流域泥沙过程机理分析

黄土高原地质地貌复杂，是黄河流域的主要泥沙源区，并以黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区为代表．沟壑区的不同部位具有不同的侵蚀产沙现象，并在不同的空间尺度上表现出迥异的水沙运动规律．为此需将流域分为坡面与沟道两大系统分别研究，本文描述坡面侵蚀产沙、沟坡区重力侵蚀和沟道水沙运动的主要现象，分析各水沙过程的主要机理．揭示出可依据坡面径流建立坡面侵蚀产沙模型；根据水流的诱发作用，用沟坡土体失稳的随机力学模型模拟沟坡重力侵蚀；考虑影响水沙运动的多种要素，建立沟道系统的高含沙水沙模型．流域泥沙过程机理的研究为建立符合实际物理图景的水沙模型系统，完成流域泥沙过程模拟提供基础。     

国内科技期刊亮点

淤地坝建设有效治理沟坡侵蚀产沙在中国黄土高原丘陵沟壑区,淤地坝建设初期,小流域侵蚀强烈,泥沙沉积量巨大,其后,产沙强度由强变弱,泥沙沉积量呈显著降低趋势,淤地坝在减少水土流失方面具有其他措施不可替代的作用;微小流域与较大流域在泥沙来源方面存在较大差异,坡沟侵蚀产沙比并非一个定值,其研究还有待于进一步深化。     

基于淤地坝淤积信息的小流域泥沙来源及产沙强度研究

根据黄土丘陵区王茂沟流域关地沟3号淤地坝29年泥沙沉积旋回变化,以及各旋回层泥沙中、坝控流域沟间地和沟谷地表层土壤中137Cs的测量,结合淤地坝修建、运行历史资料及次降雨资料,估算了坝控流域沟间地和沟谷地的相对产沙量和坝控流域不同时期的侵蚀产沙强度。研究表明,沟间地是该小流域泥沙主要来源,该流域泥沙的70%源自沟间地;坝控流域1959~1987年期间,年侵蚀产沙强度由强变弱,呈显著降低趋势。     

黄土高原沟坡重力侵蚀的理论模型

重力侵蚀是黄土沟壑区土壤侵蚀的重要组成部分,其发生条件及侵蚀量受多种因素制约且具有一定随机性.本文通过运用水力学、土力学等力学方法对重力侵蚀主要影响因素进行分析,建立起沟坡重力侵蚀的概化力学模型,同时运用模糊及概率分析等数学方法将黄土沟坡的稳定问题转化为失稳概率,作为沟坡崩塌发生的预报条件,从而实现了考虑沟谷水流侧向切割,降雨入渗影响下的重力侵蚀模拟,为在黄土高原沟壑区进行水沙计算提供了基本方法.     

分布式小流域侵蚀模型及应用

针对黄土高原水土流失严重问题,基于分布式水文模型的基础上,建立了小流域侵蚀产沙输沙模型.产沙模型采用USLE模型,并结合黄土高原侵蚀的特色进行改进,考虑了降雨、土壤、植被、水保等因素对侵蚀的影响.输沙模型结合分布式水文模型的河网汇流,制定了一套简单的输沙方案.岔巴沟流域的实测资料验证该模型简单可行.能够模拟出流域的实际侵蚀图,为流域侵蚀的预报及水保工程的规划提供科学依据.     

黄土地区小流域次暴雨侵蚀产沙研究

通过坡面模拟降雨实验，分析了黄土地区坡面降雨径流产沙过程的主要影响因素，建立了坡面径流含沙量与坡面流量、前期土壤含水量、土壤干容重之间的定量关系。应用实测资料分析了黄土地区暴雨径流侵蚀产沙特点，建立了考虑流域前期土壤含水量和径流涨落段的含沙量与流量之间的水沙传递关系，建立了小流域次暴雨侵蚀产沙模型。经用实测资料计算检验，此模型对小流域次暴雨侵蚀产沙过程及产沙总量的计算结果都具有较高的精度。     

黄土高原坡沟系统径流泥沙过程

利用概化的坡沟系统模型,采用室内放水冲刷试验,对黄土高原坡沟系统径流侵蚀产沙过程进行模拟研究。结果表明:坡沟系统的产流产沙速率随流量的增大而增大;产流量随放水量的增大呈明显的指数函数变化趋势,且增长率有增大趋势;产沙量随冲刷流量的增大呈幂函数增大趋势,增长率却逐渐减小;冲刷流量相同时,产沙速率随冲刷历时呈现出波动式的双峰增长趋势;在实验流量和时间范围内,坡沟系统的累积产沙量随累积径流量呈现出非常显著的二次函数关系.     

兰州青水村黄土陷穴的侵蚀临界研究

利用无人机获取兰州市青水村高分辨率遥感影像及数字表面模型,通过识别陷穴并提取陷穴发育的地形特征值,得到了陷穴发育的侵蚀临界.结果表明,青水村陷穴主要位于沟间地边缘及沟床中,由于坡向影响了植被生长与水分运移方式,导致正北、西南和正南等坡向陷穴发育较少.陷穴发育的侵蚀临界在A-S图上呈现聚集分布,其坡度(tan值)主要集中于0.60～1.36,所需汇水面积主要集中于100～1 000 m~2,侵蚀临界值(AS~2)位于25～726 m~2.发育有陷穴的一级沟谷中陷穴数量大多4个,随着一级沟谷面积增加,沟谷中陷穴超过4个的比例增加但陷穴密度减少.陷穴的发育与切沟演化有关,陷穴数量过多会使陷穴间的连接部分坍塌形成切沟,因此陷穴是连接坡面过程与河道过程的重要纽带,决定了黄土区的地貌格局.     

陇中黄土高原水上流失地质问题

陇中地区,黄土广泛发育,其分布面积约占其总面积的95%以上,厚度最大可达200余米,地表层被径流水侵蚀切割,地貌形态以黄土梁峁沟壑为主,黄土残源次之.统观全区,其地形破碎,沟谷纵横,沟深坡陡,这均为水土流失所致.本文仅就陇中黄土高原水土流失地质问题,概述其形成条件、主要侵蚀方式及其预防措施.     

黄土沟壑区流域重力侵蚀模拟

重力侵蚀是土壤侵蚀的主要形式之一．在黄土高原地区,重力侵蚀对土壤侵蚀总量、高含沙水流特性和水沙过程的尺度现象等都具有重要贡献但由于重力侵蚀机理复杂、发生随机性强以及缺乏直接观测资料,对重力侵蚀过程的模拟研究一直是土壤侵蚀领域的薄弱环节．笔者将一个基于土体失稳的沟坡重力侵蚀理论模型在数字流域模型框架下与坡面降雨径流和土壤侵蚀模型、沟道不平衡输沙模型耦合集成,并解决了重力侵蚀模型在流域中应用的一些具体问题,使重力侵蚀模型能够根据沟坡的几何形态、黄土的力学特性、降雨导致的土体含水量及力学性质变化、沟道水流对沟坡的淘刷等物理因素的影响,合理模拟流域中的重力侵蚀过程．将模型系统应用于岔巴沟流域和无定河流域,得到了重力侵蚀的分布及其占总侵蚀量的比例,模拟结果基本可信．     

黄土陡坡细沟侵蚀及其产沙特征的实验研究

通过冲刷实验研究了黄土坡面径流侵蚀产沙特征,分析了坡面细沟侵蚀产沙率与径流切应力、径流流量和坡度,径流最大含沙量与单位径流动能、径流流量和坡度之间的关系,并提出了坡面细沟侵蚀率估算公式.     

坡面产沙理论模型

坡面产沙计算是水土流失预测模型的基础.本文基于泥沙运动力学的基本概念,在概化的坡面上考虑影响侵蚀产沙的主要因素及其水力学关系,推导出坡面产沙量的计算公式.通过与坡面产沙实验资料对比,说明提出的坡面产沙计算公式结构合理,待定参数确定后可以作为预测坡面产沙的计算模型.     

基于WaTEM/SEDEM模型的双枫潭流域侵蚀产沙模拟

采用WaTEM/SEDEM模型,以湖南省3个流域为研究对象,利用莲花堰和石门坎水文站水沙数据对模型进行校正和验证,并将验证后的模型模拟双枫潭流域的侵蚀产沙,模拟结果表明:双枫潭流域年均产沙模数为631t/km2;受地形和土地利用的影响,流域侵蚀模数在0~10°坡度范围内总体呈现沉积,而在大于10°的坡面上侵蚀强度随坡度增加而增加.流域内旱地土壤侵蚀强度为3 345t/(km2·a);草地侵蚀速率为430t/(km2·a);林地和灌木林用地总体上表现为沉积,其沉积速率分别为110和83t/(km2·a).将以上模拟结果与其他相关研究比较,证实WaTEM/SEDEM模型在模拟流域侵蚀产沙方面有很好的应用前景,利用该模型可为流域水土保持措施实施提供科学依据.     

沋河水库产沙条件的研究

沈河水库淤积非常严重,推移质多来自支流清水河的基岩山地,悬移质泥沙主要来自稠水河的黄土丘陵区。悬移质是水库泥沙淤积的主体,其产沙条件有四点:(1)岩性:黄土丘陵由于黄土质地均匀、疏松、多孔,易遭受流水冲刷,故水库泥沙粒径基本和黄土粒径相当。(2)地形:丘陵区因新构造上升运动影响,河流垂直侵蚀强烈,沟谷纵横,地面破碎,相对高差大,谷坡陡峻,大多在11—25°之间,有利于坡面径流侵蚀。(3)降雨:稠水河年降雨量917.8毫米,雨量集中于夏季,且多暴雨,冲刷能力很强。(4)重力作用:坡面块体运动有撒落、崩塌、错落和滑坡等,其中以滑坡最发育,其面积约占沟谷面积70%左右。由于重力作用破坏了原土结构,扩大裂隙,失去粘着性,易遭受流水侵蚀。因此,重力作用是沟谷产沙的主要原因之一。沈河流域治理:在沟谷里兴建拦泥和蓄水工程;滑坡治理应以地表排水工程和植物措施为主;黄土梁源区应加强保塬固沟,以防止径流冲刷。     

密云水库流域坡面降雨侵蚀的计算机模拟

以B市密云水库流域为例,用计算机数值模拟技术模拟坡面降雨侵蚀过程,考虑到坡面流的流速及非线性双曲型方程,采用迎风有限差分显示格式来离散坡面侵蚀方程、坡面水流连续方程、水流运动方程,并编制了计算程序,进行了计算机模拟.研究成果可以描述动态坡面降雨侵蚀及水土流失过程,且可将研究成果扩展到整个流域,从而为治理水土流失保护生态环境提供依据.     

细沟发育过程中的溯源侵蚀与沟壁崩塌

利用实验中降雨前后坡面的地形变化计算了细沟发育过程中溯源侵蚀和沟壁崩塌的产沙量．计算结果表明，溯源侵蚀是细沟侵蚀的主要产沙类型，其产沙量可占到细沟总侵蚀量的50％以上，沟壁崩塌的产沙量相对较小，且波动不大．其原因在于，溯源侵蚀量主要受沟头以上来水量的控制，而沟壁崩塌则与沟壁坡度的关系密切．此外，还利用地形变化与输沙率两种不同方法对产沙量进行了比较计算，在消除坡面沉降的影响后，两结果基本吻合．     

黄土坡面细沟发育形态对侵蚀特征的影响

细沟侵蚀规律的解译对于坡面治理具有重要的理论与实践意义.通过10m坡长条件下10°和25°坡面人工模拟降雨试验与高清摄像技术,研究了细沟侵蚀的时空动态变化特征.结果表明10°坡面单位坡长总侵蚀量和细沟侵蚀量均随距坡顶距离的增加先增大后减小,而25°坡面却呈现不断增加的趋势,但其增加速率逐渐减小.10°坡面平均含沙量随降雨历时先减少后增加,而25°坡面却先增加后减少.高清摄像技术可表征降雨过程中细沟平面形态变化,25°坡面平均细沟宽度始终小于10°坡面,但二者均随降雨历时先减小后增加,细沟侵蚀方式由以溯源侵蚀为主过渡到沟壁崩塌为主.     

黄土坡面水蚀动力与侵蚀产沙临界关系试验研究

坡面水蚀动力与侵蚀产沙关系是水蚀预报的关键问题之一.本文通过光滑水槽试验和模拟冲刷试验,对坡面水流动力学特性(径流流速、剪切力以及能耗)及其与侵蚀产沙关系进行了系统研究.结果表明,坡面薄层水流呈滚波流特征,坡面流流速沿程变化呈波动趋势,随流量和坡度的增加而增大;坡面单宽径流剪切力、单宽径流能耗和坡面径流单宽输沙率随流量的增加而增加,随坡度呈抛物线趋势变化,说明坡面土壤侵蚀过程存在临界坡度,在本试验条件下,临界坡度位于21—24°之间.坡面单宽径流输沙率和单宽径流剪切力、单宽径流能耗之间均存在良好的线性关系.     

中国水土流失地区土壤沟蚀的研究进展

为了解决土壤侵蚀制约着社会、经济、环境的协调发展的环境问题.采用野外调查综和分析方法研究该问题,侵蚀沟径流冲刷是土壤侵蚀产沙的主要来源.论述了中国土壤沟蚀研究的主要方法,分析了土壤从细沟侵蚀-浅沟侵蚀-切沟侵蚀-冲沟侵蚀的演变机理,评述了细沟侵蚀、浅沟侵蚀、切沟侵蚀的研究进展,提出沟蚀过程中有待加强的研究领域,对科学地指导水土保持措施配置有重要的实践意义.     

移动降雨条件下结皮对坡面产沙的影响机理

通过室内小尺度坡面(4m×1m)人工降雨物理模型,设计沿坡面上下移动的移动降雨工况进行产沙产流过程比对试验,对产流产沙量时空特性及侵蚀泥沙粒径特性进行分析,探讨不同降雨移动方向条件下结皮对坡面产沙过程的影响机理。结果显示:结皮发育造成产沙显著减少;降雨向上移动时,结皮发育成熟使峰值产沙提前出现,而向下移动时产沙峰值始终随产流峰值一起出现;向上移动降雨工况在雨强3.6×10-5 m/s时达到产沙峰值和等效泥沙浓度的最大值,而向下移动工况则对应更大的降雨强度;结皮发育在降雨初期对产沙成分的影响最明显,总体上产沙成分保持特定比例结构,粉粒最易受侵蚀,粘粒次之。研究表明:结皮发育是影响移动降雨条件下坡面产沙时空特性的重要因素。