间歇性降雨条件下施肥后红壤坡耕地氮磷迁移特征

为了探究间歇性降雨对施肥后的红壤坡耕地中氮磷的持续性迁出特征,于2022年7—8月通过间歇性实施8次室内人工降雨模拟试验,观测施肥后红壤土中地表径流和壤中流氮磷浓度及通量变化,分析径流中不同形态氮磷的初期冲刷规律。结果表明:(1)将整个间歇性降雨试验看作一个完整的降雨周期,氮素在壤中流中的累积流失量大于地表径流,而磷素的流失以地表径流为主。地表径流和壤中流中氮磷的累积流失量与累积产流量之间存在显著相关关系,可以用指数函数或对数函数对两者的关系进行拟合。(2)红壤坡耕地较易产生初期冲刷现象,径流中各污染物发生初期冲刷的强度依次为:溶解态磷(TDP)>总磷(TP)>颗粒态磷(TPP)>氨氮(NH_(4)^(+)-N)>总氮(TN)>硝态氮(NO_(3)^(-)-N)。(3)NH_(4)^(+)-N、TP、TDP和TPP的迁出主要集中在前3次降雨,且地表径流中的浓度始终大于壤中流,壤中流发生初期冲刷的强度略高于地表径流。NO_(3)^(-)-N和TN随径流的迁移呈现前期地表径流浓度高而后期壤中流浓度高、地表径流初期冲刷现象更为显著的特点。上述结果表明,控制施肥后前几场降雨产流中的氮磷流失及壤中流氮的长期持续流失,是防控华南地区红壤坡耕地面源污染的有效途径。

连续性与间歇性降雨下土壤结皮与入渗的关系模拟

[目的]为探究连续性和间歇性降雨条件下土壤结皮与入渗性能间的变化关系。[方法]选取3种典型耕作层黄土,通过室内模拟降雨试验,分析不同降雨条件下土壤结皮强度和黏结力与入渗性能的关系。[结果](1)入渗性能随连续性降雨历时及间歇性降雨场次的增加而减小;同等降雨历时和降雨强度下,间歇性降雨的减渗效应高于连续性降雨。(2)土壤结皮强度和黏结力随连续性降雨历时和间歇性降雨场次的增加而增加;褐土和黑垆土的入渗性能与结皮强度和黏结力呈显著线性相关(p<0.05),连续性降雨历时越长、间歇性降雨场次的越多,土壤结皮强度、黏结力以及减渗效应越大;沙壤土的入渗性能与结皮强度和黏结力则呈显著的非线性相关(p<0.05)。(3)结皮的MWD和GMD越小,入渗性能越差,减渗效应越大;关联度分析结果显示,间歇性降雨对入渗性能的影响较高。[结论]相同雨强条件下,间歇性降雨下能形成更坚实的结皮,对土壤入渗性能的削弱能力更强。研究结果可为黄土高原防治水土流失、有效利用水资源提供参考依据。

间歇性降雨条件下黑土溅蚀团聚体分选特征

[目的]为探究间歇性降雨对黑土溅蚀量和溅蚀分选特征的影响。[方法]基于人工模拟降雨试验,设计2个降雨强度(40,70 mm/h),每个降雨强度5场降雨,分析不同降雨条件下黑土溅蚀量和溅蚀团聚体粒径分布特征。[结果]2种降雨强度下,不同降雨场次土壤表层存在“无结皮-弱结皮-强结皮-弱结皮-新结皮”强弱交替的结皮动态发育过程。2种降雨强度下,溅蚀团聚体MWD和GMD均在第4场降雨出现最大值,在第1次降雨出现最小值。每场降雨5~2 mm粒级的团聚体均基本未发生迁移,溅蚀团聚体均以2~0.25 mm粒径为主,分别占2种降雨强度溅蚀量的36.49%~58.61%和49.10%~60.09%。5场降雨的溅蚀量随粒径减小呈先增加后减小的变化趋势,而粒径<0.053 mm质量百分数随间歇次数增加的变化趋势为先降低再增加,粒径<0.053 mm质量百分数均在第3场降雨出现最小值,分别为18.21%和17.63%。[结论]降雨导致土壤结皮的形成,且随降雨次数的增加结皮厚度呈现动态变化,在第3场降雨土壤结皮厚度最大,此时溅蚀量有最小值,且主要以>0.053 mm为主。研究结果为东北黑土区土壤水蚀机理研究提供参考。

间歇性降雨对滑坡稳定性的影响

在导致滑坡失稳的众多因素中,降雨是影响边坡稳定性的重要因素。降雨是一个随时间变化的函数,那么对边坡稳定性的评价也应是一个长期的过程。本文考虑80 d内3次降雨对四川宝兴县硗碛乡泽根一社H2滑坡稳定性的影响,并采用GEOSTUDIO中的SLOPE/W和SEEP/W模块对其稳定性进行评价,结果表明:第一次降雨对边坡稳定性的影响最为显著;第二次、第三次降雨过程中边坡稳定性有所降低,但在雨停后,很快又稳定到降雨前的水平。本研究可为间歇性降雨情形下长期评价边坡稳定性提供借鉴和参考。

间歇性降雨对黄土坡地水土养分流失的影响

坡面水土养分流失是研究农业非点源污染方面的核心问题,涉及土壤侵蚀、坡地水文和环境治理等方面的内容。以黄土坡地为研究对象,利用人工降雨模拟试验,分析间歇降雨时坡地产流-入渗-土壤侵蚀过程,以及通过预先在坡地喷施养分(NH_4^+-N、NO_3^--N、PO_4^(3-)-P),研究间歇降雨时坡面水土流失以及土壤溶质的迁移规律。试验采用针孔式人工模拟降雨器进行模拟降雨,对试验坡地间歇性进行3次降雨,雨强恒为100mm/h,每次降雨历时60min,降雨间隔时间60min。结果表明:(1)3次降雨的初始含水率不同,但产流规律相似,降雨径流率均为先增大后趋于平稳。(2)3次降雨产生的泥沙累积量分别为250.91,100.20,79.76g,第1次降雨的泥沙量远高于第2,3次。泥沙率先迅速增大到峰值然后缓慢减少,平均泥沙率随降雨次数的增多而递减。(3)对于非吸附性的NO_3^-、NH_4^+,3场降雨过程中溶质浓度均呈现由高降低并逐渐平稳的变化趋势;PO_4^(3-)-P浓度的变化规律却略显不同,降雨初期溶质浓度先短暂升高,然后再由高降低并逐渐平稳。(4)3次降雨的NH_4^+-N、NO_3^--N、PO_4^(3-)-P的径流总流失量分别为535.33,1 058.18,400.79mg,其中NO_3^--N流失量最多,PO_4^(3-)-P流失量最少。随着降雨次数的增加,不同降雨次数下的NH_4^+-N、NO_3^--N、PO_4^(3-)-P径流流失量均逐渐减少,流失量较前次降雨分别降低了19%,14%、3%,62%和57%,28.3%。因此,通过对间歇性降雨条件下黄土坡地水土溶质迁移特征的研究,对揭示降雨-径流-土壤相互作用过程和土壤养分迁移机理具有重要意义。

单次和间歇性降雨下紫色土坡地壤中硝氮迁移特征

为探究不同降雨条件下不同观测时期硝氮在紫色土坡地中的迁移特征,通过室内土槽和人工模拟降雨装置,设置单次降雨和间歇性多次(12次)降雨条件,分别探讨短时期和长时期下的紫色土壤中硝氮迁移特征。结果表明:在单次降雨后短期内紫色土坡地距地表15 cm处土壤水和硝氮均匀地向下距地表35 cm土壤坡脚处迁移,而在间歇性12次降雨条件下,前6次降雨中观测点硝氮浓度由初始345.7 mg/L急速下降至99.7 mg/L;第7次到第9次降雨过程中硝氮浓度由平均值69.7 mg/L缓慢减少至52.0 mg/L,在最后的降雨中趋于稳定不变。随着降雨发生,硝氮在土壤中主要向下迁移,且坡顶处硝氮的迁移幅度最小,壤中流携带流失的硝氮浓度值约为土壤中硝氮浓度值的1/3。整体上壤中硝氮流失呈现出初期3次降雨后快速下降的趋势。研究结果从间歇性降雨的全新视角为紫色土坡地硝氮迁移流失特征研究提供依据和参考。

考虑库水位与间歇性降雨联合作用的库区古滑坡稳定性研究

为研究库水位骤降联合间歇性降雨对库岸古滑坡渗流稳定的影响,基于非饱和渗流原理,考虑不同速率库水位骤降、不同类型间歇性降雨及降雨发生时刻,利用Geo-Studio软件对滑坡在库水位骤降遭遇间歇性降雨时的渗流特性、位移变形及稳定性进行了有限元模拟。结果表明:静库水位下孔压呈间歇式升降,中部孔压最大且发生时刻最迟,此时表层位移最大,易发生浅层滑坡;库水位骤降速率和孔压消散的快慢呈正相关,中上部具有表层滑坡风险,下部埋深20~25 m处具有深层滑坡趋势;降雨发生时刻越早,孔压达到峰值越快,库水位骤降初期遭遇间歇性降雨主要影响滑坡上部位移变形,而骤降后期发生间歇性降雨对滑坡中下部位移变形影响显著。各降雨类型的最小稳定性系数大小为翼锋型>升阶型>中锋型>降阶型,而与库水位组合的滑坡安全稳定影响程度为库水位下降联合间歇性降雨>静库水位下间歇性降雨>单纯库水位骤降。

间歇性降雨作用下含碎石夹层堆积体水气运移规律

我国西南地区广泛分布有第四纪堆积体,针对堆积体内部碎石土层状分布的现象,设计了含碎石夹层堆积体降雨物理模型。并考虑了水气两相共同作用,通过有限元数值模拟进行了验证分析,深入探究含碎石夹层堆积体在间歇性降雨条件下的水气两相运移规律。结果表明:孔隙气压力的存在会阻缓降雨入渗,间歇降雨过程中首场降雨期间坡体内孔隙气压力最低,下渗速度最快;每场降雨结束后,土体内部经历暂态饱和区向非饱和区补给的土体饱和度再分布过程,后续降雨湿润锋的推进存在一定滞后性;孔隙气压力在降雨结束后并不会及时消散,其峰值的到来迟于降雨过程,且随着降雨场次的增加,峰值到得越晚;碎石夹层为孔隙气的排出提供了优势通道,相对于均质堆积体,含碎石夹层堆积体内部孔隙气压力消散时间早、速度快,一定程度上促进了雨水入渗。

间歇性降雨条件下非饱和土边坡降雨入渗的变化规律

本文收集了南宁市2020-2022年5-7月份的详细降雨气象数据,采用Geo-Studio软件中的SEEP/W模块分析不同间隙性降雨条件下,非饱和边坡内部土体含水量的变化情况,总结非饱和土体降雨入渗的规律,结果表明,边坡内部土体含水量变化曲线基本与降雨强度分布相一致,距离地表越近的土体,受降雨影响变化越明显,越往边坡土体深处,受降雨影响程度越小,在地表以下同一深度内,斜坡土体体积含水量大于坡顶和坡脚土体。

间歇性降雨条件下辽西地区坡面细沟形态特征变化试验研究

风蚀和水蚀相互作用是我国北方半干旱地区水土流失的重要原因。以辽西地区风水蚀综合作用区为例,利用实验室试验的方式对辽西地区坡面细沟形态特征变化进行研究,获得了黄土坡面与覆沙黄土坡面在间歇性降雨条件下的细沟形态参数变化特征及其相关关系,结果表明:前两场降雨是黄土坡面细沟的快速形成阶段,而后续场次降雨是细沟稳定发育阶段;覆沙黄土坡面在第三场降雨后细沟发育基本稳定,其侵蚀程度要大于黄土坡面;黄土坡面和覆沙黄土坡面细沟的累计长度、平均宽度和平均沟深之间均呈现出较好的线性关系,属于一个相互耦合的协同作用系统。

间歇性降雨作用下牵引式滑坡的时空演化分析和失稳判据研究

目前,仅以整体安全系数难以准确量化并预测间歇性降雨作用下牵引式滑坡的时空演化过程。针对这一问题,该文提出了点安全系数时程分析方法,利用Python语言二次开发并建立了点安全系数时程计算模型,通过分析整体安全系数、点安全系数、变形位移揭示了间歇性降雨作用下牵引式滑坡的时程演化规律,并结合工程实例验证了模型的合理性。结果表明:1)利用点安全系数的时程计算结果可描述滑动面由坡脚至坡顶逐渐贯通的演化特征,为滑坡牵引段、主滑段和拉裂段的划分提供了充分的理论依据;2)点安全系数和位移相结合可作为牵引式滑坡“启动—变形—失稳”演化过程的评判依据,而整体安全系数不能单独作为评判依据;3)可依据滑坡牵引段、主滑段和拉裂段3部分的位移变化和点安全系数的大小,共同判定滑坡所处的稳定状态(稳定、基本稳定、欠稳定或不稳定),由此形成牵引式滑坡各阶段稳定状态的判定准则,且具备可靠性。该文成果可为中国间歇性降雨滑坡的预警研究提供理论依据和工程指导。

间歇降雨对铁尾砂重构坡面侵蚀水动力学特性的影响

黄土高原夏季降雨集中且多暴雨,铁尾矿砂自身结构松散,堆存坡度大,雨季通常遭受多次暴雨侵蚀,严重限制植被恢复。为有效减少铁尾矿的水土流失,促进生态恢复,在干排铁尾矿砂中添加不同比例土壤和菌糠,形成6种重构坡面:松散铁尾矿砂(LT),结壳铁尾矿砂(CT),铁尾矿砂与菌糠混合物(TM),铁尾矿砂、菌糠和土壤混合物(TSM),铁尾矿砂和土壤混合物(TS),纯土(S)。采用室内人工模拟降雨技术,研究重构坡面在间歇性降雨下的侵蚀特征和水动力因素。结果表明:1)随降雨场次增加,6种坡面的产流率均持续增大,而产沙率表现出明显的分异:LT、CT和TS产沙率持续增大,表现为高产沙型,TS、TSM和S产沙率整体上是先增加后减少,表现为低产沙型;2)随降雨场次增加,6种坡面侵蚀形态也出现分异,可分为2类:LT和CT和TS坡面侵蚀形态严重,细沟发展快,演化为宽深比较小的细沟;TM和TSM和S坡面侵蚀形态轻微,细沟发展缓慢,S坡面演化为宽深比较大的细沟,TM和TSM坡面细沟很少,多为均匀分布的菌糠小坑穴。据此表征坡面侵蚀微地形变化的沟壑面积和地形起伏度,随降雨场次增加持续增大;沟壑密度则随降雨场次先急剧增加,随后由于沟壑形态差异,部分坡面减少;3)6种坡面的坡面流流型均为层流,流态大多为急流;随降雨场次增加,流速、水流功率整体表现为增大的趋势,径流剪切力无明显趋势,阻力系数、曼宁粗糙系数表现出减小的趋势;除径流剪切力,不同降雨场次间水动力学特征差异显著(P<0.05)。6种坡面侵蚀产流产沙可用对数、线性或幂函数较好地模拟。纯尾矿砂坡面侵蚀最为严重,坡面覆土具有明显的减流效果,但添加菌糠的减沙效果最好,因此对于土源缺乏的铁尾矿砂复垦区,同时添加菌糠和土壤可以有效减少侵蚀,易于植被修复。

间歇性与连续性降雨对黄土坡面细沟侵蚀影响的比较

采用室内模拟降雨试验,对比了间歇性降雨与连续性降雨对黄土坡面细沟侵蚀的影响差异,量化了间歇性降雨相对于连续性降雨条件的试验误差,并评估该试验方法在坡面侵蚀模拟中的适宜性。结果表明:(1)低雨强(≤60 mm/h)时,对于间歇性降雨试验,坡面细沟产沙大幅降低,误差达-40.8%,伴随着沟宽、沟深和割裂度等形态指标的减小,误差介于-33%^-45%;产流误差较小,为0.4%。(2)高雨强(≥90 mm/h)时,产流产沙、细沟形态的各项指标误差均不大,为3%~12%,对试验结果影响相对较小。(3)在采用间歇性降雨试验方法时,建议采用高雨强试验条件(≥90 mm/h),才能准确模拟天然降雨的细沟侵蚀过程,且在高雨强时应控制间歇性降雨试验每一阶段的降雨历时,避免累积产沙量的持续快速增长而导致细沟侵蚀剧烈发展,误差进一步增大。由于土壤性质的区别,该试验结果在其他区域的适用性还有待深入研究。研究结果可为坡面细沟侵蚀的过程与机理研究提供技术支撑。

间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩非线性力学响应分析

目前关于抗滑桩力学响应研究还较少考虑间歇性强降雨环境所带来的影响,不能体现多次降雨入渗与太阳辐射蒸发环节,尤其是降雨环境中抗滑桩的非线性力学解析机制研究还十分少见。基于改进的间歇性强降雨Green-Ampt模型,引入非线性Pasternak地基模型,研究间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩的力学响应。首先,考虑干湿循环和水分蒸发理论,提出改进的间歇性降雨Green-Ampt入渗模型,将湿润锋作为潜在滑动面,并假设滑坡土体均质,获取降雨诱发的滑坡推力大小;其次,基于非线性Pasternak地基模型探讨桩-土相互作用,采用Newton迭代差分法求得间歇性强降雨诱发滑坡对抗滑桩的力学响应解;最后,通过与既有工程案例对比,获得较好的一致性。此外,进一步揭示了间歇性降雨总次数、间歇时长、平均温度、边坡倾角及降雨强度等降雨敏感参数对湿润锋特性和抗滑桩力学响应规律。结果表明:当降雨强度从6 mm/h提高到20 mm/h时,抗滑桩位移增幅为116.82%;当温度从10℃上升到40℃时,抗滑桩位移增幅为43.15%;间歇性降雨下湿润锋深度发展呈现“阶梯”上升趋势,存在“欠饱和层→饱和层”;随着间歇性降雨次数的增加,边坡土体湿润锋不断向下推进,当到达一定位置时将诱发滑坡,滑动区厚度和滑坡推力同时增加,抗滑桩变形和弯矩也随之越来越大,其发展趋势呈现出逐渐减小后逐渐收敛至某一特定值;间歇时长和间歇性降雨总次数与抗滑桩变形和弯矩呈现负相关关系;而平均温度、边坡倾角和降雨强度与抗滑桩变形和弯矩呈现正相关关系。

间歇性强降雨下基于Green-Ampt入渗模型的边坡稳定性分析

研究了间歇性强降雨作用下边坡稳定性.间歇性强降雨下湿润锋以上土体将会经受干湿循环作用,考虑干湿循环对边坡土体渗透特性及土水特性的影响,改进了传统Green-Ampt入渗(G A)模型;考虑干湿循环对土体强度的劣化作用,建立间歇性强降雨下边坡稳定性表达式.对于不考虑间歇性强降雨作用的边坡,改进GA模型可简化为传统GA模型,说明传统GA模型是改进GA模型的一个特例;利用改进GA模型和稳定性评价方法得到的结果与工程实际情况基本吻合,证明了该方法的可靠性;根据降雨入渗速率的变化特征,降雨过程可分为稳定阶段、持减阶段和突变阶段等3个阶段;传统GA模型与改进GA模型相比在失稳深度和时间上有较大延缓;仅改进稳定评价方法的传统GA模型与改进GA模型相比在失稳深度上一致,在失稳时间上有延缓.

间歇降雨对红壤坡面土壤侵蚀特征的影响

自然条件下降雨多以间歇形式出现,而坡面土壤侵蚀又是一个渐变发育的复杂过程。通过3个雨强(60,90,120 mm/h)、5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)下的15场室内模拟降雨,研究一、二次降雨条件下不同雨强、坡度及降雨量对红壤坡面径流和侵蚀过程的影响,探讨间歇降雨条件下坡面侵蚀发育过程及其主要影响因素的变化。结果表明:(1)二次降雨的产流时间相比一次降雨均提前,一次降雨径流总量受到雨强、坡度和降雨量的共同影响,15°坡度是径流总量变化的一个转折点,二次降雨时降雨量的作用减弱,各雨强下的最大相差倍数减小,各坡度之间的倍数差距也减小。(2)一次降雨发生细沟侵蚀最主要的动力是降雨强度,大雨强、陡坡情况下细沟侵蚀更容易产生,而15°坡度对细沟侵蚀的产生具有重要作用,此时若发生细沟侵蚀,坡面侵蚀则多以细沟侵蚀为主,二者侵蚀量呈正比例函数关系,二次降雨的细沟侵蚀量和一次降雨过程中细沟发育情况相关,一次降雨的细沟发育越剧烈,二次降雨的细沟侵蚀量越少,此时细沟侵蚀量和总侵蚀量呈一次函数关系。总体来说,侵蚀总量的变化和细沟发育所处阶段紧密相关。(3)间歇降雨条件下,不同雨强、坡度、降雨量对坡面土壤径流和侵蚀过程的影响存在差异;同时,一次降雨土壤径流和侵蚀的变化对后期二次降雨径流和侵蚀的发展具有重要影响,使得在不同土壤侵蚀发展阶段,雨强、坡度、降雨量等因子对坡面土壤径流和侵蚀影响的程度也随之改变。

黄土高原地区鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程及水力学特征

为明确鱼鳞坑坡面抗侵蚀演化过程及其水流水力学特性,采用间歇性人工模拟降雨实验,对鱼鳞坑坡面水流水力学特性以及阻力规律进行了系统分析。结果表明:(1)鱼鳞坑坡面侵蚀演化过程表现为:雨滴溅蚀—片蚀—股流冲刷—跌坑—细沟侵蚀—下切侵蚀—溯源侵蚀—崩塌。(2)随着降雨历时的增加,由于鱼鳞坑的层层拦截与蓄满,其下方的坡面径流流速、水深均呈波动式增长趋势,坑内出现旋涡,坡面径流呈现断续股流。降雨累积历时为58 min左右,总降雨量达到87 mm时,鱼鳞坑侵蚀量急剧增加,拦蓄径流作用失效。(3)五场降雨过程中,上坡和中坡水流流态为层流,下坡由于鱼鳞坑蓄满后径流出现波动,水流流态由层流变为紊流且时而为缓流时而为急流。(4)鱼鳞坑坡面水流阻力来源于降雨阻力、颗粒阻力、形态阻力叠加,在整个降雨过程中阻力总和呈下降趋势;其中,受地形高低起伏、地表糙度的影响,形态阻力一直居于主导地位。