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第14卷第4期水土保持研究Vol.14 No.4 2007年8月Research of Soil and Water Conservation Aug.,2007不同坡形坡面侵蚀规律试验研究3杨丽娜1,范昊明1,2,郭成久1,王铁良1,郑国相3(1.沈阳农业大学水利学院,沈阳 110161;2.辽宁省农业科学院,沈阳 110161;3.辽宁省水土保持研究所,辽宁朝阳 122000)摘 要:采用室内人工模拟降雨方法,研究不同坡形坡面侵蚀规律。
结果表明产流量和含沙量、总径流量和侵蚀量大体上是凹形坡大于凸形坡,其次是内聚直坡,直线形坡最小,并且随着雨强和坡度的增大而增大。
坡面上部和坡脚侵蚀较弱,坡面侵蚀的剧烈段在坡面中下部,并随雨强和坡度增大而逐渐上移。
细沟的宽度和深度随雨强的增大而增大,产生细沟后侵蚀量将迅速增大,最大占总侵蚀量的91%。
关键词:坡形;含沙量;径流量;侵蚀量;细沟中图分类号:S157.1 文献标识码:A 文章编号:100523409(2007)0420237203Experimental Study of Soil Erosion in Different SlopesYAN G Li2na1,FAN Hao2ming1,2,GUO Cheng2jiu1,WAN G Tie2liang1,ZH EN G Guo2xiang3(1.College of W ater Resources,S heny ang A g riculture Universit y,S heny ang 110161,China;2.I nstitute of L iaoning A cadem y of A g ricultural Science,S heny ang 110161,China;3.S oil and W ater Conservation I nstitute of L iaoning Province,Chaoy ang,L iaoning 122000,China)Abstract:The soil ero sion of different slopes is st udied by simulating rainfall.The result s indicate t hat a2 mount s of runoff and sediment content,total runoff and ero sion is concave type slope>male slope>cohe2 sion slope>straight line slope,moreover,which is st ronger wit h rainfall intensity and slope gradient.The erosion is weak on upper part and slope foot,and stro ng in middle lower part.Rill widt h and dept h become bigger wit h rainfall intensity,erosion amount promptly enhances after rill appears,account s for91%.K ey w ords:slope shape;sediment content;amount of runoff;amount of erosion;rill 坡面是侵蚀基本单元,地形是影响土壤侵蚀形成发展的下界面因素之一。
《晋西黄土坡面径流侵蚀产沙试验研究》篇一一、引言晋西地区作为我国黄土高原的重要组成部分，其地形地貌、气候条件等自然因素使得该地区成为径流侵蚀和产沙的重要区域。
近年来，随着人类活动的不断增加，晋西地区的土地利用方式和强度也发生了显著变化，导致该地区的土壤侵蚀和产沙问题日益严重。
因此，对晋西黄土坡面径流侵蚀产沙的试验研究具有重要的理论和实践意义。
本文旨在通过对晋西黄土坡面的径流侵蚀产沙进行试验研究，分析其影响因素及作用机制，为该地区的土壤侵蚀防治提供科学依据。
二、研究区域与方法1. 研究区域本研究选取晋西地区具有代表性的黄土坡面作为研究对象，该地区地势起伏较大，坡度变化多样，具有典型的黄土高原特征。
2. 研究方法（1）野外调查与观测：通过实地调查和观测，了解研究区域的自然环境、土地利用状况及坡面径流侵蚀产沙情况。
（2）试验设计：设计不同坡度、不同降雨强度、不同植被覆盖等条件下的径流侵蚀产沙试验，以探究各因素对径流侵蚀产沙的影响。
（3）数据采集与分析：通过收集试验过程中的径流量、侵蚀量、产沙量等数据，运用统计分析方法对数据进行处理和分析。
三、试验结果与分析1. 坡度对径流侵蚀产沙的影响试验结果表明，坡度是影响径流侵蚀产沙的重要因素。
随着坡度的增加，径流量和侵蚀量均呈现增加趋势，产沙量也相应增加。
这主要是由于坡度增加导致水流速度加快，水流对土壤的冲刷作用增强，从而加剧了径流侵蚀和产沙。
2. 降雨强度对径流侵蚀产沙的影响降雨强度对径流侵蚀产沙具有显著影响。
在相同坡度条件下，随着降雨强度的增加，径流量、侵蚀量和产沙量均呈现增加趋势。
这是因为降雨强度增加导致单位时间内降雨量增大，从而加剧了地表径流的产生和土壤侵蚀。
3. 植被覆盖对径流侵蚀产沙的影响植被覆盖是减少径流侵蚀和产沙的重要措施。
试验结果表明，植被覆盖能够显著降低径流量、侵蚀量和产沙量。
这主要是因为植被能够减缓地表径流速度，增加土壤表层的稳定性，从而减少土壤侵蚀和产沙。
土壤侵蚀过程研究报告摘要：本研究旨在探究土壤侵蚀过程及其对环境的影响。
通过对不同地区土壤侵蚀程度的调查和数据分析，我们发现土壤侵蚀是一个复杂的过程，涉及多种因素的相互作用。
本报告将介绍土壤侵蚀的机制、影响因素以及可能的防治措施，以期为土壤侵蚀治理提供科学依据。
1. 引言土壤侵蚀是指土壤遭受风、水、冰等自然力量或人类活动的破坏和流失的过程。
它是全球性的环境问题，对农田、水资源和生态系统造成严重影响。
因此，研究土壤侵蚀过程具有重要的理论和实践意义。
2. 土壤侵蚀机制土壤侵蚀主要通过水力侵蚀和风力侵蚀两种方式进行。
水力侵蚀是指水流对土壤的冲击和侵蚀，主要发生在降雨和径流过程中。
风力侵蚀则是指风对土壤的扬起和运移，主要发生在干旱和半干旱地区。
3. 影响土壤侵蚀的因素土壤侵蚀受多种因素的影响，包括降雨特征、坡度、土地利用方式、植被覆盖、土壤类型等。
降雨特征是土壤侵蚀的主要驱动力，降雨强度和降雨量的增加会加剧土壤侵蚀程度。
坡度越大，土壤侵蚀越严重。
土地利用方式和植被覆盖状况对土壤侵蚀有重要影响，合理的土地利用和植被恢复可以有效减轻土壤侵蚀。
土壤类型也会影响土壤侵蚀的程度，不同土壤类型具有不同的抗蚀性能。
4. 土壤侵蚀对环境的影响土壤侵蚀对环境产生了多方面的影响。
首先，土壤侵蚀导致土壤质量下降，降低了农田的肥力和产量。
其次，土壤侵蚀会造成水体富营养化和水土流失，对水资源造成污染和浪费。
此外，土壤侵蚀还破坏了生态系统的平衡，导致生物多样性的丧失和生态环境的退化。
5. 土壤侵蚀的防治措施为了减轻土壤侵蚀的影响，需要采取一系列的防治措施。
其中包括改善土地利用方式，合理规划农田和林地的布局；加强植被保护和恢复，提高植被覆盖率；建立水土保持设施，如梯田、护坡和沟渠等；加强农业管理，采用科学的施肥和灌溉措施。
结论：土壤侵蚀是一个复杂的过程，受多种因素的综合影响。
了解土壤侵蚀的机制和影响因素，对于制定有效的防治措施具有重要意义。
土壤风蚀可蚀性研究进展土壤风蚀是指风力对土壤表面颗粒的扬起和移动作用。
土壤风蚀是一种自然界常见的地表侵蚀过程，具有广泛的地理分布和极大的环境影响。
随着全球气候变化的加剧和人类活动的扩张，土壤风蚀问题日益凸显，对土地资源和生态环境的破坏日益加剧。
因此，土壤风蚀的可蚀性研究对于合理利用土地资源，保护生态环境具有重要意义。
土壤风蚀的可蚀性研究从传统的灌溉与排灌工程、土壤物理学研究方法逐渐发展到综合分析模型、遥感技术和数值模拟研究等多领域交叉应用的研究方法。
可蚀性的研究主要包括了土壤侵蚀类型、土壤可蚀性指标、土壤保持措施和土壤侵蚀模型等方面。
首先，土壤侵蚀类型是可蚀性研究的基础。
根据土壤移动的形式和特点，土壤侵蚀可以分为风蚀、水蚀和冻蚀等几种类型。
风蚀是其中的一种重要类型，是指风力对土壤表面颗粒的扬起和移动作用。
了解不同类型的土壤侵蚀对于制定相应的土壤保持措施和进行可蚀性评价具有重要意义。
其次，土壤可蚀性指标是研究可蚀性的重要内容之一、土壤可蚀性指标是根据土壤的物理性质和环境条件量化评价土壤抗风蚀能力的指标体系。
主要包括了土壤颗粒分析、土壤质地、孔隙度、含沙量、风蚀易损性指数等。
通过对这些指标的研究，可以定量评估土壤的抗风蚀能力，并制定相应的土壤保持措施。
再次，土壤保持措施是可蚀性研究的重要内容之一、针对不同地区和土地利用类型，不同的土壤保持措施应运而生。
例如，在农业地区，可以采用合理的耕作措施、植被恢复和建立防风林等来防治土壤风蚀。
在工业区和城市区域，可以采用封闭措施、遮挡措施和确保坡面覆盖等措施来防治土壤风蚀。
通过对土壤保持措施的研究，可以减少土壤风蚀的发生和影响，保护土地资源和生态环境。
最后，土壤侵蚀模型是可蚀性研究的新的发展方向。
传统的土壤侵蚀模型主要是基于实验数据和经验公式，具有一定的局限性。
而近年来，随着计算机技术和遥感技术的迅速发展，基于物理学原理的数值模拟模型在土壤侵蚀研究中得到了广泛应用。
《黑土区垄作坡耕地坡面土壤侵蚀特征研究》篇一一、引言随着中国农业的快速发展，黑土区作为我国重要的农业生产基地，其土壤侵蚀问题逐渐成为研究热点。
土壤侵蚀是自然和人为因素共同作用的结果，尤其以坡耕地尤为严重。
本篇论文将重点探讨黑土区垄作坡耕地的土壤侵蚀特征，为防止和减少土壤侵蚀提供科学依据。
二、研究区域与方法本研究区域位于中国东北黑土区，选择具有代表性的坡耕地进行实地考察。
通过文献回顾、实地调查、实验室分析以及地理信息系统(GIS)等技术手段，对土壤侵蚀的成因、过程及影响因素进行深入研究。
三、土壤侵蚀的成因与过程在黑土区，由于地势、气候和人为活动等多重因素的综合作用，导致土壤侵蚀现象普遍存在。
特别是垄作坡耕地，其土壤侵蚀主要由降雨冲刷、地表径流和风力侵蚀等因素共同作用形成。
1. 降雨冲刷：在雨季，强降雨是导致土壤侵蚀的主要因素。
降雨强度大时，地表径流迅速形成，冲刷土壤，导致土壤颗粒流失。
2. 地表径流：在坡耕地上，地表径流是造成土壤侵蚀的重要途径。
径流沿着坡面流动，带走表层土壤，形成沟壑。
3. 风力侵蚀：在干旱或半干旱地区，风力也是造成土壤侵蚀的重要因素。
风力作用下，表层土壤被吹走，形成风蚀沟壑。
四、黑土区垄作坡耕地土壤侵蚀特征黑土区垄作坡耕地的土壤侵蚀具有以下特征：1. 空间分布特征：土壤侵蚀在空间上呈现出明显的差异性。
坡度较大、植被覆盖较低的区域，土壤侵蚀较为严重。
2. 时间变化特征：季节性降雨是导致土壤侵蚀的主要因素，因此土壤侵蚀在时间上与降雨分布密切相关。
雨季时，土壤侵蚀严重；旱季时，土壤侵蚀相对较轻。
3. 影响因素：除了自然因素外，人为活动如耕作方式、施肥等也会对土壤侵蚀产生影响。
不合理的耕作方式会加剧土壤侵蚀。
五、防止和减少土壤侵蚀的措施针对黑土区垄作坡耕地的土壤侵蚀问题，提出以下措施：1. 改进耕作方式：采用等高线耕作、横坡耕作等措施，减少地表径流的冲击力，降低土壤侵蚀。
2. 植被恢复：在坡度较大、植被覆盖较低的区域种植适合的植被，提高地表覆盖度，减少风力和降雨的冲击力。
收稿日期:2002-06-20;修订日期:2002-09-05基金项目:国家自然科学基金项目(40071058)资助。
作者简介:郑粉莉(1960-),女,陕西蓝田人,博士,研究员,博士生导师,主要从事土壤侵蚀和侵蚀环境效应评价研究。
E 2m ail:flzh@m s.i 文章编号:1000-0690(2003)02-0230-06坡面土壤侵蚀过程研究进展郑粉莉1,2,高学田2(1.中国科学院、水利部水土保持研究所,陕西杨陵712100; 2.西北农林科技大学,陕西杨陵712100)摘要:基于土壤侵蚀发生方式,重点评述了坡面雨滴溅蚀、薄层水流侵蚀、细沟侵蚀和浅沟侵蚀的研究进展,指出了各自研究中存在的问题,并提出坡面侵蚀过程中亟待加强的研究领域。
关 键 词:雨滴溅蚀;片蚀;细沟侵蚀;浅沟侵蚀;研究进展中图分类号:S157.1 文献标识码:A土壤侵蚀是危及人类生存与发展的主要环境问题之一。
因此,土壤侵蚀研究在世界各国受到普遍重视。
自19世纪70年代德国科学家Wollny 建立了世界上第一批径流小区,研究土壤、覆盖、坡度等与土壤侵蚀的关系以后,美国科学家Miller 建立了野外径流小区研究作物类型及其轮作对土壤侵蚀的影响。
20世纪40年代以前,土壤侵蚀过程研究主要是对侵蚀现象的观察和一般性描述。
20世纪40年代,Ellison 将水蚀过程分为雨滴侵蚀过程、径流侵蚀过程、雨滴搬运过程和径流搬运过程,标志着土壤侵蚀过程研究由定性描述进入定理研究阶段。
60年代后,由于相关学科的发展,模拟降雨试验的研制成功和测试技术的改进以及计算机的应用,为建立具有一定物理成因基础的侵蚀预报模型奠定了科学基础。
80年代后,侵蚀产沙过程及其机理研究取得了重要进展。
本文主要概述雨滴、片蚀、细沟侵蚀和浅沟侵蚀过程的研究进展,希望对我国土壤侵蚀过程研究有所启示。
1 雨滴溅蚀雨滴溅蚀是指雨滴直接打击土壤表面,使土壤颗粒发生分散、分离、跃迁位移的过程。
雨滴溅蚀主要发生在坡面产流之前和产流之初,是坡面水蚀过程的开始,Ellison [1~4]首次揭示出降雨击溅是水蚀过程中的一种主要营力;溅蚀破坏土壤结构,增加径流紊动性,增强径流的分散和搬运能力;同时,雨滴打击作用使土壤颗粒堵塞土壤孔隙,阻滞降水入渗,增加地面径流和侵蚀力[5,6]。
因此,溅蚀是细沟间侵蚀的主要过程,溅蚀的研究成果主要体现在雨滴物理特性和溅蚀量模型两大方面。
雨滴物理特性主要包括雨滴的大小、形状、终点速度、动能和动量等。
试验证明,雨滴直径d 与降雨强度I 具有密切关系,L aw s 等[7~9]、江忠善等[1]等皆得出下述关系式:d =aI b (1)雨滴终速决定于雨滴大小和形状。
牟金泽[10]从泥沙颗粒沉速公式出发,考虑到雨滴降落过程的形态变化,建议当雨滴直径d <1.9mm 时,雨滴终点速度用修正的沙玉清公式计算,当d \1.9mm 时,用修正的牛顿公式计算,即V m =0.496anti log (28.32+6.5241g0.1d -(lg0.1d)2-3.665) (d <1.9mm)(2)V m =(17.20-0.844d )d (d \1.9mm )(3)雨滴动能是根据雨滴数量及其组成累积计算求得的,雨滴动能与雨强关系密切。
由于其计算过程很繁琐,许多学者将雨滴动能与降雨强度相联系,建立统计方程。
如Wischmier [11]、江忠善[12]得出的单位面积上单位降雨量的雨滴动能与雨强的关系式为:E =a +b lg I (4) 雨滴溅蚀所消耗的能量来自雨滴动能,雨滴溅蚀作用与雨滴的物理特性有着极其密切的关系。
第23卷第2期2003年4月 地 理 科 学SCIEN TIA GEO GRAPHICA SINICA Vo l.23 No.2Apr.,2003因而许多学者根据自己的实验资料建立了众多溅蚀量与降雨特性(雨滴直径、雨滴终速、雨强、雨滴动能、降雨侵蚀力等及其组合)的统计模型。
Elli2 son提出30min溅蚀总量D s(g)与雨滴终点速度V m(m/s)、雨滴直径d(mm)、降雨强度I(mm/h)、土壤特性K的经验公式:D s=20.8KV4.33md1.07I0.65(5)周佩华[13]、蔡强国[14]、江忠善[15]、高学田[16]认为溅蚀量与降雨动能呈指数关系,各家得出的指数存在一定差异,其变化取决于土壤特性的差异和地域的不同。
坡面溅蚀与地面坡度关系也非常密切。
江忠善等[15]在黄土高原丘陵沟壑区第二副区的研究结果表明,溅蚀总量与坡度的关系呈有极小值的二次抛物线关系,其坡度临界值为21.4b。
吴普特[17]通过对实验资料的统计分析,在考虑坡度影响时的溅蚀量模型为:S t=5.985(EI)0.544S0.471(6)式中,S t为溅蚀总量(g/m2);E为雨滴动量(J/ m2);I为降雨强度(mm/min);S为坡面坡度(度)。
薄层水层和表土结皮的存在对坡面溅蚀具有很大影响。
实验证明,溅蚀量随薄层水流水深的增加而增加,而当薄层水流水深增加到等于雨滴直径时,溅蚀量开始减少[18]。
Gilley和Finkner[19]提出了雨滴分散量与雨滴直径、雨滴速度及水层深度的关系方程,并用有关试验资料对方程的适用范围和预报精度进行了检验,方程有较好的适用性和较高的预报精度。
当地表形成结皮时,溅蚀分散量减少[20],但由于土壤入渗显著减少,坡面产流量增大,坡面侵蚀量较无结皮时增大数倍至几十倍[21]。
综上所述,国内外对雨滴的物理特性和影响雨滴溅蚀量的主要因素的研究均较深入,但溅蚀模型仍然以建立溅蚀量与降雨特征值统计模型为主,缺乏对溅蚀过程力学关系的深入分析。
雨滴是引起溅蚀的动力,一般认为,溅蚀过程包括干土溅散、湿土溅散、泥浆溅散及结皮形成等过程。
当雨滴打击土壤表面及地表形成薄层径流时都将改变土壤表面条件。
受土壤表面条件的影响,雨滴溅蚀的力学过程及其机理也有所差异,而目前这方面的研究资料较少,限制了对土壤溅蚀过程的模拟。
因此,雨滴击溅的力学过程及其雨滴打击与薄层水流输沙的关系是目前急需强化的研究领域。
Al-D urrah 和B radf ord[22,23]在实验室研究了溅蚀量与土壤抗剪力的关系,Nearing和Bradf ord[24]进一步将土壤抗剪力的影响与雨滴打击表土时的压实作用和溅蚀后期的横向溅射相联系,对促进溅蚀力学的研究起到了积极作用。
近期国内学者将土壤溅蚀与土壤结构特性相联系,发现当土壤结构不受破坏时,土壤溅蚀量可减少70%以上[16]。
但对土壤结构特性的定量刻画及雨滴打击力与土壤力学特性相互关系的研究仍很薄弱,有待进一步加强。
2片蚀片蚀是指坡面薄层水流对土壤的分散和输移过程,片蚀作用的动力是薄层水流的作用力,对薄层水流水力学特性的研究一直受到人们的普遍重视,并取得了一些研究成果。
但由于坡面薄层水流水力学特性的复杂性和试验技术的限制,对其进行理论分析、野外观测和试验研究存在一定困难,已有的研究基本上都是将坡面薄层水流看作恒定的非均匀沿程变量,用明渠水力学的方法进行研究。
Horton[25]认为,天然坡面上稳定流态的坡面流水深可用河道水流公式来计算,即,q=kh m(7)式中,q为单宽流量;k为综合系数;h为水深;m 为常数,取值1.67~3。
江忠善等[26]将坡面流作为不稳定流进行处理,通过实测资料的分析,得出:V=2.0q0.5S0.35(8)式中,V为坡面流速(cm/sec);q为单宽流量[cm3/ (sec.m)];S为地面坡度(%)。
吴普特[17]认为坡面薄层水流属层流范畴,并根据其本身的特征,将坡面薄层水流定义为搅动流(agited la minar flow)。
坡面薄层水流的流态属超临界流,其粘性作用大于其惯性作用,而惯性作用大于其重力作用。
在坡面流的阻力规律研究中,许多研究者假定坡面流呈层流流态,采用明渠水流阻力的概念和表达方法来描述。
Yoon和Shen[27,28]的研究结果表明,当雷诺数R e<2000时,薄层水流的阻力系数f 随雨强的增加而增大;而当Re\2000时,降雨对阻力系数的影响可忽略不计。
当Re<900时,阻力系数为无降雨情况下的阻力系数f0和降雨附加的阻力系数f R之和。
其中f0=24R e,f R=27.1622312期郑粉莉等:坡面土壤侵蚀过程研究进展J0.407R e。
当R e>2000时,阻力系数f可表示为f= 1.048f0;当900<Re<2000时,可用内插法估算f 值。
吴普特[17]依据Darcy2Weisbach公式,通过对试验资料的分析,给出计算坡面薄层水流的阻力的经验公式:f=8gh sin Av2(9)式中,h为水层厚度(m m);g为重力加速度;A为地面坡度;v为坡面流速(cm/sec)。
通过有雨滴打击和无雨滴打击试验资料对比分析,得出雨滴打击作用使坡面薄层水流的阻力系数减小,其减小值在38.89%~96.30%。
沙际德等[29]认为,在薄层坡面水流研究中,引入流道和贴壁绕流等概念,才能对薄层水流紊动、输沙等进行深入的研究,并认为由于贴壁绕流的作用,即使Re<200也不是层流流态,而是过渡流态。
他们提出的阻力系数公式为:K=96R eh +4(h-2D)D2k s G(10)式中,K为阻力系数;R e h为明流的雷诺数;h为水深;D为粘滞底层名义厚度;G为与床面有关的综合修正系数。
许多研究者对坡面薄层水流的侵蚀力进行了研究。
Horton从摩擦阻力概念出发,应用水流连续方程和满宁公式推导出坡面上任一距离x处的径流侵蚀力公式¹:F=W11000(q s nx363/5sin Atan0.3A(11)式中,W1为每立方米含沙水流的重量;A为地面坡度;q s为径流强度;n为满宁糙率系数。
许多研究者认为坡面水流侵蚀力与水流切应力成正比,径流引起土壤的分散率是径流切应力与土壤颗粒分散的临界切应力差值的函数[30~32]。
Foster等[32]和Nearing等[33]认为只有当径流中的含沙量小于径流输沙能力且坡面径流侵蚀力(S f)大于土壤颗粒分散的临界切应力(S c)时,径流才会对土壤分散侵蚀,并给出了计算径流分散能力(D c)的关系式,即:D c=K(S f-S c)(12)Foster等[32]提出用下式计算水流的剪切力:S e=C S C(f c8g)1/3S2/3Q2/3(13)式中,S e为水流剪切应力;C为水的容重;g为重力加速度;f c为摩擦系数;S为地面坡度;C S为有效剪切力与平均剪切力的比值;q为单宽流量。
为了便于应用,近年来仍进行了径流分散搬运能力统计模型的研究,如Z hang等[27]在对侵蚀影响因子综合分析的基础上,建立了计算细沟间侵蚀量的关系式:D i=K i q1/2i S2/3(14)式中,D i为单位面积单位时间内薄层水流的搬运能力;K i为土壤可蚀性;S为坡度;q i为单位时间单位面积的输沙率。
