~35 mm/h时优于2 m降雨高度下的相同参数,适用于北方农作物(如玉米、葵花)种植区面源污染试验研究,而2 m高度更适用于南方水稻种植区的降雨试验研究。该研究结果为探究降雨对我国农业面源污染释放的机理提供参考。

模拟降雨条件下城市污泥养分和重金属的淋出特征

通过探明城市污泥养分和重金属的淋洗释放特征,可以用某一地区和时段内的降雨量预测污泥养分或重金属的释放量,指导污泥合理间接施用。采用人工模拟降雨淋洗3种城市污泥,得到养分和重金属的释放浓度和累计释放量。结果表明,东莞深度脱水污泥比江门普通脱水污泥释放更高浓度的N和COD;江门干燥污泥与原始污泥相比,降低了P、K和Cu的淋出量,表现出一定的老化作用。东莞污泥淋滤液Cu、Zn、Pb、Cd浓度始终未超过农田灌溉水质标准,而Cu超标的江门污泥其淋滤液Cu浓度也超过农田灌溉水质标准。污泥养分或重金属累计淋出量与模拟累计降雨量的对数呈显著正相关关系。根据广州的年降雨量和青枣作物养分需要量,推算得出满足青枣一年生长所需要的N养分而需要间接施用的东莞污泥(含水率455 g/kg)为46.7 kg/株或43240 kg/hm^(2)。

不同植被盖度对三峡库区边坡减蚀的室内模拟降雨研究

为探究气候和植被覆盖度变化对三峡库区消落带库岸边坡的影响,通过开展人工模拟降雨试验,分析不同雨强和植被覆盖度(0,30%,50%,70%,90%)下坡面侵蚀规律及变化特征。结果表明:(1)在不同雨强下,植被边坡侵蚀累计产沙量均随植被覆盖度的增加呈现下降趋势,整体下降演变的趋势可分为迅猛—平缓—稳定3个阶段,三峡库区消落带库岸边坡的临界盖度为50%~70%,维持植被覆盖度在此区间可以有效抑制坡面的泥沙损失。(2)同一植被覆盖度条件下地表径流相对系数与雨强呈正相关。同一雨强条件下地表径流相对系数与植被覆盖度呈负相关,说明坡面植被可以有效地阻滞地表径流,对水土流失具有一定的抑制作用。(3)选用Horton降雨入渗模型分析不同植被覆盖度对降雨入渗速率影响,发现不同植被覆盖下边坡降雨入渗大体分为降雨初期迅速减小,中期减小幅度变缓,后期逐渐趋于稳定3个阶段。植被覆盖度越大,稳定入渗率越高。研究成果可为三峡库区库岸边坡水土流失治理与推动长江生态环境保护修复提供理论参考。

模拟降雨条件下集雨补灌旱作区节水模式研究

为了提高旱作区的农业产量,提高雨水利用率,需要研究并开发有效的旱作区节水模式。研究对模拟降雨条件下集雨补灌旱作区节水模式进行了研究。研究首先设计了模拟降雨装置,并根据干旱区域的降雨量特点和时空分布特点确定试验过程中的降雨量,确定参与试验的节水模式,包括完成平作、平作全膜、平作半膜、垄作全膜和垄作半膜等操作的设计,在模拟降雨条件下对上述种植模式展开土壤水分、集雨效应和水分动态变化分析。研究表明,垄作全膜种植模式具有良好的节水性能,值得应用。

模拟降雨条件下坡面径流污染规律研究

模拟降雨条件下,坡面壤土中NO3-和NH4+随地表径流迁移研究结果表明:在小于30°坡度范围内,壤土坡地径流中NO3-和NH4+流失量随着坡度的增加先增加后下降,临界坡度为20°。NO3-和NH4+流失规律为雨强越大,产流时间越早;产流开始浓度最大,随着时间增加变缓。径流中NO3-流失量随着雨强变大而变大;径流中NH4+流失量随雨强先变大后变小,在40 mm/h雨强时出现转折。累积NO3-和NH4+流失量与径流量之间的响应关系均为线性,相关系数在0.99以上。

模拟降雨对草地贪夜蛾卵和幼虫的影响

为探究降雨对草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda种群的影响,本研究通过室外模拟降雨研究了雨水冲刷对草地贪夜蛾卵和幼虫的影响。结果表明:在4种不同降雨强度0 mm/h(对照)、10.2 mm/h(中雨)、26.5 mm/h(暴雨)、42.8 mm/h(大暴雨)处理下,卵块的掉落率随着降雨强度的增加而增加;在暴雨、大暴雨条件下卵块的孵化率分别为75.14%、43.58%,显著低于对照和中雨;对比有无鳞毛层覆盖的卵块之间的掉落率和孵化率,二者在各个降雨强度之间差异不显著;对比玉米叶片不同位置卵块的掉落率和孵化率,在中雨降雨强度影响下,二者差异不显著,而在暴雨、大暴雨条件下,玉米叶片背面卵块的掉落率低于正面,孵化率高于正面。此外,在相同的降雨强度下,草地贪夜蛾幼虫(2龄、3龄、4龄、5龄)的掉落率随着龄期的增加而降低;当降雨强度增加时,3龄幼虫的掉落率增加。结果表明降雨,特别是暴雨和大暴雨,对草地贪夜蛾的卵和幼虫均有不利影响,为预测草地贪夜蛾种群提供一定依据。

模拟降雨条件下不同草本植被对产流产沙的影响

为了探讨不同草本植被对坡面产流产沙的影响,在人工模拟降雨条件下,选择福禄考、佛甲草、蓝羊茅,设计坡度为10°;早熟禾、黑麦草、高羊茅,设计坡度分别为5°、10°、15°,进行试验研究。研究结果表明:不同草本植物均能有效降低土壤的产沙量与产流量,起到保持水土、修复生态的作用。相同草本,不同坡度下,坡度越大,产流、产沙、土壤侵蚀量越大,作用系数也越大。

模拟降雨条件下肥料类型对坡面磷素流失的影响

[目的]明确有机肥和无机肥的磷素流失机理,探讨施用有机肥能否减少磷素流失,为防控面源污染提供科学依据。[方法]以鸡粪作为有机肥,五氧化二磷作为无机肥,进行人工模拟降雨试验,分析了不同肥料类型下坡面磷素流失的规律。[结果]90 mm/h降雨强度处理下坡面产流率和产沙率较60 mm/h降雨强度处理分别高47.40%,64.48%,降雨强度对坡面产流率和产沙率影响显著(p<0.05),肥料类型对产流产沙率无显著影响(p>0.05)。随着降雨强度增大,径流中的正磷酸盐及可溶性总磷浓度均呈现下降趋势,无机肥处理下分别下降30.43%和26.35%,有机肥处理下为13.56%和33.08%;随着降雨强度增大,无机肥处理下泥沙有效磷浓度、颗粒态总磷浓度分别降低27.78%,19.47%,而在有机肥处理下则分别增加128.11%,36.28%。降雨强度增加会使坡面磷素流失量增加,溶解态总磷、径流正磷酸盐、颗粒态总磷、泥沙有效磷流失量平均增加11.81%,27.82%,68.45%,144.64%。施用有机肥可以减少坡面的磷素流失,相比施用无机肥,溶解态总磷、径流正磷酸盐、颗粒态总磷、泥沙有效磷平均减少了68.11%,85.51%,54.47%,80.69%。[结论]使用有机肥替代无机肥能够减少磷素流失,建议有施用条件的地区选择有机肥,且保证一定施用深度。

模拟降雨条件下黄土边坡表面破坏试验研究

本文通过室内模型试验对黄土边坡的表面破坏特征进行研究。试验表明连续降雨对黄土边坡的危害较大,连续降雨与单次降雨相比坡面径流的初试时间更早,水分入渗深度更深;但两种类型的降雨条件下水分入渗的速率在降雨结束4小时内均会急剧下降,此后趋缓。试验还表明坡比对黄土边坡冲刷破坏的影响具有双重性,坡比未达临界值时坡比与径流量成正比,超过临界值则反之。此外,本文还提出雨水对黄土边坡的侵蚀作用主要可分为雨水冲击、吸水软化以及流水切割三种机制。

野外模拟降雨条件下径流产流特征分析

为了研究降雨对土壤侵蚀的影响,防止水土流失。针对此问题,本文通过野外人工模似降雨,分析了不同雨强条件下草地的径流特征及不同坡度条件下草地和裸地的径流深变化。分析结果表明:(1)在相同雨强条件下,坡度25°的草地的产流量大于坡度15°的草地。在相同时间条件下,坡度25°的草地累计产流量大于坡度15°的草地;(2)在相同雨强条件下,裸地的产流量均大于草地的产流量,裸地的径流深均大于草地的径流深。在相同时间条件下,坡度越大,产生的径流量越大,其径流深也越大。坡度25°裸地累计径流深最大,坡度15°裸地累计径流深次之,坡度15°草地累计径流深最小。以上研究可供水土保持和生态建设提供参考依据。

人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用

利用人工模拟降雨装置进行室内与野外试验已成为水土保持研究的一个重要手段。用人工模拟降雨方法可以加速土壤侵蚀、降雨产流及入渗等试验,避免自然因素的影响,在既定时间内迅速获得试验所需数据,顺利完成计划试验。主要介绍了我国人工模拟降雨装置在水土保持方面应用的研究近况、模拟降雨装置的主要设计技术参数,以及本实验室于2003年研制成功的Kust03-1型人工模拟降雨装置在云南山地的应用。

模拟降雨下枯落物调控坡面径流特征分析

为了研究枯落物覆盖条件下坡面土壤侵蚀过程,防止水土流失。对此本文通过人工模拟降雨试验,在不同降雨强度条件下,对枯落物覆盖坡面径流特征进行了分析,分析结果表明:(1)在相同降雨条件下,随着时间的增加,枯落物量为0 g/m^(2)时产流率最大,枯落物量为45 g/m^(2)时产流率次之,枯落物量为135 g/m^(2)时产流率最小;(2)降雨强度分别为25 mm/h、50 mm/h条件下,随着时间的增加,枯落物量为0 g/m^(2)时产沙率最大,枯落物量为45 g/m^(2)时产沙率次之,枯落物量为135 g/m^(2)时产沙率最小;(3)降雨强度为75 mm/h条件下,随着时间的增加,坡面产沙率在极短时间均快速减小,到一定时间段后逐渐趋于平稳。以上研究可供类似枯落物覆盖坡面侵蚀防治工程提供参考。

模拟降雨条件下植被根毛对土壤抗侵蚀能力的影响

为研究较小的根特性(如根毛)对根系减轻土壤侵蚀能力的影响,本文在模拟降雨条件下设置了大麦的无根毛突变体(Brb)、有根毛野生型(WT)及未种植处理进行对比研究。结果表明,增加根系显著降低土壤侵蚀,随着根长密度的增加,土壤脱落显著减少。此外,Brb根系具有显著的根直径和较高的细根百分比,其比WT(有根毛)根系更能减少侵蚀,但测得WT处理的土壤侵蚀量与Brb处理相似,这表明WT处理根毛的存在在一定程度上弥补了其根系减轻土壤侵蚀能力的下降,增加了土壤对侵蚀的抵抗力。

模拟降雨条件下坡面产流产沙过程及特征研究

为了提高黄土地区土壤的抗蚀能力,防止土壤侵蚀。通过人工模拟降雨试验,对不同降雨强度条件下坡面产流产沙过程及特征进行研究,研究结果表明:(1)在相同坡度条件下,雨强大的草地和裸地较雨强小的草地和裸地,径流量增加明显。在相同时间条件下,坡度大的草地和裸地较坡度小的草地和裸地,径流量增加明显;(2)在雨强为1.2mm/min条件下,在时间为18min~30mim阶段,坡度15°裸地和坡度25°裸地产沙量基本相同。在雨强为1.8mm/min条件下,在时间为18min~30mim阶段,坡度15°裸地的产沙量大于坡度25°裸地产沙量;(3)随着时间的增加,坡度25°裸地相较于坡度15°裸地累计产沙量明显增大。以上研究可供类似水土保持工程提供参考。

模拟降雨机降雨均匀性测试及影响因素分析

为了有效模拟天然降雨,开展了模拟降雨机不同高度和压力组合下的降雨均匀性测试。测试结果表明:模拟降雨机高度为2.4m,水压为0.035kPa、0.040kPa、0.045kPa、0.050kPa和模拟降雨机高度为2.2m,水压为0.040kPa、0.045kPa、0.050kPa的情况下,降雨均匀系数大于80%,符合降雨动能与天然降雨动能相似需求的条件。根据降雨均匀系数测试数据相关性分析得出:当高度为2.4m和2.6m时,水压对降雨均匀性的影响相对较小;当水压为0.040kPa、0.045kPa、0.050kPa时,高度对降雨均匀性的影响相对较小。以上测试和计算方法可作为试验开展前模拟降雨机参数选择的参考。

模拟降雨条件下林地的地表径流特征分析

为了探究林地水土流失原因,防止水土流失,通过对林地小区进行模拟降雨试验,分析在不同雨强条件下林地的地表径流特征以及不同坡度条件下林地的地表径流特征。结果表明:①降雨强度对地表径流有明显影响,中等雨强时地表径流增大,大雨强时地表径流减小;在相同时间条件下,坡度越大,径流量变化越大。②在不同坡度条件下,坡度越大,径流量变化越大;在相同时间条件下,小区坡度为24°时,雨强90mm/h产生的径流量变化最大,雨强45mm/h产生的径流量变化最小。当小区坡度为18°时,在产流后12~45min时间段,雨强90和135mm/h产生的径流量基本保持一致。研究成果可为水土资源保护及生态建设提供参考与借鉴。

模拟降雨条件下坡面流水动力学特性研究

为探明降雨条件下沙黄土坡面水流水动力学特性,以流体力学和泥沙运动力学理论为依据,通过5个坡度和5个雨强组合条件下室内模拟降雨试验,系统研究了坡面水流水力参数的变化规律。结果表明,降雨条件下坡面薄层水流雷诺数均小于580,处于层流失稳区;水流流型随雨强和坡度的变化而发生转捩,当坡度较缓、雨强较小时,床面形态处于低能态区和过渡区,床面出现沙纹现象,水流宏观上呈缓流,反之,坡度较陡、雨强较大时,床面由沙纹和沙垄向动平床过渡,宏观上多呈急流;并根据薄层水流阻力组成特点,推导出沙黄土坡面薄层水流阻力计算公式。验证结果表明,该式误差较小,可为坡面侵蚀预报模型的构建提供参考。

室内模拟降雨条件下土壤水分入渗及再分布试验

降雨入渗对城市绿化、防洪排涝、农业生产等方面有着重要的意义。采用室内模拟降雨,使用时域反射仪采集相关数据,从土壤含水率变化特征和湿润锋运移特点等方面,研究了在垂向一维条件下不同雨强降雨对水分入渗的影响,探讨在降雨条件下土壤水分的再分布情况,从而确定试验所用砂壤土保水性最优土层范围。结果表明:降雨结束后,土壤水分的再分布主要受土水势控制,随着时间的延长,蒸发作用逐渐占据主导地位;试验所用砂壤土的最佳保水性土层深度为20～35cm,可为植物的选栽提供参考。