黄土坡面径流侵蚀产沙动力过程模拟与研究

通过室内模拟冲刷试验系统研究了3°~30°坡度范围内坡面径流的侵蚀动力及产沙特征,分析了坡面径流能耗与径流侵蚀产沙之间的关系。结果表明,坡面径流平均流速随坡度和流量的增加而增大,流速与坡度和流量之间存在指数函数关系,坡度对流速的影响大于流量。在3°~21°坡度范围内,坡面径流单宽能耗随坡度的增加而增加,当坡度超过21°时,径流能耗随坡度的增加而降低。坡度对侵蚀产沙的影响也有类似的现象,在3°~21°坡度范围内,坡面径流平均单宽输沙率随坡度的增加而增大,当坡度达到临界极值21°和24°后,坡面径流平均输沙率随坡度增加而减小;在整个试验坡度范围内,径流平均单宽输沙率随流量的增大而增大;流量对坡面径流平均单宽输沙率的影响大于坡度。坡面径流平均单宽输沙率和单宽径流能耗之间存在明显的线性关系,其临界单宽径流能耗随坡度的增加而增加,土壤可蚀性参数随坡度的变化在10.368~30.366的范围变化,试验的土壤可蚀性的平均值为14.61。     

坡面细沟侵蚀产沙时空分布规律试验研究

利用放水冲刷试验结合稀土元素(REE)示踪技术对坡面侵蚀产沙特征及其时空变化进行了研究。结果表明:在径流冲刷下,坡面侵蚀产沙可分为三个不同的阶段并对应不同的产沙特征。其空间变化表现为,在6°、9°情况下,坡面不同坡段的相对侵蚀量沿下坡方向呈现出先减小后增大的趋势;在12°小流量情况下,坡面各坡段的相对侵蚀量与坡度较小的情况相似,当流量较大时,坡面各不同坡段的相对侵蚀量随坡长的增大而减小。但坡面最下端坡段的相对侵蚀量总是随着冲刷历时的延长而减小,其余各坡段的相对侵蚀量则呈现出缓慢的波动式上升。     

含沙量对草地坡面径流泥沙沉积和水力特性的影响

通过室内模拟试验,在坡度为3°和9°、流量为20和60L/min条件下研究了不同浓度(0～350kg/m3)含沙水流流经草地的泥沙沉积过程及其水力学特性。结果表明,坡面泥沙沉积量随含沙量的增加而增大,3°时泥沙沉积率与含沙量呈正相关,而9°时沉积率与含沙量呈反势。坡度对泥沙沉积影响显著,而在相同坡度条件下,两种流量试验的泥沙沉积量无明显差异。相同坡面坡上部位流速小于坡下部位,且含沙量对坡面流速影响较小。在相同坡度和流量条件下,水流雷诺数随含沙量的增大而减小。3°时水流阻力系数和曼宁糙率均随含沙量的增加而增大,而9°时含沙量对阻力影响不明显,因此在土壤侵蚀较严重地区进行坡面水文过程演算时需考虑含沙量对缓坡糙率的影响。     

峰丛洼地不同林龄核桃生物量与土壤养分的关系

文章以喀斯特峰丛洼地的核桃（Juglans regia）人工林为研究对象,采用野外与室内相结合的方法,分析了不同林龄核桃生物量与土壤养分的变化规律,比较了土壤养分与环境因子（坡度、坡向、坡位和裸岩率）的相关性,探讨了土壤养分对生物量的影响作用。结果表明:(1) 核桃林生物量随林龄的增大而增大;不同林龄均以树干和根系比重为主,占整个生物量的60%以上;(2) 除速效钾外,土壤养分表现为盛产期(33年)>幼苗期(2年)>初果期(10年),不同林龄之间的土壤养分差异显著;(3)相关分析表明,土壤养分与坡位、裸岩率无相关性,与坡度、植被覆盖率呈负相关;(4)主要影响核桃幼苗期生物量的是全磷,初果期的是速效磷,盛果期的是速效氮。因而土壤肥力状况是喀斯特地区核桃人工林培育需要考虑的重要因素之一。      

WEPP模型(坡面版)在贵州石漠化地区土壤侵蚀模拟的适用性评价

文章以贵州花江喀斯特石漠化地区为研究区域,利用WEPP模型(坡面版)分别模拟2006年、2010年土壤侵蚀模数,并将实测数据与WEPP模型模拟值作比较,探讨WEPP软件在喀斯特石漠化地区的适用性。研究表明:WEPP模型对于模拟喀斯特石漠化地区土壤侵蚀有较大误差,对土壤侵蚀模数模拟的有效性系数均为负值,不适用于直接计算该区域土壤侵蚀模数。WEPP模型对微度侵蚀模拟精度不够,但能大体反映不同径流小区之间土壤侵蚀强弱的关系和生态修复过程土壤侵蚀的变化趋势。若要应用WEPP模型对喀斯特地区土壤侵蚀模数模拟计算,必须考虑水土的地下漏失、地表裸岩率、地形高度破碎等环境条件。裸岩率、土壤漏失、地形条件等都是WEPP模型修正所必须注意的内容。      

不同坡度草地含沙水流水力学特性及其拦沙机理

参照黄土区侵蚀降雨和坡面片蚀产沙特征,采用恒流泥沙输送装置模拟坡面上方来水来沙,探讨不同坡度草地含沙水流的水力学特性及其对上方来沙的拦蓄机理。结果表明,草地坡面的水流弗劳德数随坡度增大而增加,而阻力系数与坡度呈反势。按明渠水流的一般标准,不同坡度草地水流均为层状缓流。草地坡面拦沙效应随坡度增大而减小,且径流前期的减沙作用较后期更为显著。不同坡度草地坡面的出流泥沙平均直径和大颗粒(>10μm)泥沙含量均显著小于上方来沙,这说明草地的拦沙效应主要体现在对大粒径泥沙的拦蓄上。     

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...     

银西高铁董志塬地区边坡侵蚀特性分析

黄土坡面侵蚀特性研究对于铁路边坡及路基防护具有重要的意义。通过银西高铁董志塬段某路基护坡坡面冲刷试验,获得了不同冲刷历时、冲刷流量、坡度等条件下的坡面冲刷结果,并对坡面流水动力学特性、坡面产沙规律、坡面产沙机理进行了分析,得出以下结论:（1）坡顶和坡底比坡面中部更易受侵蚀;30°～60°斜坡在较小的冲刷强度下也能产生较明显的侵蚀沟,宜采取45°左右的多级矮坡来减弱侵蚀强度。（2）坡面流水动力学特性分析表明,试验工况水流主要处于过渡流区;平均流速与冲刷流量、坡度呈幂函数关系;达西阻力系数与冲刷流量、坡度呈负相关,且与雷诺数相关性较低。（3）平均含沙量随冲刷流量与坡度的增大而增大,随历时近似线性增加,约20 min以后,含沙量基本稳定,此过程为坡面沟道发展阶段。（4）坡面侵蚀产沙量与侵蚀切应力、有效水流功率都呈正相关,与前者近似呈线性增大关系,而与后者近似呈幂函数关系。     

表层岩溶裂隙带土壤地表流失/地下漏失室内模拟实验

以表层岩溶裂隙带为研究对象,采用室内模拟降雨的方法,通过控制降雨强度、坡度、裂隙宽度、裂隙产状,研究其对土壤地表流失、地下漏失的影响。结果表明:（1）土壤地表流失主要受降雨强度和坡度的影响,土壤地表流失量随降雨强度的增大而增大、随坡度的增大而增大,30°坡面土壤地表流失量最高。（2）土壤地下漏失主要受裂隙宽度、产状和坡度的影响,对降雨强度的响应不明显;土壤地下漏失量与裂隙宽度大小呈正相关关系,裂隙走向与坡面走向呈30°时最容易发生土壤地下漏失;坡度与土壤地下漏失的发生呈负相关关系;伴随降雨,土壤地下漏失速率变化幅度较大,漏失速率先增加后减小直至停止。无落水洞、漏斗等管道的岩溶坡面土壤流失的主要形式是地表流失,而土壤地下漏失的主要通道是落水洞、漏斗等大型岩溶管道,土壤地下漏失对土壤流失的总贡献率小于5%。      

喀斯特裸坡土壤侵蚀模拟研究

文章通过人工模拟降雨试验,研究不同地下孔（裂）隙度、基岩裸露率和雨强对地表、地下产流、产沙的影响,其结果表明:（1）土壤侵蚀与地下孔（裂）隙度具有较高相关性,地表产流、产沙随地下孔（裂）隙度的增大而减小,而地下则相反;（2）坡面径流刚产生时,雨滴击溅和薄层水流冲刷,土壤细小颗粒堵塞其毛管空隙,渗漏率减小,而地表径流量增大,土壤团聚体被破坏、分散和迁移,降水与土壤渗漏率增大,地表径流量减小,雨滴击溅增强,如此循环,降水与土壤渗漏率呈波动性变化;总体而言,地表、地下悬移质均随降雨历时呈下降趋势,而地表推移质则相反,地表、地下产流量变幅较小,趋于平行;（3）地表产流、产沙量随基岩裸露率增大呈波动性变化,总体呈下降趋势;而地下产流、产沙量随基岩裸露率增大呈波动性变化,总体呈增大趋势;（4）在较小雨强30 mm/h时,地表只产生悬移质流失,没有产生推移质流失;地表、地下产流、产沙都是随雨强增大而增大;雨强由30 mm/h增大到150 mm/h,地表累积产流量为538.5 L,累积产沙量为2 393.81 g,地下累积产流量为207.8 L,累积产沙量为687.73 g,累积产沙量的递增速率比累积产流量的递增速率要大,地表产流、产沙的递增速率大于地下产流、产沙的递增速率;（5）各因子与土壤侵蚀间相关程度为:降雨历时>雨强>地下孔（裂）隙度>基岩裸露率。该实验有助于为喀斯特地区的水土流失研究、评价及制订石漠化治理措施提供理论依据。      

泥沙输移与坡面降雨和径流能量的关系

从导致土壤侵蚀的降雨和径流能量出发,提出了基于物理学原理的降雨能和径流能的概念,并采用人工模拟降雨实验,分析了泥沙输移与降雨和径流能的关系,结果显示:坡面薄层径流泥沙剥蚀量随着地表坡度、降雨能和径流能的增加而增加,雨滴击溅作用下泥沙剥蚀量远远大于无雨滴击溅作用时泥沙剥蚀量;薄层水流泥沙浓度随着坡度和降雨能的增加而增加,当坡度和降雨能一定时,泥沙浓度随着径流能的增加而减小;降雨扰动系数与降雨和径流能的比值按照对数关系增长,在相同坡度下,当降雨能一定时,降雨扰动系数随着径流能的增加而减小,当径流能一定时,降雨扰动系数随着降雨能的增加而增加。降雨能是导致泥沙剥离的本质,径流能是泥沙搬运的动力。     

Effects of sheet flow rate and slope gradient on sediment load

Sheet erosion is known as one of the most important forms of erosion, particularly in agricultural land. The purpose of this study was to investigate the effect of flow rate and slope gradient on runoff and sediment discharges in two different soils. Experiments were conducted using a tilting flume facility with the test area of 0.2?×?1.0 m. Overall, 24 experiments on two soils (clay loam and sandy clay loam textures) including six flow rates (75, 100, 125, 150, 175, and 200 ml/s) and two slope gradients (1.5 and 2 %) were performed. The selected flow rates and flume slopes were generated to simulate sheet erosion. The results showed that for both soils and slopes, unit flow discharge (q) and sediment concentration increased with increasing flow rate; however, the effect of slope gradient on flow discharge depends on soil type. In addition, sandy clay loam exhibited higher values of q and sediment concentration and consequently, it showed greater amounts of sediment load. At the start of event, sediment concentration was high but it decreased to approach a steady state. In addition, the time needed to reach a steady state condition was shorter for sandy clay loam than that for clay loam soil and in lower flow rates than higher flow rates. For each soil and slope, there was a direct relationship between sediment load and flow rate. The result implied that the effect of slope gradient on sediment load was almost greater in sandy clay loam soil than clay loam soil. Moreover, the differences between sediment loads of two soils are enlarged at slope 2 %.     

基于人工降雨试验的淮北地区产流产沙差异性研究

针对淮北地区水土流失问题,利用野外人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(40mm/h、60mm/h和80mm/h)和坡度(5°、10°和15°)条件下砂姜黑土和黄潮土产流产沙差异。结果表明:砂姜黑土初始产流时间长,产流总量小。坡面出现细沟时,砂姜黑土初始含沙量随时间变化有减小趋势,最终趋于稳定,而黄潮土含沙量呈波动变化;60mm/h、80mm/h雨强10°坡砂姜黑土产沙总量大于黄潮土,其他情况黄潮土产沙总量大于砂姜黑土,黄潮土土壤侵蚀严重。砂姜黑土表面细沟发育密度大,主要在坡面中下部,为相互连通的树枝状结构,而黄潮土表面细沟发育密度小,形成沟壑。两种土壤产流总量、产沙总量与坡度、雨强分别呈多元线性函数、多元幂函数关系,雨强对坡面产流产沙总量的影响大于坡度。     

植被作用下土壤抗剪强度和径流侵蚀力的耦合效应

利用野外径流小区动态监测和人工模拟降雨试验,阐明了草被和灌木的减流减沙效应,从力学层面揭示了坡面侵蚀产沙的过程机理。结果表明,与裸地相比,野外坡面草地和灌木地径流量分别减少28.1%~56.5%和85.7%~100%、产沙量分别减少84.9%~90.7%和98.5%~100%;在人工模拟降雨强度下,草地和灌木地径流量分别减少51.9%~90.9%和61.7%~80.6%、产沙量分别减少93.6%~99.2%和95.5%~99.2%;植被具有明显的增强土壤抗剪强度的作用,不同植被坡面抗剪强度与剪切面上的法向压力成正比,且符合库仑定律;不同下垫面条件下土壤黏聚力与坡面径流量和侵蚀产沙量呈显著的负相关关系,随着黏聚力的增大,径流量和侵蚀产沙量呈下降趋势;草地和灌木地坡面侵蚀临界径流切应力分别为裸地的2.64~3.16倍和2.44~3.18倍,建立了不同被覆坡面临界径流切应力与土壤抗剪强度和黏聚力的关系。研究结果对定量评价植被减蚀作用和深化土壤侵蚀力学过程有一定的参考意义。     

碎石土及碎石土-基岩地基斜坡场地m值研究

四川山区输电线路常在陡峻斜坡走线,碎石土、基岩二元结构地层分布普遍。针对此类场地和地基,斜坡桩基水平抗力系数的比例系数m值取值是陡峻边坡输电线路铁塔桩基设计中亟待解决的问题。根据单桩水平静载试验获取m值,采取现场试验、室内模型试验、数值模拟3种方法进行综合分析,研究了陡峻边坡碎石土、碎石土-基岩地基基桩水平作用力参数m值的变化规律、影响因素及取值。得出以下结论：斜坡场地m值随坡度的增大呈线性减小,且碎石土地基减小幅度大于碎石土-基岩地基;对m值影响程度最重要的因素依次为场地坡度、土体密实度、桩长、桩径;提出陡峻边坡碎石土、碎石土-基岩场地考虑以上重要影响因子的m值估算公式,并给出了修正系数。     

Stratigraphic evolution of an outcropping continental slope system, Tres Pasos Formation at Cerro Divisadero, Chile

Depositional slope systems along continental margins contain a record of sediment transfer from shallow‐water to deep‐water environments and represent an important area for natural resource exploration. However, well‐preserved outcrops of large‐scale depositional slopes with seismic‐scale exposures and tectonically intact stratigraphy are uncommon. Outcrop characterization of smaller‐scale depositional slope systems (i.e. < 700 m of undecompacted shelf‐to‐basin relief) has led to increased understanding of stratigraphic packaging of prograding slopes. Detailed stacking patterns of facies and sedimentary body architecture for larger‐scale slope systems, however, remain understudied. The Cretaceous Tres Pasos Formation of the Magallanes Basin, southern Chile, presents a unique opportunity to evaluate the stratigraphic evolution of such a slope system from an outcrop perspective. Inherited tectonic relief from a precursor oceanic basin phase created shelf‐to‐basin bathymetry comparable with continental margin systems (～1000 m). Sedimentological and architectural data from the Tres Pasos Formation at Cerro Divisadero reveal a record of continental margin‐scale depositional slope progradation and aggradation. Slope progradation is manifested as a vertical pattern exhibiting increasing amounts of sediment bypass upwards, which is interpreted as reflecting increasing gradient conditions. The well‐exposed, seismic‐scale outcrop is characterized by four 20 to 70 m thick sandstone‐rich successions, separated by mudstone‐rich intervals of comparable thickness (40 to 90 m). Sedimentary body geometry, facies distribution, internal bedding architecture, sandstone richness and degree of amalgamation were analysed in detail across a continuous 2·5 km long transect parallel to depositional dip. Deposition in the lower section (Units 1 and 2) was dominated by poorly channellized to unconfined sand‐laden flows and accumulation of mud‐rich mass transport deposits, which is interpreted as representing a base of slope to lower slope setting. Evidence for channellization and indicators of bypass of coarse‐grained turbidity currents are more common in the upper part of the > 600 m thick succession (Units 3 and 4), which is interpreted as reflecting increased gradient conditions as the system accreted basinward.