泥石流堆积体复活预测模型研究——以栾川县柿树沟为例

通过对柿树沟泥石流的地形地貌、物源、降雨条件的分析,结合现场调查,得出柿树沟泥石流的特征及该泥石流为沟道内老堆积体复活启动形成的结论。根据实际情况,结合曼宁公式,以临界降雨条件为预测参数,建立基于启动机理的沟道泥石流堆积体复活预测模型。计算得出柿树沟2010年7月24日的降雨强度完全达到了泥石流堆积体复活启动的临界条件,即临界流深0.30 m,临界流速1.82 m/s;当天径流流速接近4 m/s,未达到堆积体完全复活的临界流速7.20 m/s,与实际情况相符。     

白龙江流域泥石流沟土体渗透特性及其受植被影响

选取白龙江流域典型泥石流沟不同类型土体进行野外原位渗透试验,结合土壤性质及植被因素对土体的入渗特征进行比较分析,认为人类活动使得土体的内部结构和渗透特性发生了极大变化,改变了土体在降雨过程中强度的变化规律以及地表径流过程、加剧了流域泥石流的形成.结果表明:土体的有机质和黏粒质量分数与土体的入渗率有较好的负相关关系;林地对改善土体性质有较好的作用,大大提高了土体涵水能力,且随着海拔升高作用更明显;干枚岩斜坡和黄土斜坡的入渗特征有明显的差异性,在降雨过程中千枚岩斜坡几乎不会产生明显的地表径流,而是在降雨达到一定程度后土体强度破坏而以浅层滑坡形式向下滑动,黄土斜坡则很快产生地表径流,以坡面泥流的形式为主沟泥石流的形成提供黏粒和水体.     

细粒含量对泥石流启动影响的离心机模型试验

采用自主研发的离心机可视化试验装置,在坡度和降雨强度不变的条件下,配置6组不同细粒含量的坡体,进行降雨诱发泥石流离心机模型试验.通过分析坡体破坏形态、孔隙水压力变化、雨水迁移规律等,研究细粒含量对泥石流启动过程的影响.研究结果表明:泥石流启动存在临界细粒含量(约为15%),在临界细粒含量范围内,坡体表现为分层滑动破坏,10%细粒含量的泥石流启动时间最短;泥石流启动过程中坡内孔压逐渐上升至峰值后波浪状下降,随着细粒含量的增加,孔压曲线趋于平缓;细粒含量影响雨水的渗透速度和路径,这是影响坡体破坏形态和决定泥石流能否启动的直接原因.     

高速公路边坡水土流失机理与养护管理研究

对重庆市梁忠高速公路填方路基边坡土壤开展室内模拟降雨试验,分析不同降雨强度和坡度条件下坡面产流和产沙的规律;结果表明:在0. 6 mm/min、0. 9 mm/min、1. 2 mm/min降雨强度条件下,起始产流时间随坡度呈减小趋势,当土体坡度一定时,起始产流时间不断减小,地表径流强度随着降雨强度的增大而增大;当降雨强度一定时,土体的起始产流时间随土体坡度增大逐渐减小,从而反映出地表径流强度不断增大;降雨强度对土壤侵蚀的临界坡度有一定影响,但两者具体变化关系需进一步研究。另外,通过高速公路边坡水土流失机理进行了研究,展开了高速公路边坡水土流失主要诱因分析,提出了科学的高边坡的养护管理措施。     

长白山天池地区泥石流激发雨型与临界雨量

长白山天池景区内受多条泥石流沟威胁,为降低泥石流灾害造成的损失与威胁,通过收集与整理该区域内泥石流活动历时资料与相应的降雨资料,分析各沟泥石流灾害暴发的降雨过程,获得长白山天池地区的泥石流激发雨型的特征,并研究相关降雨参数(小时降雨强度、历史累计雨量、前期有效降雨和降雨历时)与泥石流灾害爆发之间的关系,得到了长白山天池地区泥石流灾害暴发的临界雨量值。经研究表明,长白山天池地区泥石流激发雨型分为长期持续降雨与长期间断降雨两类,长期持续降雨型的前期不间断降雨持续时间长,总降雨时间也持续较长,泥石流在降雨强度逐步达到临界值时暴发。长期间断降雨较长期持续降雨来说,总的降雨时间更长。该降雨类型的降雨强度存在多次由零到极大值增大再降低的重复过程,直到最终松散堆积体饱和至临界值导致泥石流暴发。经统计与分析得出,长白山天池地区泥石流灾害暴发的防范雨量与预警指标(临界雨量),以历史累计降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm可以作为防范值,以小时降雨强度19.7 mm/h作为泥石流临界雨量,对不同的激发雨型特征与临界雨量的研究能够为长白山天池地区的泥石流灾害监测预警提供科学依据。     

无锡市城市集水区地表径流污染差异归因分析

对位于无锡市主城区的沈巷小区、东风小区和槐古豪庭降雨、地表径流及其水质过程进行同步监测,分析地表径流的水文、水质变化过程及其特征,以期为分流制集水区地表径流污染的控制与管理提供科学依据。结果表明,地表径流污染物浓度峰值先于降雨强度峰值;绿地能够降低地表径流中COD_(Mn)、TP和TN等溶解性污染物的浓度,并可能增加地表径流中悬浮颗粒物和有机物的来源;地表径流中TP、TN对受纳水体污染严重,空气中NO_2等含氮物质超标是引起当地水体富营养化的重要因素;COD_(Mn)、TP和TN等溶解性污染物的初期冲刷强度大于固体颗粒态的TSS,其冲刷强度分别取决于地表径流的汇流速度及径流的搬运能力。     

不同降雨强度下滑坡表面冲蚀体积试验

在山区,降雨导致的土壤冲蚀是产生堆积物、改变地貌地形的主要因素。其过程复杂并且受如降雨强度、地表粗糙度等多种因素影响。为研究不同降雨强度条件下降雨对滑坡表面冲蚀的体积指标特性,采用实验室模拟降雨试验平台进行实验,Golden Surfer软件直接读取堆积体体积、3D模拟模型研究降雨与输出数量关系等方法,再现了以体积量直接输出的堆积物与降雨之间的关系。结果表明:降雨过程中,坡体深部土壤体积含水率变化较小,浅层土壤孔隙水压与含水率变化较大;降雨初期,降雨入渗有效提高表层孔隙水压力,地表径流小,带沙能力弱;随降雨时间增加,地表径流强度增加是提高水流冲刷力的主要因素,累计冲蚀堆积体体积随降雨强度增加而增大,但是增速减小,其主要原因是降雨后期,地表形成冲刷沟壑,累计冲蚀堆积体体积受地表粗糙程度限制;通过对降雨时间、降雨强度以及冲蚀堆积体体积进行三维拟合,发现三者幂函数曲线的拟合较好。     

江汉平原四湖流域土地利用变化及其水文响应探讨

结合基于遥感数据获得的土地利用结果与SCS模型,在GIS环境下模拟了四湖流域不同阶段的土地利用/覆被变化对地表径流的影响,同时模拟分析了在相同降雨类型条件下,不同时期不同土地利用状况下的流域产水量.结果表明,土地利用结构与格局的变化使地表径流深度趋于增大;在四湖流域的不同时期,由土地利用/覆被变化引起的地表平均径流深度变化也不相同;同时,相同的降雨类型条件下,1980年到2005年,由于土地利用变化,使流域产水量增大.     

华北平原区典型下垫面退水过程研究

以位于邯郸永年区的河北工程大学降雨-径流-灌排试验场为依托,进行数场人工模拟降雨试验,分别探讨了华北平原区典型下垫面河道径流、地表径流和各层壤中流出流的退水特征。对各种出流方式对比结果表明, 河道径流和地表径流在降雨停止后迅速消退,且很快退水完毕;壤中流退水往往在地表径流退水的后半程开始,其退水历时最长, 流量最小。影响因子分析表明, 降雨强度对退水流量的影响比较明显地表现在河道径流方面,即随降雨强度的加大,河道径流的退水流量呈幂函数上升趋势;降雨量对各层壤中流总退水流量的影响显著,即随着降雨量的增大,壤中流退水流量呈幂函数增大趋势;降雨历时对各种方式的退水流量影响均不明显。雨强还影响退水流量在总径流量中的分配比例,河道径流、地表径流、壤中流1和和壤中流2出流的退水流量分别占总流量的0.72%、8.6%、1.71%和0.19%,退水流量占总流量的12.31%。当雨强小于2mm/min时,随着雨强的增大地表径流退水流量所占比例呈直线增加趋势,但当雨强增加到2mm/min以上之后,地表径流退水流量所占比例反而下降了;随着雨强的增加,壤中流总退水流量所占比例呈对数函数逐渐下降的趋势。计算结果表明, 该区退水常数可以分河道径流、地表径流退水和壤中流退水2类, 其数次降雨平均值分别为 0.85 和 0.95。这一结果为进一步研究水文过程乃至流域尺度的退水过程提供了借鉴。     

邯郸东部典型平原区的径流退水过程模拟研究

以位于邯郸永年区的河北工程大学降雨-径流-灌排试验场为依托,进行数场人工模拟降雨试验;分别探讨了邯郸东部典型平原区河道径流、地表径流和各层壤中流出流的退水特征。对各种出流方式对比结果表明,河道径流和地表径流在降雨停止后迅速消退;且很快退水完毕。壤中流退水往往在地表径流退水的后半程开始,其退水历时最长、流量最小。影响因子分析表明,降雨强度对退水流量的影响比较明显地表现在河道径流方面,即随降雨强度的加大,河道径流的退水流量呈幂函数上升趋势;降雨量对各层壤中流总退水流量的影响显著;即随着降雨量的增大,壤中流退水流量呈幂函数增大趋势;降雨历时对各种方式的退水流量影响均不明显。雨强还影响退水流量在总径流量中的分配比例,河道径流、地表径流、壤中流1和壤中流2出流的退水流量分别占总流量的0.72%、8.6%、1.71%和0.19%,退水流量占总流量的12.31%。当雨强小于2 mm/min时,随着雨强的增大,地表径流退水流量所占比例呈直线增加趋势;但当雨强增加到2 mm/min以上之后,地表径流退水流量所占比例反而下降了;随着雨强的增加,壤中流总退水流量所占比例呈对数函数逐渐下降的趋势。计算结果表明,该区退水常数可以分河道径流、地表径流退水和壤中流退水2类,其数次降雨平均值分别为0.85和0.95。这一结果为进一步研究水文过程乃至流域尺度的退水过程提供了借鉴。     

不同降雨条件对江苏高沙土地区水土流失的影响

采用人工模拟降雨法,针对江苏省局部高沙土地区,研究了在不同坡度、雨强及不同植被覆盖条件下扰动高沙土的侵蚀强度和侵蚀特点。结果表明:(1)径流量随坡度的增加而增加;土壤流失量与坡度存在一个临界值;雨强低于80 mm/h时的临界坡度为20°～26.5°;(2)降雨量相等时,径流量随着雨强的增加而增加,入渗量随着雨强的增加而减少;(3)植被覆盖能很大程度地减少径流量和土壤侵蚀量。     

土壤初始含水量对黄土坡地水分运动与转化特征的影响

通过室内模拟降雨试验,研究了水蚀条件下初始含水量分别为1.3%、5.7%、9.7%、14.2%和18.9%时黄土坡地水分的迁移特征。结果表明随着土壤初始含水量的增加,坡面产流开始时间提前,坡地平均径流系数和径流量呈线性增加趋势;坡面径流含沙量与土壤初始含水量呈抛物线关系,在9.7%含水量左右存在最小值;土壤初始含水量越高,坡地累计入渗量越小,雨水转化为土壤水分的比率越小。在土壤初始含水量较高的雨季,建议采取保护性耕作措施,增加雨水入渗率,减少水土流失量。     

考虑干缩裂隙动态变化的优势流入渗模型

为解决定量评估干缩裂隙优势流的难题,基于双孔隙域入渗理论,将开裂土体分为裂隙两侧基质域、裂隙底部基质域与裂隙域三部分,结合Green-Ampt入渗模型,提出了一种考虑干缩裂隙动态变化的优势流入渗模型,并基于该模型探讨了降雨强度、裂隙初始面积率及裂隙深度对土体两域积水时间、优势流入渗量及入渗深度的影响规律。结果表明:干缩裂隙产生的优势流入渗量占总降水量的73.4%~91.4%,入渗深度为裂隙深度的3.1~7.2倍;降雨强度增大将缩短土体基质域积水时间,增大优势流入渗深度;降雨过程中干缩裂隙面积率减小使优势流入渗量减小;裂隙初始面积率增大使两侧基质域入渗量减小,优势流入渗量增大但入渗深度减小;裂隙深度增大使裂隙域积水时间延后,优势流入渗深度增大;模型计算结果与干缩裂隙实际入渗规律相符, 同时避免了为裂隙域赋水力学参数带来的误差与不便。     

不同坡面单元人工降雨产流试验与分析

土壤前期含水率、坡度、雨强和植被是降雨产流过程的重要影响因子.目前,利用人工降雨产流试验对降雨产流机制的研究主要集中在黄土高原干旱地区和南方湿润地区,关注华北平原地区的较少,为探究不同因素对华北地区降雨产流过程的影响,利用河北工程大学临洺关校区人工模拟降雨试验平台,分析了不同降雨情景下地表径流产流响应的差异性.结果 表明:产流起始时间随土壤前期含水率、坡度和雨强的增大而减小,且受土壤前期含水率的影响更显著,产流量随时间变化呈现先增加后平稳的趋势;裸地坡产流起始时间小于自然草地,在起始产流至达到稳定临界点的时段内,裸地和草地坡产流量与产流历时呈现对数关系;累积产流量与降雨历时呈线性函数分布,拟合优度均在0.9以上.相较植被和坡度而言,土壤前期含水率和雨强是影响试验单元产流最重要的两大因素.通过上述不同情景、不同因素的试验差异分析研究,以期为构建适用于华北平原的产汇流模式提供理论依据和数据支撑.     

坡度对扰动黄棕壤土壤侵蚀的影响

通过人工模拟降雨试验,研究坡度对扰动黄棕壤的土壤侵蚀规律。结果表明:在坡度20°以内,随着坡度的增大,入渗量逐渐减少,径流量逐渐增大;坡度在20°~26.5°范围时,入渗量和径流量趋于平稳。土壤侵蚀量与径流量基本同步,在一定坡度内随着坡度的增大,侵蚀量增大;当降雨强度为40 mm/h和60 mm/h时,供试土壤侵蚀的临界坡度在20°~26.5°之间;当降雨强度增加至80 mm/h时,临界坡度大于26.5°。在试验坡度范围内,径流量、侵蚀量与降雨量均存在显著的线性关系。