模拟降雨条件下重构阻水层对坡面风化煤矸石产流产沙的影响

[目的]为缓解水分因子对高寒矿区扰动土体无法形成冻土带来的不利影响,研究提出扰动土体下方添加高阻水性材料亲水性聚氨酯(W-OH)重构底部阻水层(近似无缝隙的不透水层)的设计方案,分析重构阻水层后高寒矿区风化煤矸石坡面入渗、产流和产沙的变化特征,为高寒矿区扰动坡面冻土重现以及重构阻水层的坡面水土流失防治提供理论支撑。[方法]通过人工模拟降雨试验,研究在60和90 mm/h降雨雨强条件下,重构阻水层(添加W-OH浓度0%,1.5%,2.5%,3.5%,4.5%)后不同坡度条件的(3种坡度5°,15°,25°)的风化煤矸石坡面入渗特性和水土流失变化规律。[结果]①重构阻水层后的煤矸石坡面稳定入渗率较自然坡面明显降低,且与W-OH添加浓度呈负相关关系;②煤矸石坡面产流率随时间变化呈现先快速上升后逐渐平稳的变化趋势,平均产流率与W-OH添加浓度呈现正相关关系,添加浓度为1.5%,2.5%,3.5%,4.5%W-OH的煤矸石坡面平均产流率较自然状态增加26.75%,38.02%,46.90%,63.23%;③坡面平均流速与降雨雨强、W-OH添加浓度和坡度均呈正相关关系,影响程度表现为:降雨雨强>坡度>W-OH添加浓度。④坡面产沙率随时间变化曲线多为“单峰”曲线,呈现先迅速上升随后缓慢下降最终趋于稳定的变化趋势,添加浓度为1.5%,2.5%,3.5%,4.5%W-OH的煤矸石坡面平均产沙率较自然状态增加26.98%,49.48%,71.64%,94.01%。[结论]重构阻水层对坡面风化煤矸石渗透性能降低明显,能有效帮助高寒矿区扰动坡面的冻土恢复和形成,但入渗率的降低使坡面更容易产生径流,增加了地表的产流产沙,可配置一定的水土保持措施。

Suspended sediment dynamics in the meltwater of Chhota Shigri glacier, Chandra basin, Lahaul-Spiti valley, India

Present study shows suspended sediment dynamics in the meltwater of Chhota Shigri glacier,Himachal Pradesh,India for different melt seasons during the period 2011-2014.Maximum suspended sediment concentration in the meltwater was found during the month of July 2011,2012 and 2014 constituting to 55.2%,48.3% and 46.9%,respectively.Whereas in 2013,maximum suspended sediment concentration was observed in August accounting for46.1% of the total.On the other hand,maximum suspended sediment load was monitored in the month of July 2011,2012 and 2014 constituting 59.5%,63% and 55.7% of the total,respectively.Whereas in2013,maximum suspended sediment load was observed in the month of August accounting for 49.8% of the total suspended sediment load.Annual distribution of suspended sediment concentration(SSC)and suspended sediment load(SSL)in the Chhota Shigri glacier shows higher value of SSC and SSL during the study period 2012 and 2013,which may be due to the presence of high glacial runoff and negative mass balance of the studied area during these time periods.Marked diurnal variation has been observed in the SSC of meltwater.Strong correlation was observed between SSC and SSL with discharge.On the other hand,SSC and SSL also showed strong exponential correlation with air temperature of the studied area.Sediment yield from the catchment of Chhota Shigri glacier is high during the peak melt season(July and August)and low during the late melt season(September and October).The average value of erosion rate for Chhota Shigri glacier basin during the study period 2011-2014 was calculated to be 1.1mm/yr,which is lower than the average erosion rate of other Himalayan glaciers such as Rakiot,Chorabari and Gangotri glaciers,which may be caused by its geological setting containing high erosion resistant rocks such as granite,granite gneiss and porphyritic granite.

水土保持措施对密云板栗林坡面产流产沙的影响

以北京市密云板栗林为研究对象,设置植物措施、工程措施和植物+工程措施处理(裸地作为对照)分析不同水土保持单一措施及其组合措施对坡面产流产沙及水沙关系的影响,以期为密云区板栗林水土保持措施的制定提供科学依据。结果表明:植物措施方面,卷柏处理的减流率和减沙率分别为62.8%,88.3%,减流减沙效果优于椰丝毯、狗牙根和结缕草处理;工程措施方面,水平阶处理的减流率和减沙率分别为83.2%,92.9%,减流减沙效果优于鱼鳞坑处理;组合措施方面,水平阶+卷柏处理的减流率和减沙率分别为86.7%,96.1%,水土流失防治效果最好。不同水土保持措施对径流量和产沙量的影响还取决于降雨量和降雨强度。综上,考虑到植物+工程组合措施的减流减沙效果略强于工程措施,但差异不显著,因此在综合考虑经济效益和生态效益的基础上,建议采用工程措施进行板栗林水土流失防治,具体采取水平阶作为研究区的主要水土保持措施。

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。

农田浅沟中不同植物的水土保持效果和机理分析

为探究不同植物在东北黑土地区农田浅沟中的水土保持效果,建立裸坡(LP)和种植有紫花苜蓿(V_(1))和马蔺草(V_(2))2种植物的坡面浅沟模型,通过在浅沟内模拟上方汇水,进行不同植物覆盖下的浅沟坡面水力侵蚀试验,分析产流产沙特征及水动力学参数时空变化特征。结果表明:(1)相同流量下产流时间为裸坡<紫花苜蓿<马蔺草,产流时间延长,下渗量明显增大,紫花苜蓿(61%)的减沙效果显著优于马蔺草(29%),但紫花苜蓿(33%)减流效果弱于马蔺草(38%)。(2)相同流量下,紫花苜蓿的水力摩擦系数(f)(2.3)高于马蔺草(0.8),同时紫花苜蓿的平均流速(u)略低于马蔺草,弗劳德数(Fr)表现为紫花苜蓿<马蔺草,平均雷诺数(Re)表现为紫花苜蓿<马蔺草,整体表现为紊流。(3)通过拟合函数分析,3组处理下雷诺数与流速和摩擦系数呈正相关,但函数关系略有差别;弗劳德数与摩擦系数呈负相关,均符合对数函数变化规律。产流率和产沙率的降低归因于植被覆盖增大径流受到的摩擦力,同时提高径流入渗率,并且紫花苜蓿的减流减沙效果优于马蔺草;随着流量增大,马蔺草的减流减沙效益衰减速度大于紫花苜蓿,马蔺草防护临界流量在30~40 L/min,紫花苜蓿能够满足更高汇水流量下的水土保持需求。

秸秆覆盖对不同初始含水率土壤产沙过程的影响

秸秆覆盖是防治水土流失最有效的措施之一。该文通过模拟降雨(降雨强度为60mm/h,降雨历时1h)研究坡耕地在不同土壤初始含水率状态下秸秆覆盖变化对产沙过程的影响。试验地位于中国科学院红壤生态实验站,土壤类型为耕作铝质湿润淋溶土,试验小区为12m×3m,坡度为9%。处理分为5个水平的覆盖度(0、15%、30%、60%和90%)和2种土壤初始含水率(干态和湿态)。结果表明,在0、15%、30%、60%和90%覆盖度下,干态土壤平均产沙速率依次为24.5、15.8、10.4、11.2和1.0g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内略微增大。湿态土壤条件下平均产沙速率依次为115.6、70.0、49.6、34.8和31.9g/(m2·h),同一覆盖度下产沙速率在模拟降雨时段内下降明显。0、15%、30%、60%和90%覆盖度下平衡时产沙速率依次为52.5、30.5、22.8、19.8和15.4g/(m2·h)。另外,5个水平的覆盖度中,30%的花生秸秆覆盖降低不同前期含水率下土壤产沙速率50%以上。因此,不同前期含水率情况下土壤产沙速率对秸秆覆盖度变化的响应非常明显,30%秸秆覆盖具有较为经济的水土保持效果。

非硬化路面侵蚀产沙规律野外模拟试验

为了科学治理非硬化路面水土流失,采用野外放水冲刷试验,对非硬化路面侵蚀产沙规律进行了试验研究。结果表明,同一坡度不同放水流量与同一放水流量不同坡度条件下,非硬化路面产沙随时间的变化形式均有3种,分别为平缓型、多峰型和单峰型。对同一路面不同观测断面的产沙量分析发现,产沙量沿坡面的空间变化形式分别为波动式减小、逐渐式减小和先增大后减小。、得出平均含沙量与放水流量呈对数相关,产沙率与放水流量、平均含沙量与坡度、产沙率与坡度均呈直线相关。以期为非硬化路面的水土流失预测和治理提供科学依据。

不同下垫面径流小区次降雨侵蚀特征相关分析

在延安市燕沟流域试验区布设了裸地、荒草地和灌木地3个坡面径流小区,对次降雨雨量、历时、径流深、产沙量、入渗率等数据进行了定位观测,并运用SAS软件对不同下垫面径流小区次降雨的侵蚀特征等相关问题进行了分析研究。结果表明,无论降雨强度如何变化,3个小区的径流量、产沙量均呈依次降低趋势:灌木地<荒草地<裸地;而入渗率呈依次增大趋势:灌木地>荒草地>裸地。其径流量与降雨量之间存在着很好的相关关系;产沙量随降雨量的增大而增大,其中裸地产沙量增大最为显著;入渗率随着降雨量的增大有增加趋向,但雨强增大时,入渗率表现为降低趋势;产沙量与径流量存在较好的相关关系,相关系数最高达到0.928 4,荒草地小区产沙量与径流量的关系可用二次函数很好地描述。

黄土丘陵区小流域产沙数学模型

本文按自然流域划分子流域,用“Open books”方法将子流域概化分区,根据不同区域土壤侵蚀和产沙特点,应用水文学、泥沙运动力学的基本理论建立了具有物理成因的概念性产沙数学模型,用陕北桥沟小流域实测水沙资料验证,成果具有一定的精度.本模型能模拟泥沙的时空变化过程,因而,便于客观地进行水土保持效益计算,可为小流域综合治理或规划提供决策依据.

不同坡位的植被缓冲带对坡面侵蚀产沙来源的影响

为了研究植被对坡面侵蚀输沙的影响机制,采用模拟降雨试验,结合激光扫描方法,分析了不同坡位植被缓冲带下坡面产沙来源的变化特征。结果表明:没有植被覆盖时,坡面侵蚀最严重的区域位于下坡下部到中部,侵蚀产沙多来源于此。当植被种植于上坡中下部和下部时,坡面产沙主要来源于下坡中下部到中部,且侵蚀发育程度有所降低。随着植被缓冲带种植的位置上移,泥沙和径流的侵蚀和运动具有了更大的范围,坡面侵蚀最严重的区域也逐渐向上扩展,从下坡下部扩展到上坡中部,产沙量达到峰值,侵蚀严重程度增长24%~45%。植被布设于上坡长度60%时,其调控范围可覆盖整个坡面,产沙范围和侵蚀程度与裸坡相比分别降低33%,53%,甚至改变了侵蚀方式,细沟侵蚀已经开始向片蚀转变,具有较好的侵蚀输沙调控作用。研究结果揭示了不同坡位的植被植被缓冲带可以通过影响侵蚀方式来调控坡面侵蚀产沙来源。

坡面产流产沙过程对植被过滤带响应的试验研究

为探讨植被过滤带在坡面产流产沙过程中对水沙的拦截效果及其水动力学机理,通过在室内土槽上设置模拟植被过滤带并进行浑水冲刷试验,得到有无模拟植被过滤带情况下的产流产沙情况及相关水动力学参数,定量分析了植被过滤带对径流、泥沙的拦截效果并探讨了坡面产沙率与水动力学参数之间的关系。结果表明,植被过滤带在放水冲刷试验中能有效拦截径流和泥沙,且在较小流量下,径流和泥沙的拦截效果更好,在200L/h流量下,拦截率分别可达33.2%和96.9%;在冲刷过程中,有无模拟植被过滤带产沙率与水流剪切力、水流功率都具有显著的相关关系,分别呈指数函数(R2=0.67,R2=0.83)和幂函数(R2=0.70,R2=0.87)增大关系;采用含水流剪切力和水流功率的非线性回归方程Rs=1.184×10-6τ-4.114ω3.839(R2=0.73)预测产沙率效果较好。

山区流域泥沙输移比计算公式

本文在分析影响泥沙输移比主要因素的基础上，分别对坡面上单位面积输沙率ｑｓ和坡面上单位面积产沙率Ｓｙ进行了量纲分析，得出了ｑｓ和Ｓｙ的数学表达式，从而获得了山区流域泥沙输移比的计算式。采用湖北省石桥铺径流实验站的实测降雨、径流和泥沙统计资料对泥沙输移比公式进行了验证，其相关系数为０．８５，因此本文推出的计算泥沙输移比的公式是合理的。

砚瓦川流域水沙演变特征及其驱动因素分析

为了探究降水变化和水土保持措施对黄土高原地区产流产沙的影响,选择我国水土流失最为严重的区域——甘肃省庆阳市的砚瓦川流域为研究区,对该流域1981—2012年的年降水量、年径流量和年输沙量进行趋势分析及突变检验,分析黄土高原沟壑区水土流失治理背景下流域水沙的演变规律,定量评价降水和水土保持措施对流域水沙变化的贡献程度。结果表明:在1981—2012年期间年降水量和年径流量均没有发生显著变化,而年输沙量呈现显著减少趋势,年径流量和年输沙量的突变时间分别在1996和1997年,具有很好的同步性。与基准期(1981—1996年)相比,变化期(1997—2012年)的年径流量和年输沙量分别减少了17.0%和76.0%,分析径流和输沙历时曲线发现流域丰水期和平水期的径流量逐时段减少,而枯水期径流量却持续增加,输沙量在整个时段则大幅度减少。该流域降水和水土保持措施对年径流减少的贡献率分别为-37.9%和137.9%,而对年输沙量减少的贡献率为-35.0%和135.0%,因此,水土保持措施的实施是该流域年径流量和年输沙量减少的主要原因。其中,植被措施(林地和草地)对径流影响显著,占径流减少总量的61.04%;工程措施(梯田和坝地)对产沙影响显著,占产沙减少总量的102.84%。研究结果表明,黄土高原地区水土流失治理已在区域尺度上表现出一定程度上削洪补枯和减少侵蚀产沙的水文效应特征。同时在水土保持措施建设过程中,合理配置植被措施和工程措施比例,充分发挥各项水土保持措施的优势,是开展适应性流域管理的关键。

湘南红壤区不同林分类型涵水保土效益研究

通过对湘南丘陵区不同林分类型涵水保土效益的定位观测 ,分别对林地的产流量、产沙量、输沙率、最大涵水能力及保土效果进行了探讨 ,发现 :1CK坡面的地表径流系数比有林地的地表径流系数要大 1.0 4～ 1.2 1倍、林分质量越好的林地坡面的径流系数比林分质量较差的林地坡面的径流系数要小 ;2 CK坡面的产沙量、输沙率比有林地的产沙量、输沙率要大 2 .80～ 3.73倍、2 .5 8～ 3.2 6倍 ;林分质量越好的林地坡面的比林分质量较差的林地坡面的产沙量、输沙率要小 ;3湘南红壤区长江防护林的各种林分类型虽然还处于幼龄林阶段 ,但其林地的保土、涵水能力还是比较强的 ,其林地土壤的涵水能力为 CK的 1.5 6～ 3.0 8倍、保土能力在 386 0 t/ (km2 · a)～ 4 390 t/(km2 · a)

原状砒砂岩坡面产流产沙规律试验研究

为深入了解砒砂岩坡面的侵蚀产沙特征,在野外建立了人工原状砒砂岩坡面,通过放水冲刷试验对比研究了白色和红色原状砒砂岩坡面的产流、产沙过程。结果表明:白色砒砂岩坡面水分入渗率为18.9 mm/h,小于红色砒砂岩坡面的47.0 mm/h;白色和红色原状砒砂岩坡面水流平均流速与流量呈幂函数关系,相同冲刷流量条件下红色砒砂岩较白色砒砂岩产沙量及坡面水流含沙量大、抗侵蚀性弱;受水分入渗率和砒砂岩颗粒分离速度的控制,两种坡面土壤剥蚀率与单宽流量之间呈向下弯曲的二次曲线关系;两种砒砂岩坡面土壤剥蚀率与水力学参数的相关关系相似,说明其侵蚀产沙的水力学机制是一致的。

人工杉木林间伐对水土流失影响的研究

该文以江西省大岗山的人工杉木林为研究对象,分析间伐对水土流失的影响。结果表明:①间伐后,林下植被发展迅速,覆盖度增加,径流系数较未间伐的林地小,未间伐林地的径流系数是间伐林地的4.67倍;②随着时间的发展,同一样地的降雨产流量与1次降雨量3、0 min降雨强度、60 min降雨强度的相关关系降低,间伐样地的上述相关关系比未间伐样地的更弱;③间伐样地的径流含沙率明显低于未间伐样地。④适度间伐虽然降低了林分的郁闭度,削弱了林冠的截留率,但是林下植被的迅速发展,使得林分整体的蓄水和保土效益明显增加。

黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

通过室内模拟冲刷试验系统研究了3°-30°坡度范围内坡面径流的侵蚀动力及产沙特征，分析了坡面径流能耗与径流侵蚀产沙之间的关系。结果表明，坡面径流平均流速随坡度和流量的增加而增大，流速与坡度和流量之间存在指数函数关系，坡度对流速的影响大于流量。在3°-21°坡度范围内，坡面径流单宽能耗随坡度的增加而增加，当坡度超过21°时，径流能耗随坡度的增加而降低。坡度对侵蚀产沙的影响也有类似的现象，在3°-21°坡度范围内，坡面径流平均单宽输沙率随坡度的增加而增大，当坡度达到临界极值21°和24°后，坡面径流平均输沙率随坡度增加而减小；在整个试验坡度范围内，径流平均单宽输沙率随流量的增大而增大；流量对坡面径流平均单宽输沙率的影响大于坡度。坡面径流平均单宽输沙率和单宽径流能耗之间存在明显的线性关系，其临界单宽径流能耗随坡度的增加而增加，土壤可蚀性参数随坡度的变化在10．368～30．366的范围变化，试验的土壤可蚀性的平均值为14．61。

黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程的REE示踪研究

利用室内概化的坡沟系统模型,结合REE示踪技术,采用放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统侵蚀产沙过程进行了深入研究。结果表明,坡沟系统的坡面侵蚀速率大于沟坡的侵蚀速率,即坡面侵蚀较沟坡侵蚀剧烈;在本研究设计的流量范围内存在一个临界流量Q=12 L/min,当冲刷流量小于该值时,起始侵蚀率随流量的增大而增大,当冲刷流量大于该值时,起始侵蚀率随冲刷流量的增大而减小;相同流量下,随着冲刷历时的延长,其侵蚀率呈波动变化趋势,陆续达到最大,然后又逐渐减小,而且随着流量的增大,La元素示踪带和Eu元素示踪带侵蚀率达到最大的时间越来越短。

神府东胜煤田非硬化路面野外降雨试验

神府东胜煤田是世界7大煤田之一,在开发建设过程中造成了严重的水土流失,其中非硬化路面水土流失是其重要的组成部分。采用野外模拟降雨试验,研究非硬化路面的侵蚀产流、产沙规律以及二者之间的关系。结果表明:非硬化路面的径流含沙量过程曲线包括平缓型、多峰型、单峰型3种类型,侵蚀速率随时间变化过程可分为快速增长阶段、波动起伏阶段以及稳定阶段;非硬化路面的产流时间随降雨强度的增大呈幂函数减小,随坡度的增大呈先增大后减小的抛物线趋势;径流率随降雨强度的增大而增大,拟合关系式为r=2.596I-0.431;产沙量与径流量之间呈幂函数关系,其关系式为Ms=0.223 9W1.946 2。研究结果可为矿区水土流失预测和治理提供依据。

喀斯特山地石漠化过程中地表地下侵蚀产沙特征

喀斯特地区特殊的地表、地下侵蚀产沙是引发石漠化发生发展的重要物理过程。以喀斯特山地石漠化过程中不同石漠化状况的裸坡面为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究其地表及地下侵蚀产沙特征。结果表明:无石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化的裸坡在相同条件下的地表产沙量总体上高于地下产沙量,且10 min降雨时段内地下产沙量在0~100 g之间。不同石漠化强度的裸坡地表、地下侵蚀产沙量均随雨强的增大而增加;小雨强(30~80 mm h^(-1))下,随着石漠化强度加剧其地表越不易发生侵蚀,而石漠化强度达到一定程度时(基岩裸露率40%)土壤流失以地下流失为主;大雨强(150 mm h^(-1))下,地表产沙量及其分配比例随基岩裸露率变化不明显,而地下产沙量则呈先增加后减小的变化且在基岩裸露率为30%时达到最大。不同石漠化强度的裸坡地表产沙量及其分配比例随地下孔(裂)隙度变化不明显,地下产沙量及其分配比例总体上随地下孔(裂)隙度增加而增加;在不同地下孔(裂)隙度下(1%~5%),地表、地下产沙量及其分配比例随基岩裸露率变化(10%~50%)差异较大。研究结果对认识喀斯特地区石漠化发生发展机制、揭示土壤侵蚀特征、防治地表地下水土流失具有重要的理论和现实意义。