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。     

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.     

考虑不同降雨概率和雨型的滑坡渗流场及稳定性变化率特征分析

为分析各种工况下的滑坡稳定性演化规律,以贵州省思南县官寨滑坡的稳定性分析为例,首先通过泊松分布法计算出研究区每发生一次连续5 d降雨的雨型及其累积降雨量的概率,再结合饱和-非饱和渗流理论和非线性有限元分析法,探究雨型以及累积雨量对滑坡渗流场和稳定系数变化率的影响。结果表明:连续5 d降雨包含的4种雨型中,先升后降型发生概率最大,先降后升型发生概率最小;连续5 d累积降雨发生概率随降雨量的增大逐步递减。当累积降雨量一定时,滑坡浸润线变化趋势与各自对应雨型的降雨规律基本保持一致。边坡稳定性系数值在持续性降雨作用下逐步降低,其中累积降雨量一定时,下降型降雨作用下滑坡稳定性系数在前4 d下降最多,上升降雨作用下滑坡稳定性系数下降最少。另外,上升型降雨作用下滑坡稳定性变化率逐渐上升,下降型降雨作用下稳定性变化率在逐渐下降,两种雨型作用下的稳定性变化率介于两者之间。     

黄土发育表土结皮过程和微结构分析的试验研究

对采自晋西离石的马兰黄土进行了模拟降雨试验，研究表土微结构与表土结皮发育过程的关系．模拟降雨强度为１．２ｍｍ／ｍｉｎ，降雨历时为１～３０ｍｉｎ．通过对表土微结构的变化观测可以清楚看到，在３０ｍｉｎ降雨过程中经历了两次表土结皮的形成过程．初始形成的表土结皮是很不稳定的，在表土结皮的初期发育阶段较容易被破坏．在稍后阶段形成的表土结皮会更加稳定．观测到的表土微结构变化过程揭示出它们是呈周期性变化：团聚体被破坏、土壤颗粒发生垂直和水平位移、表土结皮层和淋溶层的孔隙和结构不断形成和破坏、表土结皮的形成破坏、表土变得比较密实．土壤抗剪强度可以用标准锥体贯入仪来测定，由土壤含水量和土壤抗剪强度关系得到的表土结皮强度指标与观测到的表土微结构变化密切相关．     

考虑不同降雨概率和雨型的滑坡渗流场及稳定性变化率特征

对各种工况下的滑坡稳定性演化规律进行研究具有重要意义。本文以贵州省思南县官寨滑坡的稳定性分析为例,首先通过泊松分布法计算出研究区每发生一次连续五天降雨的雨型及其累积降雨量的概率,再结合饱和-非饱和渗流理论和非线性有限元分析法,来探究雨型以及累积雨量对滑坡渗流场和稳定系数变化率的影响。结果表明：连续五天降雨包含的四种雨型中,先升后降型发生概率最大,先降后升型发生概率最小;连续五天累积降雨发生概率随降雨量的增大逐步递减。当累积降雨量一定时,滑坡浸润线变化趋势与各自对应雨型的降雨规律基本保持一致。边坡稳定性系数值在持续性降雨作用下逐步降低,其中累积降雨量一定时,下降型降雨作用下滑坡稳定性系数在前四天下降最多,上升降雨作用下滑坡稳定性系数下降最少。另外,上升型降雨作用下滑坡稳定性变化率逐渐上升,下降型降雨作用下稳定性变化率在逐渐下降,另外两种雨型作用下的稳定性变化率介于两者之间。     

基于HYDRUS-1D模拟的变水头入渗条件下VG模型参数敏感性分析

采用单因素扰动分析法,分别对土壤水力参数残余含水量θr、饱和含水量θs、饱和导水率Ks、经验参数α和n进行扰动,选用HYDRUS-1D模型模拟南京市区2年一遇降雨条件下土壤水分入渗过程,分析变水头入渗条件下各土壤水力参数的敏感性,定量描述土壤水力参数变化对HYDRUS-1D输出变量土水势和累积入渗量的影响,简化后续模型率定工作,提高模型模拟精度。结果表明:在变水头入渗条件下,5个参数对土水势与累积入渗量敏感性排序均为nKsθsαθr,其中α和n对于地表0～10 cm附近的土水势影响较大,Ks与θr,以及θs与α对土水势影响规律类似;±25%扰动情况下,θs、Ks与n三者对累积入渗量的影响均大于10%。因此,在进行变水头入渗条件下模拟计算中应保证Ks、θs、α和n参数的准确性。     

不同类型结皮影响下土壤水分的变化规律

通过对库布齐沙漠不同类型结皮覆盖下不同深度土壤含水量的野外动态监测和室内实验测定,研究了不同类型结皮与土壤水因子的相互影响关系,结果表明:(1)土壤含水量在不同类型结皮影响下,随土层深度的增加,生物结皮表现为先下降后升高的趋势,物理结皮则表现为一直升高的趋势.(2)同一土层土壤含水量差异显示,0~5cm藓结皮和藻结皮与物理结皮土层含水量差异显著(P0.05),而藓结皮和藻结皮土层含水量只在降雨后差异显著(P0.05);5~10cm土层含水量只有藓结皮与物理结皮及降雨后藻结皮与物理结皮差异显著(P0.05);深层土壤含水量差异均不显著.(3)不同类型结皮影响下不同土层土壤水分含量日动态变化受土壤水分蒸发、深层土壤水和大气凝结水补给的影响,均显示8:00~16:00下降、16:00~8:00上升的规律.日变化幅度显示降雨前较小,降雨后明显增大;降雨后表层变幅最大,深层土层变幅最小;表层物理结皮降幅最大,藓结皮升幅最大.(4)生物结皮增加了表层土壤持水力,对深层土壤持水力几乎没有影响.     

蒋家沟流域坡地降雨激发滑坡实验研究

降雨对滑坡的激发作用是个广泛讨论的话题.从斜坡物质成分、结构构造和雨强、降雨量、土体应力特征等多个方面分析降雨激发滑坡的过程.并进行大型野外的人工降雨激发滑坡试验和室内土工实验,结果表明内聚力和内摩擦角与含水量之间有突变现象;降雨滑坡是在以降雨为主导因素的多种因素综合作用下发生的.     

金沙江干热河谷坡面降雨产流特征的分析

为干旱区植被恢复技术研究及坡面治理提供依据,运用坡面径流泥沙小区定位观测方法,对元谋县典型干热河谷地段坡面小区降雨产流特征进行了研究,根据降雨的三个重要特征降雨量、持续时间和时段最大雨强,通过SPSSK均值聚类分析法对降雨进行了分类.结果表明,研究区年内降水量分配不均,试验期间雨季6月、9月降水过分集中,易形成持续大雨,导致产生大的地表径流并冲刷地表,造成水土流失.研究区存在降雨强度大、持续时间短的A型雨、降雨强度小持续时间长的C型雨以及居于二者之间的B型雨;降雨量和降雨强度,尤其最大30min雨强是影响坡面产流能力的关键因素;不同雨型下坡面产流能力大小为A型雨>B型雨>C型雨,而产流尺度效应则为C型雨>B型雨>A型雨.     

安徽大别山区天然降雨对典型植被水土流失影响研究

基于霍山县水土保持试验站3个径流小区2013—2018年的连续观测数据,分析水土流失月际、年际变化特征,定量探讨不同植被类型（茶树、红芋、桑树）下各降雨（次降雨、降雨等级、降雨雨型）特征指标对坡耕地水土流失的影响．结果表明:1）4和7月为一年中水土流失高峰期;2013—2018年水土流失量变化趋势均表现为先迅速下降,后趋于稳定,到2018年出现上升．2）各降雨因子对于水土流失贡献度由大到小依次为降雨量（P）、降雨侵蚀力（R）、30 min雨强（I₃₀）、降雨历时（t）、60 min雨强（I₆₀）、平均雨强（I）．降雨量是影响产沙量的最重要因素;降雨侵蚀力对乔木和灌木产流影响最大．3）中雨和大雨年际变率最大,大暴雨场次少,但造成的水土流失情况最严重;Ⅰ型降雨是安徽大别山区主要的降雨类型,Ⅲ型降雨场次最少,但水土流失量远高于其他3种雨型,Ⅳ型降雨对水土流失影响最小．      

尺度模型在水文频率分析中的应用

 简要介绍了一种新的结合物理过程的尺度模型,并分析比较了应用尺度模型和传统频率分析方法（即直接计算法）来计算设计降雨的优劣势。使用香港新界北雨量站数据,发现尺度模型在降雨历时120, 360,720和1 440 min范围内比较合理,计算得出的设计降雨比直接计算法得出的要小,且随着重现期的增加,两者的差异也相应地增加。结合了物理特性的尺度模型相较直接计算法更加合理,可以作为传统频率分析方法的一种替代或补充方案来计算设计降雨值。     

泥石流启动的临界地表径流深度研究

暴雨过程形成的地表径流导致坡体表面和前缘松散物质向下输移,汇入沟道,演变成危害性较大的泥石流,因此,对于泥石流的启动机理和启动临界条件的研究十分必要.根据下渗曲线法,得出了地表径流深度、入渗率以及降雨强度的关系,并运用牛顿定律、水文学以及土力学等理论,建立了泥石流单颗粒启动、局部启动和整体启动的临界地表径流深度的求解模型,从而可推得临界降雨强度,此可为泥石流的泥石流预警提供了有用的理论基础.     

用日最大降雨量获得站点雨强的方法研究

全国降雨特性对卫星通信、毫米波通信等具有重要的实际意义.但对无详细降雨记录地区,要获得其降雨特性,必须要先得到该地区的雨强分布.提出了用日最大降雨量计算雨强的方法,经过检验证明这种方法的精度较高,是一种计算无降雨记录地区雨强的有效方法之一.     

不同雨强下土壤大孔隙对坡面流水动力学参数的影响

以室内试验槽为平台,利用人工模拟降雨试验,定量分析了坡度为5°时,在30mm/h,60mm/h和120mm/h降雨强度下,有大孔隙试验槽和无大孔隙试验槽坡面流的水动力学参数的异同点.结果表明,各场次降雨的两坡面流的流态均为层流,除降雨强度为30mm/h时,无大孔隙坡面的坡面流为急流外,其他场次的水流均为缓流;在同一降雨强度下,相对于无大孔隙坡面,有大孔隙坡面的坡面流流速、单宽流量、弗劳德数和雷诺数较小,径流深、径流切应力、水流运动阻力以及坡面糙率较大;随着降雨强度的增大,两坡面的径流深和单宽流量增加,坡面流流速、径流切应力和雷诺数均增大,阻力系数和曼宁糙率均呈现先增大后减小的趋势,弗劳德数则呈现先减小后增大的趋势.     

非饱和土边坡饱和区降雨强度-时间临界曲线

为研究降雨入渗边坡产生饱和区的临界条件,使用基于MVG模型的土体饱和度表征降雨强度的计算方程.当土表面饱和度首次达到0.9以上时,饱和度持续稳定在0.9±0.005为饱和区出现的临界判据,数值计算得出土柱和边坡的饱和区临界降雨强度与降雨时间.通过数据拟合构建了饱和区降雨强度-时间临界曲线模型,分析了不同坡度、有效降雨强度对临界曲线的影响.结果表明:饱和度表征降雨强度的计算方法可使土体表面饱和度达到预定值,平均精度为-0.008;有效降雨强度较大时,坡度为50°~60°的边坡,坡度越大产生饱和区的耗时越短,反之耗时越长;坡度30°~40°为易发浅层滑坡的“危险坡度”.     

利用地基微波辐射计探测降雨强度的方法研究

雨强,是无线通信电路设计中必不可少的参数.目前,降雨测量主要利用布设在测量区域的翻斗式或虹吸式雨量计直接测量.在一些人烟稀少的地区,雨量计无法布设,降雨测量无法进行.针对翻斗式或虹吸式雨量计测量降雨的这一缺点,研究了利用地基微波辐射计遥感雨区云层光学厚度来推算雨区降雨量的方法,并给出了一些用该方法测量本地降雨强度的试验数据,对该法的可行性和可靠性进行验证.     

淮河上游大坡岭流域土地利用方式变化引起的流域滞时变化

以淮河上游大坡岭子流域(简称大坡岭流域)为研究区域,基于研究区域1965—2009年间的26场单峰洪水,计算流域平均滞时。以1985年为界,比较土地利用变化前后流域平均滞时的变化,并计算不同降雨量级的流域平均滞时,分析滞时与径流深和洪峰流量的相关关系。结果表明:土地利用变化引起的流域平均滞时变化很大;除了降雨形心到洪峰流量的时间TLPC在土地利用变化之后减少外(从9.98 h减少为5.26 h),另外3种滞时,降雨形心到流量过程线形心的时间TLC、降雨开始到洪峰流量的时间TLP和最大降雨强度到洪峰流量的时间TLPP均增大(分别从21.32 h、34.64 h、10.00 h增加到26.77 h、35.08 h、11.50 h)。大坡岭流域土地利用变化前后以及整个时期4种滞时和降雨量级存在一定联系,与径流深及洪峰流量无相关关系。     

常州市不同下垫面污染物冲刷特征

为研究城市硬化下垫面降雨径流对污染物的冲刷特征, 选取常州市5类典型硬化下垫面, 采样监测2015年3-8月期间6场降雨径流及污染物浓度变化过程, 得到以下结果。1) 地面径流污染物EMC均值高于屋面径流; 地面径流SS和COD浓度超过水质标准Ⅴ类1.34倍和2.59倍; 屋面径流COD和TN浓度超过水质标准Ⅴ类1.8倍和 2.6倍。屋面径流中溶解态COD和TN分别占全量的72.78%和57.99%; 地面径流溶解态TN占全量的61.59%。2) 径流初期污染严重, 随着降雨过程逐渐降低, 最终趋于稳定。各下垫面污染物初期浓度从大到小依次为水泥地面、沥青地面、铺装地面、平屋面、斜屋面。冲刷过程中, 随雨强增大, 各下垫面污染物浓度升高, 呈波动式变化。各下垫面污染物均有冲刷初期效应, 下垫面初期冲刷强度从强到弱依次为平屋面、斜屋面、水泥地面和沥青地面。前期降雨强度越大, 污染物初期浓度越大, 初期效应越显著。降雨强度为大雨时, SS 浓度呈指数型衰减。降雨强度为小雨时, SS浓度先稳定, 随着降雨变密集开始逐渐减小。降雨强度为暴雨, 但降雨过程集中在中后期时, SS浓度呈先增大随后减小的趋势变化。3) 指数冲刷模型对屋面和水泥地面污染物径流冲刷模拟效果较好, 斜屋面、平屋面、水泥地面全量污染物冲刷系数分别为0.871, 0.765和0.025 mm⁻¹, 屋面冲刷强度远大于地面。斜屋面溶解态COD与颗粒态COD冲刷系数相近, 冲刷强度大。平屋面、水泥地面的颗粒态COD冲刷系数均大于溶解态COD, 颗粒态COD冲刷强度更大。     

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。     

降雨条件下饱和-非饱和土坡的渗流分析

运用饱和-非饱和渗流有限元法模拟降雨条件下饱和-非饱和土坡暂态渗流场的变化情况,分析降雨强度、降雨历时以及土壤饱和渗透系数等参数对非饱和土坡基质吸力的影响.分析结果表明:当饱和渗透系数较大、降雨强度小时,降雨入渗充分,孔隙水压力梯度变化大;饱和渗透性小时,降雨影响的深度变浅,基质吸力逐渐丧失;降雨初期,孔隙水压力梯度变化最明显,在降雨8 h之后,基质吸力完全丧失,对于土坡稳定安全不利.