坡长对离石黄土坡面径流含沙量影响的模拟降雨研究

采用室内人工模拟降雨试验方法,探讨了离石黄土陡坡面降雨条件下坡长对径流含沙量的影响,并初步分析得出不同雨强范围内布设水土保持措施的临界坡长.结果表明,径流含沙量随坡长的延长呈波动变化趋势,且随雨强增大,含沙量达到峰值的临界坡长有所减小(雨强≤60mm/h时临界坡长为4m,雨强60mm/h时为3m);坡长每延长相同长度,含沙量增量不相等且无明显变化规律;坡长1~5m时含沙量随雨强的增大整体呈增加趋势,但在60~80mm/h雨强时增幅最小,坡长2m和4m时增量甚至为负值,建议雨强大于60mm/h时需重点监测,以减少坡面水土流失;雨强与含沙量呈正相关关系,其与径流含沙量的相关性较坡长大(偏相关系数分别为0.810、0.383),坡长、雨强与含沙量的关系可用线性方程描述(R~2=0.68).     

不同雨强和坡度条件海涂盐土边坡侵蚀细沟发育过程

采用室内人工模拟降雨试验,在不同坡度(11.3°、21.8°、35.0°)和降雨强度(85 mm/h、110 mm/h、125 mm/h)条件下,模拟海涂盐土边坡细沟发育过程。坡面侵蚀细沟发育动态采用数码摄像进行监测,通过Image-Pro Plus(IPP)6图像分析软件对图像和数据进行整理。结果表明:(a)不同坡度和降雨强度条件下,径流产生后,很快在坡面形成细沟且细沟沟网密度变化较快;细沟数量、细沟深度、细沟平均宽度和细沟密度均随降雨时间延长而增大。(b)缓坡度条件下,土壤跌坑发育慢,细沟侵蚀率低;随着坡度增大,坡面跌坑形成后水流聚集迅速,水流侵蚀冲刷力强,细沟发育快。(c)细沟发育越深,坡面细沟数量也越多;坡面侵蚀率与细沟平均深度及水流雷诺数分别在p0.05和p0.01水平上呈显著的正线性相关关系。     

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.     

基于KINEROS2对坡面径流侵蚀及总氮流失的模拟分析

坡面土壤侵蚀及养分流失是造成土地生产力下降、地表水体富营养化等环境问题的主要原因.采用物理模型对次降雨条件下坡面径流量、侵蚀量及养分流失量进行准确估算具有重要意义.本文通过不同降雨强度(20、50、75mm/h)、不同坡长(1、5、10、15、20m)下径流小区内人工模拟降雨试验,分析了坡面径流侵蚀特征及总氮(TN)流失特征,构建了估算坡面总氮流失量的经验模型,并将其嵌入基于次降雨的KINEROS2(A Kinematic Runoff and Erosion Model)模型中进行模拟验证.结果表明:降雨强度是影响坡面径流率、侵蚀率及总氮流失率的主要因素;降雨强度、坡长及其交互作用与径流量、侵蚀量之间呈多项式关系(决定系数R~20.95);坡面总氮主要以结合态的形式流失,且坡面TN流失量与径流量、侵蚀量之间呈一元线性关系(R~20.92);KINEROS2对次降雨条件下坡面径流量、侵蚀量的模拟精度较高(相对误差RE,0.03%～11.31%);嵌入坡面TN流失模型的KINEROS2对径流中TN流失量、泥沙中TN流失量及坡面TN流失量模拟效果较好(R~20.91,纳什系数NSE0.76).     

坡度与雨强对磷和稀土元素径流输出的影响研究

通过系列室内人工降雨模拟试验,观察了不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)和不同降雨强度(43mm/h、83mm/h、115mm/h)组合条件下,3种外源稀土元素Nd、Ce、La和磷素随土槽坡面径流输出的特征.结果表明,92%以上的外源稀土元素和磷素都是以径流颗粒物形式输出,且3种外源稀土元素与磷素随径流输出的总量均呈极显著的相关性;在不同雨强下,外源稀土元素和磷素随径流流失总量与坡度呈二次抛物线型关系,即随坡度增大而增大,但土槽坡度增加到一定程度时存在转折点,临界坡度的变化范围为22—26°.     

黄土高陡塬坡降雨侵蚀机制及生态防治技术

黄土高原地质环境异常脆弱。近年来一系列人类工程活动(如平山造城,治沟造地,固沟保塬等)其作用速度和强度已远超地质营力和生态承载力,导致黄土灾变不断发生。本研究遵循人地和谐发展的理念和目标,选取位于陕北延安典型生态修复区内的高陡黄土塬坡作为灾变防控示范区,采用添加黄土固化剂新材料和移植草皮新工艺相结合的方法对黄土塬坡进行改良修复。通过室内模拟试验控制塬坡初始条件和降雨过程,开展了多组不同雨强条件下(60mm/h,120mm/h,150mm/h,180mm/h)的室内人工降雨侵蚀物理模拟对比试验,揭示了降雨过程中黄土塬坡面侵蚀灾变动态演化规律,细化了坡体内部岩土体物理力学参数(孔隙水压力,含水率)与地表变形(地表倾斜仪)和降雨强度之间的响应关系。试验结果表明,从“控水”的角度出发,改良后黄土与新工艺的运用一方面能够成功降低坡面径流的侵蚀程度,另一方面,低渗材料减缓了地表水的垂直入渗转化为地下水,防止了水土流失、溃散性失稳和大范围的湿陷沉降破坏,同时,草皮移植技术的实践也满足了生态修复的目的。     

基于坡面径流输沙模型的湘中红壤丘陵区土壤有机碳流失模拟研究

坡面径流是泥沙和土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)流失的主要动力.本研究以典型湘中红壤丘陵区坡耕地(翻耕和免耕)为研究对象,通过野外径流小区模拟降雨试验,对已建立的以径流率为变量的对数线性回归坡面径流输沙模型进行修正,并结合泥沙中SOC的富集特性,建立湘中红壤丘陵区的坡面SOC流失模型.研究结果表明:坡面SOC流失模型能够有效地应用于湘中红壤丘陵区次降雨过程中坡面SOC流失的模拟中,且具有较好地模拟效果,SOC流失率模拟平均误差在30%左右,决定系数在0.85以上;同时模拟结果表明,泥沙和SOC流失过程在坡面径流侵蚀影响下呈现波动状态,表现为产流开始后10min泥沙和SOC流失呈增加趋势,其后在波动中逐渐趋于平稳;通过比较翻耕和免耕条件坡面径流输沙和SOC流失模型,结果显示侵蚀性降雨条件下,翻耕方式泥沙和SOC流失率大于免耕方式.非侵蚀性降雨条件下,翻耕方式泥沙和SOC流失状况与免耕方式一致.     

降雨-植被格局耦合作用对坡沟系统水沙特征影响

不同植被格局的产流产沙特征是研究坡沟系统植被调控机理的重要基础.本研究以坡-沟系统物理模型为载体,通过间歇性模拟降雨试验对坡面5种覆草格局的产流产沙特征进行了分析.结果表明,植被格局对坡沟系统的产流产沙量均有显著性影响(p0.05).坡下部的蓄水减沙效益总体优于坡上部,但在坡沟系统条件下,并非将草带种植得越靠近坡面最下端,其蓄水减沙效益最佳,不同植被格局的蓄水减沙效益依次为:坡面中下部坡下部坡面中上部坡面上部,即将草带种植在距离坡面4m时其水土保持效果最佳,此处可减水7.35%,减沙62.93%.在不同格局条件下,第2、3次降雨径流量均值分别比第1次降雨增加5.39%~37.16%、1.83%~21.83%,产沙量均值分别比第1次减少42.05%~82.45%、72.34%~92.26%,即随着降雨场次的增加,径流量略有增加且趋于稳定的时间逐渐缩短,产沙量急剧下降.在不同植被格局条件下,随着模拟降雨历时的延长,径流量在0~10min内以约0.54L/min的速度快速增加至8~10L/min,之后处于水平稳定状态.产沙量的变异系数Cv在50%以上,产沙过程波动剧烈.草带削减径流量为5%左右,蓄流作用稍弱,相对来说对泥沙的拦截作用较好,能使产沙量下降33%左右.     

雨强和坡度对嵌套砾石工程边坡侵蚀特征的影响

为探究不同雨强和坡度对西南高山-亚高山地区急陡、高砾石含量工程边坡土壤侵蚀的影响.采用室内模拟降雨及人工配置土壤等方法,在5种雨强(25,40,45,65,85 mm/h), 5种坡度(35°,40°,45°,50°,60°)条件下进行模拟实验.研究结果表明:工程坡面产流率随着雨强的增加呈对数增加.不同雨强下坡面平均产流率变化过程随着坡度的变化差异性具有统计学意义.随着雨强的增加,同一坡面工程边坡侵蚀率明显增多.当雨强为40 mm/h时,工程坡面侵蚀率随坡度变化较小(0.015 g/s);当雨强为65 mm/h时,同一坡面的侵蚀率随着坡度的增加而减少.工程坡面溅蚀率整体呈现出迅速增长至峰值后缓慢下降的趋势.同一边坡随着雨强的增加,坡面击溅侵蚀率在产流前和产流时都有明显的增加,不同粒径土壤增速具有明显差异,同一坡面随着坡度的增加,坡面泥沙溅蚀率存在临界值(40°～45°).降雨强度与土壤侵蚀相关性有统计学意义,不同雨强下坡度与径流过程和侵蚀过程的相关性具有明显差异性.结论:工程边坡中砾石具有增加下渗率和抗侵蚀作用,工程坡面土壤侵蚀率随降雨历时逐渐下降;坡度的增加在增大坡面流速的同时会降低坡面实际承雨面积,工程坡面土壤侵蚀率随坡度的增加呈非线性关系.     

沐川县某滑坡形成机制及复活预测

通过对沐川县某平推式滑坡调查分析得出其形成机制:在地震波作用下,坡体在‘楔劈'效应、杠杆作用和PGA放大效应耦合作用下,于坡肩处产生震裂裂隙;其后在降雨入渗作用下,裂缝发育、贯通,坡体蠕变加速;最后在强降雨作用下,滑坡启动.模拟计算发现:当降雨强度为2 mm/h时,滑坡复活可能性不大;而当降雨强度分别为5 mm/h、7 mm/h、10 mm/h工况下,持续降雨时间分别达60 h、45 h、30 h时,滑坡有较大概率复活.