延安丘陵区黄土雨滴溅蚀过程模拟

为揭示延安丘陵区黄土雨滴溅蚀特征及其演变过程,选取晚更新世原状黄土为研究对象,利用自制的雨径、雨强可控的单雨滴模拟试验装置,对边坡浅表层采集的原状黄土进行雨滴击溅侵蚀试验,研究降雨强度和降雨历时对原状黄土侵蚀特征的影响规律。结果表明:①雨滴连续击打作用下,原状黄土表面逐渐形成一近似圆形的溅蚀坑,溅蚀坑由浅变深、由小变大,侵蚀深度随降雨历时的发展过程可描述为快速增长阶段(0~10 min)、缓慢增长阶段(10~40 min)和稳定发展阶段(40~60 min)。②侵蚀深度、侵蚀破坏直径及侵蚀扩散直径随降雨历时发展过程符合幂函数型增长,0~10 min为侵蚀变形主要增长阶段,降雨强度越大,土壤侵蚀作用越显著,0~10 min阶段的侵蚀深度占总侵蚀深度比例可达81%以上;降雨历时约10 min后,溅蚀面上横向侵蚀范围基本趋于稳定状态,侵蚀深度、侵蚀破坏直径及侵蚀扩散直径均随降雨强度呈正相关,且侵蚀扩散直径D约为侵蚀破坏直径D 0的2.71~3.55倍。③强降雨是诱发黄土边坡发生侵蚀灾害和水土流失的重要影响因素,建议采用坡面植绿、加筋和防排水等防护措施,增强坡面抗侵蚀能力,降低黄土边坡浅层水蚀灾害发生。研究成果可为黄土地区降雨侵蚀灾害防治提供参考。

土壤溅蚀过程和研究方法综述

土壤溅蚀是土壤侵蚀过程的开始,是指由于降雨雨滴打击土壤表层,引起土壤颗粒分散和迁移的一种侵蚀过程,是导致坡面水蚀的一个重要威胁因子。因此,土壤溅蚀是土壤侵蚀的重要形式和组成部分,具有重要的研究意义。土壤溅蚀过程和研究方法是土壤溅蚀领域研究的核心内容。论文根据有关资料,综述了国内外土壤溅蚀过程和研究方法方面的主要成果,并对将来的研究方向进行了展望,以期推动我国在该领域的研究工作。国内外研究表明,土壤溅蚀是土壤侵蚀的主要过程之一,是各种水文过程、水力过程和生态过程的综合表现,是复杂的降雨因子和土壤因子共同作用的结果,涉及一系列关于降雨雨滴与地表间的能量转换过程。测量土壤溅蚀的方法主要有溅蚀杯、溅蚀板和溅蚀盘。进一步的研究应致力于土壤溅蚀的力学过程和森林土壤溅蚀过程方面的探讨。

降雨特性对延安山区边坡黄土溅蚀特征的影响

降雨作用下黄土高原区边坡土体溅蚀灾害问题突出。以延安山区边坡原状黄土为研究对象,通过自制降雨特性可控的单雨滴模拟试验装置,进行不同降雨强度q(10滴/min、25滴/min、50滴/min、100滴/min、150滴/min)、雨滴直径d(3 mm、4 mm、5 mm)、雨滴落高h(1 000 mm、1 500 mm、2 000 mm)条件下原状黄土击溅侵蚀试验,研究降雨特性对延安山区边坡黄土溅蚀特征的影响规律。研究结果表明,原状黄土在雨滴持续击打作用下逐渐形成由小变大、由浅变深的圆形溅蚀坑,溅蚀深度与降雨历时的关系符合幂函数发展趋势,其发展过程可分为3个阶段,即快速增长阶段(0~10 min)、缓慢增长阶段(10~40 min)和稳定发展阶段(40~60 min);溅蚀深度与降雨强度之间近似呈线性增长关系;雨滴直径和落高对溅蚀深度影响显著,且溅蚀深度与雨滴直径和雨滴落高之间均呈正相关关系;横向溅蚀范围与降雨强度、雨滴直径和雨滴落高之间均呈单调递增趋势,溅蚀扩散直径D为溅蚀破坏直径D_0的2.2~3.6倍。研究结果可为黄土高原地区边坡土壤击溅侵蚀防治提供科学依据。

坡度对降雨溅蚀影响的研究

利用可以分别收集不同方向溅蚀土样的土槽装置,选取9个坡度（5°-45°）,采用北京的普通褐土,借助人工模拟降雨手段研究了降雨溅蚀的发生过程及溅蚀量与坡度的关系。结果表明,随着坡度的不同,各方向的溅蚀过程呈现三种形式：（1）产流前溅蚀率较小,产流后迅速达到峰值,之后逐渐减小并逐渐达到稳定,峰值与稳定溅蚀率相差2倍以上;（2）产流前溅蚀率最大,产流后迅速减小并趋于稳定;（3）整个降雨过程中没有明显起伏。各个坡度下,次降雨溅蚀量均为上坡最小,下坡最大。上坡和侧坡溅蚀量与坡度成负相关,可分别用直线和指数函数拟合。下坡溅蚀量、溅蚀总分散量和溅蚀净搬运量均随着坡度的增大而先增大后减小,且为线性关系,临界坡度为35°。本研究将有助于深入理解降雨溅蚀侵蚀机理,并可为布设水土保持措施提供理论依据。

降雨能量对东北典型黑土区土壤溅蚀的影响

溅蚀特征研究可揭示溅蚀发生机理,而现有研究大多用溅蚀量来表征溅蚀特征,不能全面准确地反应溅蚀作用过程。为此,基于改进的试验土槽进行室内模拟降雨试验,研究降雨能量对坡面不同方向溅蚀量及溅蚀过程的影响。试验设计包括2种降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)和10个降雨能量,其中10个降雨能量是通过2种降雨强度(50 mm/h和100 mm/h)和5个雨滴降落高度(3.5,5.5,7.5,9.5、11.5 m)来实现的。结果表明:在相同降雨强度下,坡面总溅蚀分量均随降雨能量的增加而增大。次降雨坡面溅蚀量均为向下坡最大,其次为侧坡溅蚀量,而向上坡溅蚀量最小。当降雨强度由50mm/h增加至100mm/h时,坡面向上坡溅蚀量增加2.3—5.0倍,向下坡溅蚀量增加1.7—5.1倍,侧坡溅蚀量增加1.9—4.3倍,总溅蚀量增加1.9—4.5倍,净溅蚀量增加1.2—6.4倍。对于不同降雨能量处理,坡面溅蚀率均表现为坡面产流前随降雨历时的增加而递增,产流后迅速达到峰值,之后逐渐减小并趋于稳定。定量分析了各溅蚀分量、总溅蚀量、净溅蚀量与降雨能量的关系,提出了溅蚀发生的降雨能量阈值,发现雨滴溅蚀发生的临界能量为3—6 J m^(-2)mm^(-1),且向上坡溅蚀量,向下坡溅蚀量,净溅蚀量和总溅蚀量皆与降雨能量呈幂函数关系,而侧坡溅蚀量与降雨能量呈二次多项式关系。

降雨强度和坡度对东北黑土区顺坡垄体溅蚀特征的影响

坡耕地溅蚀特征研究可揭示和反映溅蚀的发生和发展机理,而以往研究大多在无垄作坡面进行,较少涉及顺坡垄体。为此,该研究基于野外人工模拟降雨试验,设计3个降雨强度(30、60和90 mm/h)和2个坡度(3°、5°),研究降雨强度和坡度对典型黑土(Mollisol)农田顺坡垄体溅蚀量、溅蚀过程和溅蚀分选特征的影响。研究结果表明:当降雨强度由30 mm/h增加到90 mm/h时,总溅蚀量增加2.5~17.9倍。当坡度由3°增大到5°时,总溅蚀量增加30.52%~74.08%。当降雨强度为30和60 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速减小-缓慢减小-波动稳定的趋势。当降雨强度为90 mm/h时,总溅蚀率随降雨历时呈迅速增加-迅速减小-波动稳定的趋势。整体而言,总溅蚀量随降雨强度和坡度的增加呈幂函数关系。各试验处理下,溅蚀分选水稳性团聚体中均以<1 mm粒级的团聚体为主,平均占总量的79.01%,以0.5~1 mm粒级最多,2~5 mm粒级最少,分别占总量的32.94%和3.36%。30和60 mm/h降雨强度下,分别为<0.25和<2 mm的各粒级团聚体在降雨后期达到波动稳定,其中<0.25 mm的团聚体均呈迅速降低-缓慢降低-波动稳定的变化趋势。90 mm/h降雨强度下,1~5和<0.25 mm各粒级团聚体均呈线性平稳变化,其中<0.25 mm的团聚体呈线性减少趋势。研究可为东北黑土区水蚀防治提供科学依据。