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。

黄绵土坡面细沟侵蚀剥蚀能力试验

为研究黄土坡面细沟侵蚀规律,探究水流剥蚀能力的室内测算方法,以黄绵土为研究对象,设置2,4,6,8 L/min 4个流量,5°,10°,15°,20°4个坡度,土槽长度为12 m,进行室内径流冲刷试验,得到黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长和输沙能力,基于二者之间的函数关系,推导出剥蚀能力的计算公式,以此研究不同试验条件下临界沟长、输沙能力和剥蚀能力的变化规律,并验证方法的准确性。结果表明:在设计水力工况条件下,黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长的变化范围在5.33~11.12 m,且临界沟长随流量和坡度的增加而缩短;输沙能力随流量和坡度的增大而增大;剥蚀能力与流量之间存在明显的线性关系,与坡度之间存在较好的对数关系。试验方法与其他方法相比,操作便捷、结果吻合度高,能较好地确定黄土区细沟侵蚀的剥蚀能力。研究结果可进一步完善黄土坡面细沟侵蚀理论。

细沟股流剥蚀率与载沙量以及沟长的耦合关系

土壤剥蚀是指由侵蚀动力引起的土壤颗粒从土壤母质移动的过程。细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少 ,已有的一些侵蚀模型 (如 WEPP)均提到了这一点。用黄土高原一种典型的粉壤土 ,在 5种坡度、3种流量下进行了细沟侵蚀模拟试验。对试验结果进行了回归 ,分析了黄土高原斜坡及陡坡地、细沟股流剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系。这对细沟侵蚀动力过程的研究深入 。

川中紫色丘陵坡耕地细沟发生临界坡长及其控制探讨

细沟侵蚀是坡面土壤侵蚀的主要形式之一,是介于片状侵蚀与沟道侵蚀之间的一种侵蚀类型,细沟一旦发生,坡面侵蚀量将成倍增加。由于细沟侵蚀的发生需要一定的坡长来汇集径流,对于某一坡度的地块,一次暴雨中细沟总是表现在一定的坡长处发生,这一坡长称为细沟发生的临界坡长。在细沟发生的临界坡长处采取措施控制细沟的发生将大大降低坡耕地水土流失量。通过人工降雨试验发现:细沟发生过程分为片蚀为主阶段、跌坎发育阶段、细沟侵蚀为主阶段和雨后径流侵蚀阶段,紫色土坡耕地细沟的发生以坡面跌坎的贯穿为标志;10°、15°、20°、25°坡耕地细沟发生的平均临界坡长分别为6.25,4.19,2.77,1.60 m;细沟发生临界坡长与坡度呈二次抛物线关系。在人工降雨试验基础上,总结了以控制细沟发生为核心的"大横坡+小顺坡"耕作模式,通过构建横坡截流沟分割地块,实施有效的拦截径流,减少坡面侵蚀泥沙。

细沟侵蚀动力过程极限沟长试验研究

由细沟产生的野外动力条件 ,设计了室内细沟侵蚀模拟冲刷实验。从能量角度 ,分析了不同动力条件下侵蚀产沙量随沟长的变化规律。采用黄土高原黄绵土 ,在实验室内用水槽进行了 5种坡度、3种流量下不同沟长时的细沟土壤侵蚀产沙的模拟侵蚀试验 ,测量沟长为 0 .5～ 8m。提出了由细沟侵蚀产沙随沟长变化函数关系的回归结果 ,在给定误差限下 ,估计水流含沙量达到极限值——水流输沙能力的细沟长度的计算方法。并据此方法 ,求得了不同坡度、流量条件下细沟侵蚀产沙达到极限值的细沟长度 ,且在不同水动力条件下的 R2均大于 0 .81。

不同坡长与雨强条件下坡度对细沟侵蚀的影响

采用室内纯净水人工模拟降雨试验,以坡度为10°,15°,20°和25°,土槽为5,10m2两种规格,进行了降雨强度分别为1.5和2.0mm/min的降雨试验。利用三维激光扫描仪对每一场降雨前后的坡面进行监测,分析了不同坡长,降雨强度条件下坡度对细沟侵蚀的影响。结果表明,产流时间随坡度的变化并没有显著的规律性,跌坎出现时间随坡度的增加而缩短,产流时间与跌坎出现时间主要由降雨强度控制,坡长增长对产流时间的提前有促进作用。径流量随着坡面由缓变陡呈现先增加后减少变化,在降雨总量相同,不同雨强条件下,坡面径流量差异不大。坡面侵蚀量随坡度的增加而增大,降雨强度在一定程度上增强坡度对侵蚀量的影响,而坡长在一定程度上会减弱坡度的影响。侵蚀速率随降雨历时的变化速度随坡度的增加表现为先增加后减缓,并存在临界坡度。降雨强度和坡长会增强坡度对侵蚀速率的影响。

三峡库区紫色土坡耕地细沟发生的临界坡长

采用人工暴雨试验发现:相同土壤含水量条件下,10,°15,°20,°25°紫色土小区在130 mm/h雨强降雨下细沟发生的临界坡长平均值分别为6.13,4.12,2.72,1.55 m,细沟发生的临界坡长与坡度呈二次抛物线关系;土壤含水量变幅为16%～26%条件下细沟发生临界坡长先增长后变短。据此总结了采用地埂防治坡耕地细沟侵蚀的治理模式,针对不同坡度地块细沟发生的临界坡长,采用地埂或者分割地块,并在地埂上种植经济效益高的植物篱,既控制了细沟的发生,又弥补了地埂占地导致的农业减产;同时在旱季和雨季分别调整边沟的尺寸,调整地块土壤含水量从而控制细沟因含水量变化导致的细沟发生临界坡长缩短。

短坡条件下侵蚀产沙与坡长的关系

采用变雨强人工模拟降雨,选择1~10 m共7个坡长,在5°条件下研究了侵蚀产沙量及其过程与坡长的关系,每个坡长进行干运行和湿运行降雨。结果表明：（1）干运行降雨40~80 min,虽然雨强逐渐减小,但4 m及以上坡长小区的径流含沙量保持较高的水平并出现跳跃,而1 m和2.5 m的小区的径流含沙量在整个降雨过程中较平滑;湿运行含沙量总体上小于干运行,且波动幅度较干运行小。（2）2 h降雨平均含沙量随着坡长的增加而增加,可用二次多项式、幂函数及直线来拟合。（3）侵蚀模数与坡长呈幂函数关系,细沟间和细沟侵蚀模数的坡长指数分别为0.101~0.240和0.757~1.609,表明随着坡长增加,细沟间侵蚀增加较小,而细沟侵蚀增加迅速;干运行的坡长指数均大于湿运行的波长指数。

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。

次降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征

采用室内人工模拟降雨试验,设计试验坡度为10°、15°、20°、25°,降雨强度为90和120 mm/h,坡长为5和7m,研究不同降雨条件下降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征。结果表明:1)侵蚀泥沙分形维数与黏粒、粉粒体积分数呈极显著正相关,与砂粒体积分数呈极显著负相关;2)侵蚀泥沙分形维数随降雨强度增强有减小趋势,受坡度、坡长影响变化规律不明显,在5 m坡长条件下,侵蚀泥沙分形维数随着降雨历时的延长有先降低后升高趋势,7 m坡长条件下,10°、15°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数随降雨历时变化规律不明显,而在20°、25°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数有随降雨历时增大趋势;3)坡度为10°的条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显小于细沟出现前,在坡度为15°、20°、25°条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显高于细沟出现前。

侵蚀细沟水力学特性及细沟侵蚀与形态特征的试验研究

本文进行了一系列水槽试验 ,研究不同长度的侵蚀细沟在坡度及入流量影响下的浅水水流水力学特性、侵蚀量及细沟的形态特征 .所采用的土壤材料为砂壤土 ,试验使用四种入流流量 ,四种坡度 ,四种细沟长度 .记录水流速度、沟宽及径流中的泥沙含量 ,并用多元回归方法分析了它们与坡度、入流量或它们的交互项之间的关系 .提出了一种数学模型来描述试验中沟宽的周期性形态变化 .提出了通过试验得出的不同细沟长度的产沙量来确定水流输沙能力的方法 ,并得出出测定输沙能力的采样长度为 2～ 4m 。

暴雨细沟侵蚀的调查研究

本文通过对1988年8月4～5日和1989年7月16日陕北安塞水土保持试验站出现的两次大暴雨细沟侵蚀的分析研究,得出了野外大暴雨条件下细沟侵蚀量随坡长增加近线性增大;与坡度的关系为,当坡度小于25°时,随坡度增大而增大,当坡度大于25°时,随坡度增大而减小;细沟侵蚀量在不同农耕地的变化为,翻耕后麦地>荞麦地>水平沟谷地>一般耕作豆地,细沟侵蚀量在坡面总侵蚀量中所占的比重为50％～75％。

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。

晋西黄绵土坡面细沟形态及其对产流产沙的影响

基于室内人工模拟降雨试验方法,选取细沟密度、细沟割裂度和细沟宽深比3个细沟形态指标,对晋西黄绵土坡面细沟形态演变特征进行分析,并探讨了降雨条件下不同坡长坡面细沟形态对产流产沙规律的影响。结果表明,晋西黄绵土坡面细沟形态演变过程为:先形成跌坎,跌坎贯穿发育为细沟,再形成细沟网,最后发生细沟崩塌。细沟密度与割裂度均随坡长和雨强的增大而增大,细沟宽深比随二者的增大而减小;坡长对细沟密度和细沟宽深比的影响较雨强敏感,而降雨强度对细沟割裂度的影响更加敏感。坡面平均产流率随坡长的变化可用线性函数描述(R2>0.95),平均产沙率随坡长的变化可用幂函数描述(R2>0.96),二者均随坡长和雨强的增大而增大。相关性分析表明,产流产沙率与细沟割裂度在0.01水平上呈极显著正相关,相关系数均大于0.97,与细沟密度在0.05水平上呈显著正相关,相关系数均大于0.70。

暴雨条件下黄土高原长陡坡耕地细沟侵蚀特征

细沟侵蚀是黄土高原坡耕地侵蚀的重要形式,已有的坡耕地细沟研究成果主要集中于裸土细沟侵蚀特征及其发生机制的小区或水槽试验,极端暴雨条件下细沟侵蚀观测很少,对于田间细沟侵蚀的预报仍然缺少实用的方法。该研究旨在基于实地测量数据,分析极端暴雨条件下黄土高原长陡坡耕地细沟侵蚀特征。2017年无定河流域“7.26”暴雨后,在暴雨中心附近选择15个样地进行细沟侵蚀测量,结合Google影像和无人机航拍影像,调查分析不同类型坡耕地细沟侵蚀特征。研究结果表明:1)暴雨条件下坡耕地是坡面细沟侵蚀的主要地类。长陡坡裸露坡耕地侵蚀模数为22478 t/km2,坡长20 m时,约为种植作物的平作坡耕地的1.5倍,且坡长越长,差异越大。等高垄作能够有效减少细沟侵蚀。撂荒坡耕地细沟侵蚀模数仅为裸露坡耕地的12%,草地未发现细沟侵蚀。2)幂函数可以很好地拟合细沟侵蚀模数与坡长的关系,裸露坡耕地坡长指数为0.831。暴雨强度越大,坡长指数也越大。3)上坡来水在坡耕地上造成了严重的细沟侵蚀,与地块上承接的降水相比,上坡来水对细沟侵蚀的影响更大。坡面浅沟汇水明显减小细沟侵蚀强度,浅沟发育程度越高,细沟侵蚀强度就越小。该研究可为估算黄土高原丘陵区不同类型坡耕地的细沟侵蚀提供重要参考。

黄绵土细沟水流输沙能力对地表冲刷流量的响应

为明确黄绵土在径流冲刷下的细沟侵蚀特征和产流产沙规律,通过细沟模拟,设计3个流量(2,4,8 L/min)和4个坡度(5°,10°,15°,20°),在变坡土槽中进行室内冲刷试验,实测不同坡度和流量下黄绵土在坡面细沟发育过程中产生的最大径流含沙量,并得到其相应的输沙能力(A)。结果表明,当坡度一定时,输沙能力随流量增大呈线性增大,且坡度越大增幅越明显;当流量较小时,输沙能力随坡度增加而缓慢增加,当流量达到8 L/min时,输沙能力随坡度增加的幅度更为明显,但坡度上升到15°以后几乎不再变化,说明流量对输沙能力的影响更为显著。含沙量(c)随沟长(x)的变化规律符合数学模型c=A(1-e^(-Bx)),控制所有流量坡度组合在不同沟长(1,2 m)条件下进行冲刷试验,将冲刷测量得到的径流含沙量与各组合下的输沙能力(A)代入关系式,利用待定系数法计算出不同试验条件下含沙量随沟长变化的衰减系数(B)。研究结果可为黄绵土水土保持研究与实践提供理论基础与科学依据。

人工模拟降雨下细沟与细沟间流速的沿程分布

径流流速不仅是坡面径流的重要水动力学特性，而且是计算其他水力特性及侵蚀产沙的重要参数，本文目的在于研究坡面细沟流和细沟间薄层水流流速沿坡面的变化过程，比较细沟和细沟间径流流速的差别。实验选取1m、2．5m、4m、5．5m、7m、8．5m和10m共7个坡长的小区（均为5。），装填粉壤土，采用历时2h、总雨量121mm的变雨强人工模拟降雨，在固定的降雨时段用染色法测量不同坡段细沟和细沟间的径流流速，每个坡长进行干、湿运行降雨各1场，两者间隔24h。结果表明：（1）在各坡长上，细沟间薄层水流流速小于相应坡段细沟内的径流速度，细沟间流速变化于0．03～0．1m／s，而细沟内流速的变化范围为0．15～0．45m／s，整个坡面平均细沟流速是细沟间流速的2～4倍。（2）细沟和细沟间流速是距坡顶距离L的幂函数，对于细沟流速，L的指数为0．409～0．420，对于细沟间流速，L的指数为0．175～0．218。（3）平均来说，各坡长细沟流速为湿运行大于干运行，且随着距坡顶距离增加，湿运行细沟流速增加较快；而细沟间流速正好相反。本文揭示了细沟和细沟间流速沿坡面变化的基本特征及其差异，有助于深入认识细沟、细沟间侵蚀机理的差异。