紫色土坡面细沟形态变化及其对产流产沙的影响

[目的]揭示紫色土坡面细沟形态特征及其对产流产沙的影响,阐明紫色土区影响细沟产流产沙的主控因素,进而为紫色土区水土流失治理提供参考依据。[方法]以紫色土坡耕地为研究对象,设计3个流量(6,8,10 L/min)和5个坡长(1,2,3,4,5 m),利用放水冲刷试验定量分析细沟形态和产流产沙变化特征,探讨细沟形态变化对产流产沙特征的影响。[结果]随流量增加,沟宽和沟深均呈增大趋势,宽深比则呈减小趋势;随坡长增加,沟宽与宽深比呈先减小后增大的趋势,沟深变化规律则相反,且细沟形态在坡长3~4 m存在突变。流量与产流率、产沙率和细沟侵蚀速率呈正相关关系,坡长与产沙率呈正相关关系,而与产流率和细沟侵蚀速率呈负相关关系,其中产流率主要受流量的影响,而产沙率和细沟侵蚀速率受流量和坡长交互作用的影响较大。相关性分析表明,相比于产流(r=0.54,p<0.05),细沟形态与产沙关系更为密切(r>0.67,p<0.01)。通过多元逐步回归分析发现,沟宽是影响细沟侵蚀速率的关键因素(p<0.05),沟深是影响产沙率、累积产沙量的关键因素(p<0.01)。[结论]沟宽与沟深可用于预测紫色土坡面侵蚀程度,其中沟深是表征侵蚀产沙的最佳指标,未来细沟侵蚀防治措施重点应在控制沟深发育方面。

黄土坡面细沟流速随细沟发育的特征

研究细沟流速特征是对细沟侵蚀发育机理探讨的必要方面,通过不同雨强(1.5,2.0,1.0mm/min)连续室内纯净水人工模拟降雨试验,分析不同坡度(10°,15°,20°,25°)、不同坡长(5,10m)条件下细沟流速随细沟发育的变化特征。结果表明,坡面发生细沟侵蚀且再降雨小于前降雨强度的条件下,细沟流速随时间变化的差异极小,可以利用坡面平均细沟流速进行此阶段的相关研究分析;相同降雨条件下,坡长对细沟流速的影响不显著,细沟流速与细沟流路之间的关系应作为进一步研究对象;细沟流速与坡度呈负相关关系,随着降雨进行,细沟的发育,相关程度逐渐增大。

黄土坡面细沟发育过程及侵蚀产沙特征研究

研究细沟发育及其产沙特征对细沟侵蚀预报模型至关重要。采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,在不同坡度(10°,15°,20°,25°)和不同雨强(1.5,2.0mm/min)条件下,研究了细沟的发育过程,并讨论分析各发育阶段产沙特征及其影响因素。结果表明,根据坡面含沙量与细沟形态的变化特征,细沟侵蚀过程可划分为面蚀、细沟雏形、细沟发育、细沟调整4个阶段;各阶段的侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例均不同,其中细沟发育阶段最大,约占总侵蚀量的40%;各阶段持续时间随着坡度的改变而改变;雨强增大对细沟间与细沟流速有促进作用,细沟流速为细沟间流速的0.75～1.77倍;坡面侵蚀速率受雨强与坡度的影响很大,在同一坡面上细沟流速与侵蚀速率的关系更紧密,但二者的定量关系有待进一步探索。

陡坡细沟含沙水流剥蚀率的试验研究及其计算方法

细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少 ,这一概念已在一些侵蚀模型 (如 WEPP)中得到应用。用黄土高原一种典型的粉壤土 ,在 5种坡度 (5°,10°,15°,2 0°,2 5°) ,3种流量 (2 ,4,8L/m in)条件下进行了细沟侵蚀模拟试验 ,试验沟长 0 .5～ 8m。通过 40 5次试验 ,确定了不同坡度、入流量条件下 ,侵蚀产沙量与细沟长度的定量函数关系。在假定细沟径流和土壤侵蚀沿细沟的行为相同条件下 ,提出了一种计算含沙水剥蚀率的方法 ,并进一步表达了细沟剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系。实验结果在 15°,2 0°,2

含碎石紫色土坡面降雨入渗和产流产沙过程

在室内土槽模拟降雨试验基础上，观测了具有不同碎石体积含量紫色土的降雨人渗地表产流产沙量以及细沟间径流和细沟径流的流速，以期建立碎石含量与土壤流失的定量关系。研究结果表明：土壤中碎石混合对降雨人渗有正负两方面的影响，当碎石含量为20％～30％时，碎石的存在增强土壤入渗能力，当碎石含量提高到30％时，土壤的入渗能力被削弱。土壤中碎石混合通过不同的作用机制对坡面细沟间径流流速和细沟径流流速产生不同的影响，随着碎石含量的增加，细沟间径流平均流速逐渐增加，细沟径流的平均流速逐渐降低。土壤中碎石混合通过改变土壤的物质组成和结构，增强土壤的抗蚀性和抗冲性，随着碎石含量的增加，径流含沙率和土壤流失量显著降低，土壤流失比与碎石含量呈极显著指数负相关关系。

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段>细沟发育阶段>细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率>坡度>水流剪切力>单位水流功率=流速>流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。

黄土坡面细沟径流流速的试验研究

采用室内放水冲刷试验法在12m长土槽上进行细沟径流流速试验,研究在5个坡度（5°,10°,15°,20°,25°）和3个流量（2,4,8L/min）条件下黄土细沟径流流速沿坡长变化的规律。结果表明：细沟径流流速与坡度、流量呈幂函数关系,流量指数b变化范围为0.267 7-0.425 1,流速随坡度和流量增加而增加;细沟径流流速沿坡长先迅速增加,然后增加速度减缓,在8-12m处流速趋于稳定,达到临界值;细沟径流流速与坡长之间存在幂函数关系,坡长指数d从0.074 7到0.326 5,与已有研究相比,不完全处于流速与流量的幂函数方程中流量指数的变化范围0.263 6-0.667 0之内,因此本试验设计内的细沟水流流速变化是由流量和坡长的共同作用影响的。

紫色土细沟剥蚀率对近地表水流作用的响应

近地表水流的存在会加剧土壤侵蚀过程,剥蚀率是土壤侵蚀预报模型的重要物理参数,其对近地表水流的响应值得进一步研究。采用限定性细沟模拟冲刷试验,探讨不同工况条件(3个近地表水流饱和深度5,10,15 cm;3个坡度5°,10°,15°;3个流量2,4,8 L/min)下紫色土细沟剥蚀特征。结果表明:不同近地表水流饱和深度下细沟剥蚀率随沟长和含沙量分别呈指数和线性下降,剥蚀能力在近地表水流饱和深度为15 cm时最大,随着近地表水流饱和深度减小而减小;多元非线性回归方程分析表明,细沟剥蚀率与流量、坡度和近地表水流饱和深度均呈正相关关系,其标准化系数分别为1.14,0.72,0.36,说明细沟剥蚀率在近地表水流存在的条件下对流量的敏感性大于坡度。研究结果为紫色土近地表水流作用下细沟侵蚀机理提供一定的理论依据。

不同流量级组合下细沟侵蚀产沙机理研究

不同降雨径流条件下,黄土高原地区坡耕地会产生土壤侵蚀,影响坡耕地品质和农业灌水均匀度。为探明不同流量类型条件下该地区细沟侵蚀产沙机理,采用室内放水冲刷试验,对4种流量类型(凹陷型(5.0-2.5-7.5 L/min)、峰值型(2.5-7.5-5.0 L/min)、均匀型(5.0-5.0-5.0 L/min)、增加型(2.5-5.0-7.5 L/min))与3个坡度(4°、8°、12°)组合工况下的细沟侵蚀产沙过程进行研究。结果表明:同一坡度下,土壤剥蚀率最大的流量类型为峰值型,均匀型流量类型冲刷下的剥蚀率次之(除坡度4°外);峰值型、凹陷型和增加型的土壤剥蚀率分别为均匀型的1.36倍、0.91倍和0.95倍;土壤剥蚀率与坡度显著相关(P<0.05),且随坡度的增大而增大;土壤剥蚀率与水流强度参数(剪切力、水流功率、有效水流功率)之间的关系均能很好地用幂函数描述(R^(2)=0.37~0.94);土壤剥蚀率与消能率呈正相关(幂函数关系),且峰值型的土壤剥蚀率与消能率间的相关性最强,其次是增加型和均匀型,凹陷型最弱;细沟水流挟沙系数变化范围为20.84~83.57,平均值为52.21,相对应的不淤保证率为95%。各研究结果对阐明不同流量级组合冲刷下黄土高原地区黄绵土土质坡面侵蚀产沙机理具有重要意义,可望为该地区侵蚀预报模型的建立和防治侵蚀提供理论支持。