连续降雨下不同砾石含量工程堆积体土壤侵蚀

为探究砾石对工程堆积体土壤侵蚀的影响与其作用机制,通过室内模拟降雨研究了连续降雨下不同砾石含量的重壤质堆积体水蚀过程。结果表明:①堆积体砾石含量增加,坡面产流历时延长,产流率线性减小,土壤剥蚀率降低;②连续降雨下,堆积体所含砾石主要通过对坡面产流历时、坡面产流率、砾石覆盖率的多重影响发挥减沙作用,主成分回归方程可表达多个变量与平均土壤剥蚀率的关系;③一定砾石含量下,堆积体坡面砾石覆盖率随表土的剥离而增大,导致土壤剥蚀率呈指数函数递减趋势,并与累积土壤侵蚀总量存在较好的函数关系。工程堆积体所含砾石对土壤侵蚀程度的削减可为生产建设项目下垫面水土保持治理提供重要参考。     

赣北红土区工程堆积体坡面水动力特性

为探明锥状工程堆积体坡面薄层水流剥蚀率与水力要素之间的关系, 室内模拟赣北红土区散乱锥状工程堆积体。通过人工降雨试验, 设计4种降雨强度(1.0~2.5mm/min)和3种砾石含量(10%~30%)完全组合。采用灰色关联度分析法, 评估坡面水力参数与土壤剥蚀率之间的关联度。结果表明:① 在试验条件下, 坡面水流功率与土壤剥蚀率呈幂函数关系;② 当堆积体砾石含量一定时, 以降雨强度为变量能反映堆积体坡面水力参数与土壤剥蚀率之间的关联度;③ 当降雨强度一定时, 大雨强下(≥1.5mm/min)堆积体砾石含量不宜作为灰色关联度分析的变量。综上所述, 水流功率是描述赣北红土区锥状工程堆积体侵蚀过程的最佳水力参数, 可用于建立堆积体侵蚀物理模型。     

砾石覆盖紫色土坡耕地水文过程

紫色土中砾石分布广泛,地表常为砾石覆盖,砾石覆盖对土壤水文过程有着重要影响。试验小区(2 m×1 m)为坡度23°的坡耕地, 试验降雨强度为(53.9±2.8)mm/h、 (90.8±6.1)mm/h和(134.3±14.9)mm/h, 砾石覆盖度为0%,11%,20%,33%和42%。通过原位人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下砾石覆盖对降雨入渗、地表产流及壤中流产流的影响。结果表明:砾石覆盖对入渗过程影响显著,稳定入渗速率及稳定入渗系数与砾石覆盖度呈正相关关系,3种降雨强度下,稳定入渗系数分别为47.70%~86.59%,30.61%~82.83%、17.76%~77.44%,42%砾石覆盖度小区的稳定入渗速率分别是裸露小区的1.95~4.94倍;地表砾石覆盖延迟地表产流、减少地表径流量,地表产流时间随着砾石覆盖度的提高呈增加趋势,地表径流速率及地表径流系数随砾石覆盖度的增加而降低,相对地表径流系数与地表砾石覆盖度呈指数负相关关系;地表砾石覆盖促进壤中流的发生、增加壤中流量,壤中流产流时间随着砾石覆盖度的增加逐渐缩短,壤中流径流速率及壤中流径流系数随地表砾石覆盖度的增加而提高,相对壤中流径流系数与地表砾石覆盖度呈指数正相关关系。     

黄土丘陵沟壑区坡面尺度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

为研究黄土丘陵沟壑区多种因素对撂荒草地入渗特征的影响,采用野外自然降雨观测法,研究不同降雨特征（降雨量、平均雨强、降雨历时和最大30 min雨强（I₃₀））、土壤前期含水量、坡长（10 m、20 m、30 m、40 m和50 m）和植被盖度条件下土壤入渗特征差异,通过灰色关联度法判断影响撂荒草地入渗特征的主导因子。结果表明:①入渗量随降雨量、降雨历时和I₃₀增加而增大（R2>0.55,P < 0.01）;入渗补给系数随降雨量、I₃₀和平均雨强增大而减小（R2>0.12,P < 0.05）;平均入渗率随降雨强度、I₃₀增加而递增（R2>0.53,P < 0.01）。②入渗量和平均入渗率随前期含水量增加而减少,入渗补给系数随之增加而增大（R2>0.13,P < 0.05）。③入渗量、入渗补给系数和平均入渗率总体随坡长增加而增大（R2>0.56,P < 0.01）,但在坡长30 m和40 m之间存在临界坡长。④在入渗效率较高的情况下,植被对土壤入渗的影响并不显著,降雨特征和坡长成为主导因子。     

黄土丘陵沟壑区坡面尺度撂荒草地入渗特征影响因素试验研究

为研究黄土丘陵沟壑区多种因素对撂荒草地入渗特征的影响,采用野外自然降雨观测法,研究不同降雨特征（降雨量、平均雨强、降雨历时和最大30 min雨强（I₃₀））、土壤前期含水量、坡长（10 m、20 m、30 m、40 m和50 m）和植被盖度条件下土壤入渗特征差异,通过灰色关联度法判断影响撂荒草地入渗特征的主导因子。结果表明：①入渗量随降雨量、降雨历时和I₃₀增加而增大（R²>0.55,P<0.01）;入渗补给系数随降雨量、I₃₀和平均雨强增大而减小（R²>0.12,P<0.05）;平均入渗率随降雨强度、I₃₀增加而递增（R²>0.53,P<0.01）。②入渗量和平均入渗率随前期含水量增加而减少,入渗补给系数随之增加而增大（R²>0.13,P<0.05）。③入渗量、入渗补给系数和平均入渗率总体随坡长增加而增大（R²>0.56,P<0.01）,但在坡长30 m和40 m之间存在临界坡长。④在入渗效率较高的情况下,植被对土壤入渗的影响并不显著,降雨特征和坡长成为主导因子。     

前期土壤含水量对红壤坡面产流产沙特性的影响

利用田间人工模拟降雨试验,研究了前期土壤含水量对两种红壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响.结果表明:前期含水量越高,两种土壤都是产流越快,达到稳定径流和入渗的时间越短.低含水量区(干态和稍干),两种土壤的径流系数和入渗率都与降雨时间呈线性关系,并在60 min内达不到稳定.高含水量区(稍湿和湿态),两种土壤的径流系数、入渗率及产沙速率与降雨时间关系都符合Boltzmann(玻耳兹曼)方程;第四纪红粘土发育的红壤稍干态和红砂岩发育的红壤干态下的产沙速率在整个降雨过程中变化不明显,并都维持在较低水平;第四纪红粘土发育的红壤干态和红砂岩发育的红壤稍干态下的产沙速率随着模拟降雨的进行而大致以线性关系增大.土壤前期含水量越高,两种土壤坡地累tk积入渗量都越小,雨水转化为土壤水分的比率亦越小.     

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。      

降雨作用下马兰黄土渗透规律实验研究

通过自主研制的非饱和土直渗仪,对高为15cm、直径为12.5cm的圆柱形黄土试样进行降雨强度分别为16mm/h、50mm/h、70mm/h的渗透模拟试验,分析降水入渗深度、径流、富集量等与时间的对应关系,探究降水-黄土间的作用模式。得到实验结果:①不同雨强作用下,降水入渗锋面均呈漏斗状,凹面向下,均匀推进;②试验后试样含水率均超过液限,但随雨强增大含水率相应减小;③雨强16mm/h时无径流产生,雨强50mm/h、70mm/h时径流分别在试验开始29min和14min时形成;④降水入渗具有阶段性,雨强16mm/h,可分为快速下渗、缓慢下渗和匀速下渗三个阶段;雨强50mm/h、70mm/h,水开始入渗速率与土自身吸水能力有关,待上覆土饱和,水不仅受重力还受水驱动力的作用,入渗速度加快,最后稳定。获得结论包括:(1)雨强越大,水受重力和水力梯度作用越大,水下渗速度越快,充填孔隙的水就越少;(2)在雨强大于土体吸水能力的一定范围内,雨水补给量、径流量、下渗量以及充填量之间随降雨历时、入渗深度、孔隙度变化等因素出现相互制约、相互促进的关系;(3)试样完成渗流后,土体内形成稳定流,富集量与时间呈线性关系。     

坡面松散砾石土侵蚀过程及其特征研究

砾石土因其含砾、粉细砂和粘性土,具有级配宽、不均匀系数大、透水性强等特点,在土石坝防渗体土料和工程防渗墙中得到广泛应用。目前的研究多针对砾石土在工程应用方面,对于坡面松散砾石土降雨淋滤作用导致土体细粒成分流失、土体组构改变以至影响土体力学性质变化以及坡面物质稳定性变化等系列研究并不多见。利用人工降雨装置,进行了人工降雨坡面松散砾石土降雨淋滤试验,开展了砾石土侵蚀过程及其特征初步试验研究。试验表明,降雨作用下砾石土斜坡表面土体形态变化具有明显的阶段性特征,随着坡长的增加,产流率和侵蚀模数成线性增加,径流量随降雨时间跳跃和波动性增加,径流泥沙含量随降雨时间的增加以近似幂函数曲线关系递减。     

强降雨作用下堆积碎石土渗流规律研究

强降雨致堆(残坡)积碎石土渗透特性改变是触发滑坡、泥石流等降雨诱发型灾害的关键因素。为探究降雨入渗诱发滑坡的动态机制, 通过自制一维渗透仪与二维边坡降雨入渗模型, 对水竹湾隧道旁具有级配代表性的碎石土进行强降雨入渗试验, 并通过Seep/w软件进一步分析堆积碎石土湿润锋迁移入渗规律。研究结果表明:一维入渗深度-时间曲线存在阶梯状趋势, 即湿润锋迁移速度首先随表层土含水率的突增迅速增加至最大值, 然后缓慢减小, 最后湿润锋迁移速度略微增大; 湿润锋平均迁移速率随雨强的增大趋近线性增长; 碎石土沉降变形在入渗过程中经历缓慢增长、急剧增大、逐渐停滞3个阶段; 坡顶、坡腰及坡脚处入渗速率与一维入渗速率分别满足指数关系、对数关系及线性关系; 雨水最终入渗深度由大到小依次为坡脚、坡顶、坡腰。     

几种土壤的细沟侵蚀过程及其影响因素

通过间隔为11h的二次人工模拟降雨和冲蚀槽试验研究了10种土壤的侵蚀过程,发现在第2次降雨中大多数土壤出现了细沟侵蚀形式。采样微形态观察发现,在第1次降雨中形成结皮的土壤在第2次降雨中出现了细沟侵蚀;产流产沙观测发现所有出现细沟侵蚀的土壤在第1次降雨中径流含沙量逐渐减少,而第2次降雨中有一个先剧增后减少的过程。土壤理化分析及多元逐步回归分析结果表明,土壤颗粒组成、有机质含量、铁铝含量等因素对细沟侵蚀的影响表现不明显,而与土壤团聚体有关结构指标、细沟侵蚀、产流产沙速率及总量呈显著相关关系。分析表明,团聚体分散度、崩解速率与渗透系数之比两个指标能较好地预测细沟侵蚀发生的可能性,同时也能很好地预测侵蚀产沙量。     

细沟形成对坡面产流产沙过程的影响

为探明细沟形成条件下不同土壤坡面水沙变化特性,利用室内模拟降雨试验,分析了塿土和黄绵土在细沟发育及已有细沟条件下的水沙过程变化规律。结果表明,塿土产流快,易形成细沟,细沟发育有明显的规律性,在坡面上呈平行状分布,细沟密度与坡度密切相关,细沟存在会延长产流时间;黄绵土产流慢,较难形成细沟,细沟发育随机性大。细沟发育对产流过程没有明显影响,土壤入渗快慢是两种土壤产流过程存在差异的主要原因。细沟发育程度加剧,会使塿土含沙量的增加速度加快,达到稳定含沙量的时间提前,坡面已有细沟只对稳定含沙量有明显影响,细沟密度增加会使稳定含沙量提高;黄绵土含沙量的变化主要取决于细沟发育过程中的随机性,当细沟侵蚀以崩塌作用为主时,含沙量会出现急剧增加,即使雨强较小,也会产生严重的土壤侵蚀。     

Catchment-scale soil erosion and sediment yield simulation using a spatially distributed erosion model

Increasing rainfall intensity and frequency due to extreme climate change and haphazard land development are aggravating soil erosion problems in Korea. A quantitative estimate of the amount of sediment from the catchment is essential for soil and water conservation planning and management. Essential to catchment-scale soil erosion modeling is the ability to represent the fluvial transport system associated with the processes of detachment, transport, and deposition of soil particles due to rainfall and surface flow. This study applied a spatially distributed hydrologic model of rainfall–runoff–sediment yield simulation for flood events due to typhoons and then assessed the impact of topographic and climatic factors on erosion and deposition at a catchment scale. Measured versus predicted values of runoff and sediment discharge were acceptable in terms of applied model performance measures despite underestimation of simulated sediment loads near peak concentrations. Erosion occurred widely throughout the catchment, whereas deposition appeared near the channel network grid cells with a short hillslope flow path distance and gentle slope; the critical values of both topographic factors, providing only deposition, were observed at 3.5 (km) (hillslope flow path distance) and 0.2 (m/m) (local slope), respectively. In addition, spatially heterogeneous rainfall intensity, dependent on Thiessen polygons, led to spatially distinct net-erosion patterns; erosion increased gradually as rainfall amount increased, whereas deposition responded irregularly to variations in rainfall.     

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。     

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%。     

西南喀斯特区土壤侵蚀研究进展

西南喀斯特区土层浅薄、成土速率低等特点决定了其允许土壤流失量小,土壤一旦流失,极难恢复,土壤侵蚀及其造成的石漠化现象已成为制约该区可持续发展最严重的生态环境问题。文章首先明晰西南喀斯特区土壤侵蚀特征,从坡面、小流域和区域三个尺度上系统概括西南喀斯特区土壤侵蚀的相关研究进展。针对当前喀斯特区土壤侵蚀研究野外径流小区、小流域及区域空间尺度数据缺少和相关研究模型限制性强等不足,建议从不同尺度深入研究喀斯特区土壤侵蚀发生发展规律及时空演化格局,并结合高新遥感、地球物理探测技术及模型,同步监测坡面—小流域—区域土壤流失,对土壤侵蚀进行定量评估,结合不同空间尺度土壤侵蚀特征构建系统性水土保持生态恢复治理模式和监测系统评价体系。      

三峡库区低等级土质道路侵蚀研究

以三峡库区界垭小流域内不同交通荷载土质道路为研究对象,通过自然降雨观测研究其侵蚀规律和污染物流失特征。研究结果表明,交通荷载大的干道产流率和侵蚀率均高于交通荷载低的支道,对产流率影响显著的因子主要为降雨量,对产沙率影响显著的因子为降雨量、雨强。雨型对污染物的流失特征影响显著,前期集中型降雨下,污染物流失过程线与降雨过程线同步性较好,泥沙、总氮、铵态氮、泥沙结合态磷和溶解态磷均发生了较强的初始冲刷效应;中期集中型降雨下,污染物流失浓度峰值优先于雨强峰值,且氮和磷等初始冲刷强度低于前期集中型降雨,泥沙无初始冲刷效应。