降雨、汇流和坡度对黑土浅沟坡面侵蚀影响的试验研究

[目的]为研究降雨、汇流和坡度对浅沟侵蚀的影响,实施精确的水土保持措施。[方法]通过室内模拟降雨和汇流试验,设计2个降雨强度(50,100 mm/h)和2个坡度(3°,7°),并在4种降雨强度和坡度组合下设置5个依次增加的汇流强度(15,30,45,60,75 L/min),分析降雨、汇流和坡度及其交互作用对浅沟坡面侵蚀的影响,明确浅沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献。[结果](1)坡度和汇流强度对浅沟坡面侵蚀的影响均大于降雨强度。当降雨强度由50 mm/h增加到100 mm/h时,3°和7°对应的坡面侵蚀量分别增加52.3%~81.8%和29.4%~88.4%;而当坡度从3°增大到7°,50,100 mm/h降雨强度对应的坡面侵蚀量分别增加114.3%~395.5%和130.0%~320.9%;当汇流强度由15 L/min增加至75 L/min,坡面侵蚀量增加4.6~13.5倍。同时,汇流强度的增加加剧坡度对坡面侵蚀的作用,而减弱降雨强度对坡面侵蚀的影响。(2)降雨、汇流、坡度双因子和三因子交互作用对浅沟坡面侵蚀的影响以汇流强度-坡度交互作用和降雨强度-汇流强度-坡度三者的交互作用的影响最大,其次为降雨强度-汇流强度交互作用,而以降雨强度-坡度的交互作用的影响最小。(3)不同试验条件下,浅沟侵蚀量占坡面侵蚀量的比例平均在85%以上,且其比例随汇流强度和坡度的增加呈增大趋势。(4)坡面侵蚀速率与水流流速、径流剪切力和水流功率之间均表现为极显著正相关,与阻力系数之间呈显著负相关;且坡面侵蚀速率与水流功率相关关系最优。[结论]研究结果为基于侵蚀动力因子和地形因子及其交互作用的浅沟侵蚀预测模型开发、浅沟侵蚀贡献分离和浅沟侵蚀机理研究提供了科学依据。

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。

不同生草模式下降雨强度对土壤氮磷淋溶特性的影响

为探讨杨梅(Morella rubra L.)林中生草模式和降雨强度对氮、磷淋溶特性以及土壤养分的影响,本试验采用室内淋溶柱法模拟不同林下生草模式[紫花苜蓿(Medicago sativa cv.WL525HQ)单作、鸭茅(Dactylis glomerata cv.Amba)单作和紫花苜蓿-鸭茅混作],研究暴雨和大暴雨强度对淋溶过程(20、40、60 cm)中氮、磷流失以及土壤氮、磷养分的影响。结果表明:生草模式的差异对淋溶氮流失通量有显著影响,紫花苜蓿单作氮流失严重,60 cm处淋溶液中全氮和可溶性氮流失浓度较40 cm处孔隙水增加27%和29%,鸭茅单作能有效降低0~40 cm孔隙水和60 cm淋溶液中全氮和可溶性氮的浓度,60 cm较40 cm处均降低60%左右。生草模式和降雨强度能显著影响磷流失通量,大暴雨强度下紫花苜蓿-鸭茅混作较紫花苜蓿单作、鸭茅单作分别减少70%和60%。相关性分析表明,淋溶液中总氮、可溶性氮、全磷含量与土壤速效氮相关,并且随着降雨强度的增加,生草模式对速效氮的影响增大,大暴雨强度下紫花苜蓿-鸭茅混作后0~40 cm土壤速效氮含量最高为32.6 mg·kg^(-1),到60 cm处3种生草模式无显著差异。研究表明,暴雨强度下,鸭茅单作对减少氮流失通量有显著作用,大暴雨强度下紫花苜蓿-鸭茅混作根平均直径和总根体积的增加,能提高土壤速效氮在20~40 cm处的截留,减少土壤中速效氮成分向深处的迁移,因此,推荐紫花苜蓿-鸭茅混作模式以减少极端降雨下氮、磷流失通量。

不同降雨强度环境下高速公路跟驰模型标定

为了标定不同降雨环境下高速公路跟驰模型,通过实地试验探究了不同降雨强度下驾驶员跟驰行为特性,基于遗传算法对跟驰模型进行标定,并采用交叉验证方式对标定参数进行验证。首先,通过实地试验收集了正常、小雨、中雨及大雨条件下的交通流数据,根据车头时距和车头间距筛选跟驰事件;其次,分析了不同降雨强度下驾驶员跟驰行为的变异性,探究了不同降雨强度下的车头间距和跟驰速度的关系;最后,利用遗传算法对GHR模型、FVD模型以及IDM模型参数进行了标定,并采用交叉验证检验了模型精度。结果显示,降雨强度对高速公路的车辆跟驰行为有显著影响。降雨强度越大,驾驶员倾向于保持更大的车头间距和更低的跟驰速度。大雨天气与正常天气相比,跟驰速度相同时的平均跟驰间距增加30 m以上,跟驰间距相同时的平均跟驰速度降低10 km·h^(-1)以上。标定结果进一步显示,随着降雨强度的增加,跟驰模型中体现驾驶员敏感程度的参数逐渐增加,反映驾驶行为或期望驾驶行为的参数呈现向更加保守方向变化的趋势。交叉验证分析还表明,与GHR模型和FVD模型相比,IDM模型更能有效反映不同降雨强度对驾驶员跟驰行为的影响。

基于TCR模型的台风极值降雨强度预测

近些年台风带来的强降雨与洪水灾害给沿海城市造成严重的经济损失和人员伤亡,极端降雨环境多数是在台风作用下产生的,且极值降雨强度是城市防洪排涝、排水规划和工程设计的雨量计算依据。为更加合理准确地预测极值降雨,文章引入热带气旋降雨(tropical cyclone rainfall,TCR)模型,利用蒙特卡罗(Monte Carlo)技术模拟香港地区的极值降雨强度。对比相关规范与历史数据,该方法能较好地预测极值降雨强度,为后续台风降雨灾害危险性分析和排水工程建设研究提供一定的参考。

基于架构搜索的雷达回波降雨强度分类算法

天气雷达是降雨监测的重要手段,基于天气雷达降雨回波特征实现准确的降雨强度分类至关重要。文中提出了基于3D注意力模块的CNN(EA-CNN)进化搜索算法,算法利用遗传算法(GA)自动搜索最优结构,快速优化CNN架构的宽度与深度,准确找到最佳CNN结构,具有很强的泛化能力。算法引入3D注意力模块有效抑制分类中的干扰像素问题,能够准确提取各强度降雨特征,帮助相关人士从雷达回波中快速获取降雨分级结果。实验表明,与4种经典的算法(KNN、SVM、VGG、ResNet12)相比,所提出的算法在人力、物力等成本上更具竞争性,分类准确率提升7.95%。

降雨强度和植被覆盖对岩土边坡产流产沙的影响研究

为了研究降雨强度和植被覆盖对岩土边坡产流产沙的影响,本文通过模拟降雨试验,依托坡耕地水土保持工程,分析了不同雨强下径流量和产沙量变化。结果表明:(1)随着降雨的增大,径流小区的径流量随之增大,其中荒地(A小区)的径流量最大,在植被类型相同的小区,植被覆盖率越大,小区的径流量越小。(2)不同雨强下,荒地的径流量大于植被覆盖的小区,其中覆盖率为85%混合植被小区(B7小区)径流量最小。(3)相同的降雨强度下,荒地(A小区)的产沙量最大,覆盖率为85%混合植被小区产沙量最小。因此在水土保持工程中,建议采用草本和灌木混合种植的模式,提高坡面植被覆盖率。

降雨强度对原状黄土强度特性的影响

研究降雨强度对原状黄土力学性质的影响。方法:以济源市小浪底引水隧洞冒顶区域周围的黄土为例,不仅对黄土的基本物理参数、颗粒级配进行试验分析,并且采用了美国RSI ShearTrac-Ⅱ对原状黄土开展了在恒定的剪切速率0.06mm/min下,不同垂直压力下(50kP、100kPa、200kPa、400kPa)不同含水率(10%、14%、18%、22%、26%)下的直接剪切试验,以此研究降雨强度对土体强度特性的影响。结果:试验结果表明黄土的抗剪强度随含水率的增大而减小,并且在低含水率-低应力下呈应力-应变软化,在高含水率-高应力呈应力-应变硬化;土体的粘聚力随含水率的增大逐渐减小,受含水率变化影响较大,但内摩擦基本保持不变。结论:土体的力学特征受降雨强度的控制,为隧洞“冒顶 ”区域的防治提供了理论支撑。

基于二分法的极化相移反演降雨强度算法

降雨强度-极化相移模型的函数表达式较为复杂,难以导出反演降雨强度的解析式.模拟退火法是一种反演降雨强度的有效方法,虽其能够较好地反演降雨强度,但计算耗时较长.针对该问题,提出基于二分法的极化相移反演降雨强度算法.首先将降雨强度反演问题转化为函数零点求解问题;然后采用二分法进行模型解算,并给出了基于二分法的降雨强度反演算法;最后通过仿真实验对新算法的效率进行了验证.结果表明:与模拟退火算法相比,二分法能够在保证反演精度的前提下显著提升反演效率,将每次反演所需平均时间缩短约75%.

降雨强度与降雨历时对返包式加筋土挡墙稳定性的影响

降雨是导致加筋土挡墙在服役阶段变形过大及破坏失稳问题的重要因素,雨水渗入将显著降低墙后土体的基质吸力,进而影响加筋土挡墙的整体稳定性。运用PLAXIS2D有限元软件建立返包式加筋土挡墙耦合计算模型,分析了不同降雨强度与降雨历时下返包式加筋土挡墙基质吸力、面板侧向位移、最大筋材拉力及挡墙安全系数的变化。结果表明,随着雨水的不断渗入,挡墙上部土体的基质吸力大幅下降,抗剪强度降低,挡墙安全系数下降,使得加筋土挡墙稳定性受到影响,整体有向临空面滑移的趋势,面板侧向位移逐渐增大;最大筋材拉力随着降雨强度的增加而增大;在降雨总量相同时,长时弱降雨比短时强降雨对加筋土挡墙稳定性造成的影响更大,安全系数较短时强降雨下降的更多。

基于回归分析的径流小区产流产沙量与降雨强度关系研究分析

以丽水石牛站为例,基于回归分析方法,研究径流小区产流产沙量与降雨强度之间的关系。通过收集丽水石牛站5个径流小区2022年的降雨、产流、产沙量数据,通过回归分析建立产流产沙量与降雨强度关系,并得出结论:随着降雨强度的增加,径流小区的产流量和产沙量也随之增加,呈现出明显的正相关关系,此外各径流小区的产流产沙量大小为裸地>桃树>杨梅>茶叶>茶花,说明种植均能对径流泥沙进行有效拦蓄,可作为防治水土流失的有效措施。

基于过程降雨的红层丘陵低山区滑坡灾害气象预警阈值研究

[目的]研究不同历时降雨强度与区域滑坡灾害的关系,并对滑坡灾害的气象预警阈值进行研究,为地方管理部门地质灾害预警提供科学依据。[方法]收集了2013—2021年研究区348个雨量站的逐小时降雨数据和231处近10 a已发生灾情、险情滑坡事件的时间及位置,基于平均降雨强度(I)—降雨历时(D)模型,分地貌单元,提出了不同降雨历时的临界降雨预警阈值和分级预警阈值。[结果]研究区丘陵地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为29.774,18.579,14.416,11.186,8.679和6.734 mm;低山地貌区不同前期降雨条件下1,3,6,12,24和48 h平均雨强的红色预警阈值依次为28.849,15.542,10.520,7.121,4.820和3.263 mm。[结论]在24 h前期降雨条件下,低山区对降雨的敏感性明显比丘陵区高,具体表现为低山区1,3,6,12和24 h的临界预警阈值明显比丘陵区更低,但随着降雨历时进一步延长,低山区和丘陵区域临界预警阈值趋于相近。

基于降雨强度-历时评价边坡稳定性--以安徽省3个边坡为例

为了探究降雨条件对边坡稳定性的影响,确定降雨阈值曲线,利用FLAC 2D 7.0数值模拟软件对安徽省3个小型边坡进行饱和-非饱和渗流及稳定性分析,获取了边坡安全系数随降雨强度和历时的变化趋势。边坡监测位置处孔隙水压力与饱和度的变化结果显示:降雨对边坡的影响是有限的,降雨历时越长,极限降雨强度越小并趋于稳定,边坡趋于饱和,此时安全系数达到最小值,后续降雨对边坡安全系数影响很小;为确保安全,假设临界安全系数为1.15,对应降雨强度为临界降雨强度,降雨历时越长,临界降雨强度越小并趋于稳定,3个边坡临界降雨强度趋于稳定时分别为13、12和16 mm·d-1,对应的降雨历时分别为5、9和12 d,表明前期降雨对边坡稳定性影响很大。利用这3个边坡的临界降雨强度数据进行降雨阈值曲线拟合,并以435组安徽省2008~2022年历史灾害降雨数据验证该降雨阈值曲线。结果表明:95%以上的灾害数据点可以被该降雨阈值曲线预测。

土柱模拟条件下降雨强度对滇西和豫中典型植烟土壤氮淋失的影响

通过室内土柱模拟降雨,比较不同典型植烟土壤氮淋失差异。选取豫中(襄城县)和滇西(洱源县)典型植烟土壤,设定总降雨量600 mm,模拟3种不同降雨强度P1(0.52 mm/h)、P2(1.04 mm/h)、P3(1.56 mm/h),研究淋溶液渗出量及硝态氮、铵态氮的淋失情况。结果表明,高降雨强度削减土壤持水量,滇西植烟土壤持水量高于豫中。氮素淋失集中出现在淋失初期,硝态氮的淋失浓度及淋失量随降雨量增加下降迅速,铵态氮下降较缓慢。植烟土壤硝态氮、铵态氮淋失总量及淋失速率随降雨强度增加而增加,淋失形态以硝态氮为主,两地平均占比90%,土壤硝态氮的淋失浓度受降雨强度影响不明显,受土壤残留氮含量影响较显著。滇西地区植烟土壤氮淋失量及淋失速率均高于豫中,氮淋失污染风险较高。

沥青道路粗糙度对径流颗粒物冲刷输出特性的影响

采用粗糙度量化沥青道路的表面特征,通过模型模拟、相关性分析等方法分析了道路表面粗糙度对降雨径流颗粒物冲刷输出特性的影响。结果表明:道路粗糙度、降雨强度是影响道路表面径流颗粒物冲刷输出过程的关键因素,道路粗糙度越低、降雨强度越大,道路表面径流颗粒物冲刷效应越强烈、场次降雨径流颗粒物累积冲刷量越大、径流颗粒物冲刷输出总体水平越高;道路粗糙度与降雨强度、径流历时共同影响径流颗粒物粒径分布,道路粗糙度为影响径流颗粒物粒径分布的主导因素,道路粗糙度越低、径流历时越长、降雨强度越大,径流中粒径不小于150μm的颗粒物体积占比越高,粒径小于75μm的颗粒物体积占比越低。

降雨强度对含软弱夹层边坡失稳破坏临界长度影响

为研究降雨强度对含软弱夹层岩质边坡滑移范围的影响,考虑含软岩边坡坡角与岩层倾角关系、裂隙所处位置,采用图解法推导降雨致灾含软弱夹层边坡的失稳临界长度公式,分析验证关键因素对边坡失稳临界长度的影响,确定不同情况下边坡失稳临界长度表达式,并进行实际工程验证。研究结果表明:边坡失稳临界长度与降雨强度函数关系受边坡坡角、岩层倾角、裂隙位置影响;在降雨致灾边坡中,岩层强度参数c、φ和边坡滑移临界长度成反比关系;裂隙积水深度和降雨强度的增加导致边坡滑移临界长度增加,且降雨强度增至裂隙最大容量后临界长度趋于稳定;工程验证表明,所推导公式计算值与实测值在合理误差范围之内。

星载GNSS-R技术反演海面降雨强度及风速和浪高方法研究

星载GNSS-R是一种利用地球表面反射的GNSS信号监测地球物理参数的新兴遥感技术,因其具有时空分辨率高、观测成本低、覆盖范围广和全天候运行等独特优势,已在陆地和海洋遥感领域得到了广泛应用。论文侧重于利用CYGNSS任务收集的星载GNSS-R数据研究海面降雨强度及风速和浪高反演方法,主要研究内容涵盖星载GNSS-R数据质量控制、时延多普勒图(DDM)特征观测值提取、海面降雨检测和强度反演建模、海面风速反演建模、海面浪高反演建模、海面降雨强度及风速和浪高联合反演几个方面。主要研究成果和贡献如下。

不同降雨强度对亚热带水源水库浮游植物群落结构的影响及其驱动因子

为了解降雨事件对亚热带水库浮游植物群落结构的影响,于2022年5月和6月分别在两次不同强度降雨期间进行浮游植物采集调查。结合浮游植物门分类和功能群分类方法,运用非度量多维尺度分析(NMDS)探究两次降雨以及降雨前后浮游植物群落的差异性,并采用冗余分析(RDA)和方差分析(VPA)探明浮游植物群落结构演替的驱动因子。结果表明:共检出浮游植物8门69属125种,功能群划分为11种,其中S1、SN、MP和N为主要功能群。降雨Ⅰ和降雨Ⅱ前后浮游植物群落结构均发生了变化:降雨Ⅰ期间由蓝藻向硅藻演替,且雨期硅藻占优;降雨Ⅱ期间由蓝藻向硅藻和绿藻轻微演替,但蓝藻始终处于绝对优势地位。雨期功能群SN和S1丰度百分比减小,而MP或N丰度百分比增大,与蓝藻向硅藻或绿藻演替的变化特征一致。冗余分析和方差分析表明,混合层深度(Z_(mix))、水温和营养盐共同驱动了浮游植物群落的演替,且门分类比功能群分类能更好地解释浮游植物群落变化。本文可为降雨条件下浮游植物的响应机制研究提供参考。

基于民用相机视频的降雨强度监测方法

为提高城市水文过程的监测效果,针对民用相机拍摄的降雨视频影像,设计和验证一种降雨强度视频监测方法(Video to Rainfall Intensity method,V2RI方法),通过对视频图像逐帧处理进行雨滴识别、计算雨滴速度,进而利用雨滴速度-直径关系和降雨强度-雨滴谱特征关系进行降雨强度的反演,方法具有一定的稳定性。验证结果表明,该方法能适用于民用相机所拍摄的日间降雨视频,对不同强度降雨过程均能够进行有效的降雨强度监测。

降雨强度对道路渗滤系统净化性能的影响研究

透水沥青混凝土作为一种生态环境友好型渗滤系统工程设施,现已广泛应用于道路工程建设,其减少雨水径流污染,改善地下水质量的效果受到降雨强度的影响,为此,本文章开展了深入研究。以降雨模拟平台为基础,制备单、双层透水沥青路面试件,选取五种不同降雨强度分别进行模拟试验。通过试验及结果分析得出,降雨强度对透水沥青混凝土净化道路径流污染的影响规律,为透水沥青混凝土的工程设计及应用推广提供了参考。