利用REE示踪法研究坡面侵蚀过程

次降雨条件下坡面侵蚀形态的演变过程和细沟的发生发展过程是土壤侵蚀规律研究中的重点和难点。利用REE示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验方法,通过室内模拟降雨试验,对坡面侵蚀演变过程进行了探索性研究。结果表明:降雨初期坡面侵蚀以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟侵蚀量逐渐增加,但后者的增加速率大于前者,面蚀占总侵蚀量的比率随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量为面蚀量的2～4倍。本研究为定量区分和研究坡面侵蚀过程中面蚀和细沟侵蚀量,面蚀向细沟侵蚀的转变以及细沟侵蚀发生、发育提供了新的思路和解决途径。     

坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征研究

利用变坡度坡沟系统概化模型和人工模拟降雨试验,定量分析了在60、90和130mm/h降雨强度下坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征。结果表明,上方汇水和降雨强度的增大使坡沟系统水流雷诺数和弗劳德数呈明显增大,水流流态由缓流演变为急流,坡面水流阻力系数明显减小,从而使坡沟侵蚀产沙量显著增大。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

黄土坡面侵蚀产沙时空演变的REE示踪技术研究

室内交叉布设不同的稀土氧化物,通过人工模拟次降雨,在同一试验条件下,对坡面侵蚀沿顺坡方向和深度方向的演变过程同时展开研究。结果表明:REE示踪技术对定量研究土壤侵蚀具有较高的精度;降雨前期,片蚀与细沟侵蚀发育程度基本相当;后期细沟侵蚀占据坡面侵蚀的主导地位,其侵蚀平均加速度和平均侵蚀率分别是片蚀的15倍、9倍;试验结束,细沟侵蚀占据坡面总侵蚀的90%;本试验条件下,坡面下1/3区域为侵蚀活跃带。     

辽西黄土陡坡的冲刷破坏机制

以70°辽西黄土陡坡为例,在降雨强度为2.7 mm/min条件下对边坡坡面冲刷破坏特征进行了室内物理试验模拟。试验发现：随着降雨的持续坡面水流能量不断增加,致使侵蚀强度增强;边坡的侵蚀方式从试验初期的片蚀,到中期的细沟侵蚀,最后演化为坡顶部的切沟侵蚀和坍塌。基于试验成果,采用SEEP/W程序对降雨条件下边坡降雨入渗规律进行数值模拟,发现在降雨过程中坡顶部所产生的水头压力最大,随高度降低呈减小趋势;运用PFC2D颗粒流软件从微观角度对坡体土颗粒运动情况进行模拟,结果发现位于坡顶的颗粒最先被径流冲刷带走,且下落速度很快。经对比表明：数值模拟结果和物理模拟试验现象基本一致,可为进一步研究黄土边坡冲刷破坏规律提供参考。     

细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用,采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强（66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h）条件下,不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明,黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大,而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式,坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势;产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系,尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916,细沟的出现会加剧侵蚀,使含沙量明显增加;不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同,细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。     

蒋家沟流域坡面侵蚀特征实验研究

受流域内物质成分、气候条件和复杂侵蚀营力的影响,蒋家沟流域坡面侵蚀现象甚为严重。根据流域内坡面物质成分、气候、降雨等方面分析了发生坡面严重侵蚀的原因;并进行了大量的人工降雨侵蚀实验,分析降雨坡面产流产沙过程和特征。实验结果表明径流随降雨时间和降雨量的增加呈跳跃和波动性增加,泥沙含量随降雨时间增加而逐渐减小。     

模拟降雨条件下坡面细沟形态演变与量化方法

为探明坡面土壤侵蚀过程中细沟的演变规律,研究细沟形态特征量化方法是非常重要的。利用室内土槽模拟降雨试验,对比了45 mm/h、87 mm/h和127 mm/h雨强下容重分别为1.30 g/cm3和1.05 g/cm3两种黄土在20°陡坡坡面细沟发育形态的差异,并分别采用分形维数、拓扑参数对细沟沟网的形态特征进行量化描述,引入地貌信息熵理论进行坡面地貌信息熵计算,然后对各量化参数的敏感性进行了分析。结果表明,分形维数作为整体性的量化参数,对描述发育成熟的细沟形态差异不够灵敏;坡面地貌信息熵能够反映侵蚀过程中侵蚀程度的变化,对细沟发育程度的描述较为灵敏;细沟沟网的拓扑特征参数较好地体现了沟网内部结构的差异,可用于描述沟网内部结构特征的较灵敏参数。     

植被影响下坡面侵蚀临界水流能量试验研究

坡面侵蚀临界水流能量是反映土壤抗蚀作用强弱的重要特征值.利用人工模拟降雨试验,定量研究了在45mm/h、87 mm/h和127 mm/h降雨强度下、20°陡坡面裸地、草地和灌木地的坡面侵蚀临界水流能量.结果表明,不同植被条件下坡面输沙率随径流切应力、单位水流功率和断面比能的增大而增大,有良好的响应关系.裸地、草地和灌木...     

坡面流速及侵蚀产沙空间变异性试验

在野外放水试验条件下,利用染色法和侵蚀针法分别观测坡面流速和侵蚀产沙空间变异性。结果表明,坡面各横向断面的流速与距坡顶距离之间呈正相关,且相关性随流量增大逐渐变得显著,纵向断面流速的变异程度明显强于横向断面。总体上,上、下坡位侵蚀程度较重,而中坡位最轻;小流量时沉积作用明显,大流量时距坡顶0~2 m范围为净侵蚀区;各坡段侵蚀量与其距坡顶距离之间呈负相关;发生泥沙沉积部位随流量增大逐渐下移,细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例随流量增大不断增加。试验条件下流速为0.30 m/s时,细沟侵蚀产沙大于细沟间侵蚀,且坡面侵蚀量迅速增大。随流量增大,流速和侵蚀产沙量呈增大趋势;但在流量较大时,坡面各坡位侵蚀量与流速呈负相关,这可能与坡面中下部位粗颗粒泥沙沉积以及含沙水流的挟沙能力基本达到饱和有关。     

土壤侵蚀链内细沟浅沟切沟流动力机制研究

通过模拟降雨试验的方法,系统研究了细沟流流速与流量、水深与流量、流速与水深及阻力系数与雷诺数之间的关系,雨强与坡度对细沟流水力特性的影响,不同细沟流流型、流态及水动力要素作用下的侵蚀特点,并对浅沟与切沟流的水动力特性及侵蚀规律进行了初步探讨.研究结果对于揭示土壤侵蚀链内不同侵蚀方式下的水沙流动力学机制,以及土壤侵蚀演化规律具有重要意义.     

模拟降雨条件下坡面流水动力学特性研究

为探明降雨条件下沙黄土坡面水流水动力学特性,以流体力学和泥沙运动力学理论为依据,通过5个坡度和5个雨强组合条件下室内模拟降雨试验,系统研究了坡面水流水力参数的变化规律。结果表明,降雨条件下坡面薄层水流雷诺数均小于580,处于层流失稳区;水流流型随雨强和坡度的变化而发生转捩,当坡度较缓、雨强较小时,床面形态处于低能态区和过渡区,床面出现沙纹现象,水流宏观上呈缓流,反之,坡度较陡、雨强较大时,床面由沙纹和沙垄向动平床过渡,宏观上多呈急流;并根据薄层水流阻力组成特点,推导出沙黄土坡面薄层水流阻力计算公式。验证结果表明,该式误差较小,可为坡面侵蚀预报模型的构建提供参考。     

The efficiency of artificial materials used for erosion control on steep slopes

This study investigates the performance of artificial materials used for erosion control on steep slopes under high rainfall intensity. Soil samples were laid on a 300 × 100 cm platform inclined at either 35° or 45°, after which the soil was covered with various materials and subjected to a rainfall intensity of 130 mm/h for an hour. A wooden-block net covered with a jute net resulted in the greatest erosion resistance, providing 83% resistance at 35° and 76% at 45°. On the 35° slope, the artificial materials showed relatively good erosion resistance. As the slope was raised to 45°, some of the materials did not attach effectively to the soil surface. Thus, the runoff velocity increased and erosion became severe. For optimum erosion resistance, the material used to protect soil must attach to the soil surface well and have structural properties, such as a high coverage ratio to reduce the impact of rainfall on the soil and uniformly distributed transverse structures to reduce runoff energy and trap soil.     

黄土丘陵区土壤侵蚀链垂直带水沙流空间分布

采用多坡段组合模型、人工模拟降雨实验研究了土壤侵蚀链垂直带水沙流空间分布变化特征。结果表明:愈向下坡方向的坡段产流量愈大,单位面积、单位时间的产流量按坡段排列为:谷坡>梁峁坡下部>梁峁坡中部>梁峁坡上部。雨强为29.7mm/h时,坡面上没有沟蚀发育;雨强为60.5mm/h时,细沟主要分布在梁峁坡下部和谷坡处;雨强为90 2mm/h时,各种侵蚀形态在坡面均有较好发育,细沟的出现部位一直伸展到梁峁坡中部和上部之间。由于上坡来水来沙的作用,梁峁坡的产沙量增大了20.2%～63.5%,谷坡的产沙量增大了42.9%～74.5%。