摘要：为了研究黑土区坡耕地横坡垄作防治坡面土壤侵蚀的效应,该文利用8 m×1.5 m的试验土槽,设计3个降雨强度(50、75和100 mm/h)、1个典型坡度(5°)以及横坡垄作和无垄作(平坡裸地对照试验)的试验处理进行模拟降雨试验,研究东北黑土区横坡垄作坡面在不同降雨强度下的防治坡面侵蚀效应。结果表明:横坡垄作在50 mm/h降雨强度下坡面基本不发生土壤侵蚀,但在75和100 mm/h降雨强度下会发生断垄,造成防蚀效应急剧降低。横坡垄作坡面的径流和侵蚀过程均明显存在以断垄时间为界的突变,在3个降雨强度下,横坡垄作断垄前可使坡面径流量和侵蚀量分别减少97.7%和99.1%以上,坡面蓄渗率达到97.2%以上;而断垄后坡面径流量和侵蚀量分别增加23.3~25.9倍和136.8~171.5倍,蓄渗率下降至50%以下。试验研究表明横坡垄作在≤50 mm/h的降雨强度下具有很好的坡面防治侵蚀效应,但当遇到强降雨时易发生断垄,防蚀效应急剧降低。

摘要：田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术,末级小截面灌区的精准测流则更为关键。该研究在机翼形量水槽的基础上,提出结构更为简单的仿机翼形量水设备。水工模型试验于西北农林科技大学水工与水力学实验室进行,试验渠道为17 m×70 cm×100 cm的矩形断面有机玻璃渠道,量水槽模型均采用空心木制材料制作。试验设计1组翼长、6组收缩比、7组流量,共42种试验方案。在水工模型试验的基础上,采用FLOW-3D软件补充了多组模型进行数值模拟,验证模拟准确性后,对其水力性能进行分析:上游佛汝德数小于0.5,喉口位置产生临界流,下游重新恢复缓流状态;壅水高度均值3.25 cm,最大值6.32 cm,最小值0.46 cm;水工模型试验与数值模拟共获得84组数据,依据机翼形量水槽的测流公式推导,得到仿机翼形便携式量水槽的测流公式,其平均相对误差为6.34%。仿机翼形便携式量水槽建议选择收缩比0.606~0.709、翼长65~80 cm。研究表明简化并没有改变机翼形量水槽原有的优点,可以保证测流渠道的安全性。该研究可改进量水方法,提高用水效率,对于促进中国灌区小截面便携式量水槽的推广具有实用价值。

摘要：土壤结构力学稳定性不仅与土壤质量和肥力密切相关,而且还与农业器具设计和农业水土工程建设紧密联系。该研究以黄土高原广泛分布的塿土和黄绵土为研究对象,采用振幅扫描试验模拟振荡荷载过程,研究土壤容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响。结果表明:1)随土壤容重的增加,土粒间接触点增多,使得剪切强度参数:线性黏弹区的剪切应力和储能模量均增加,土壤结构强度增强;黄绵土屈服点的剪切应变和塿土的积分z随容重增加先增大后降低,表明土壤颗粒存在一个最稳定的排列组合方式。同时,剪切强度参数对土壤容重的响应更为敏感。2)随含水率的增加,土壤颗粒间黏聚力和摩擦力降低,剪切强度参数:线性黏弹区的剪切应力、屈服点的剪切应力、最大剪切应力均降低,土壤结构强度降低;当剪切应变在线性黏弹区时,塿土的弹性随含水率的增加而增加,而较大的剪切应变下的塿土的弹性和黄绵土总的弹性随含水率增加均降低。3)对比2种土壤,因塿土的黏粒、有机质、阳离子交换量、比表面积等较高,增加了土粒间的胶结强度,使得塿土的弹性和剪切强度较高,而黄绵土结构更具脆性。该研究结果表明基于流变仪中的振幅扫描测试所获取的流变学参数能够定量表征土壤细观结构力学稳定性,为进一步深入认识土壤微观力学特性提供了丰富的评价参数。

摘要：降雨雨型对土壤侵蚀过程有重要的影响，也是当前土壤侵蚀研究的热点之一。通过野外原位人工模拟降雨试验，设计了次降雨中平均降雨强度、总降雨量相同的4种不同降雨雨型（均匀型：降雨强度为60mm／h；峰值型：降雨强度分布为30-90-60mm／h；延迟型：降雨强度分布为60-30-90mm／h；减弱型：降雨强度分布为90-60-30mm／h），研究降雨雨型变化对东北黑土区坡耕地土壤侵蚀的影响。结果表明：各雨型条件下休闲坡耕地径流总量的大小顺序为延迟型〉减弱性〉均匀型〉峰值型，而土壤侵蚀总量的大小顺序为减弱型〉均匀型〉延迟型〉峰值型。延迟型雨型的坡面径流总量是其它雨型的1．02-1．45倍，减弱型降雨的侵蚀总量分别是均匀型、延迟型和峰值型的1．03、1．36和2．68倍。同一雨强在不同降雨雨型中出现的位置不同，其产生的坡面径流量和侵蚀量对坡面总径流量、总侵蚀量的贡献率也不同，分布在降雨雨型起始位置的雨强对坡面径流量的贡献率最小；除30mm／h降雨强度外，分布在降雨雨型起始位置的雨强对坡面侵蚀的贡献率最大。研究还发现，试验设计中减弱型降雨雨型与东北黑土区夏季主要侵蚀雨型特点类似，是造成东北黑土区坡耕地土壤侵蚀相对严重的主要雨型。

摘要：浅沟形态特征是建立陡坡地坡面浅沟侵蚀预报模型的基础。为了定量研究黄土陡坡地浅沟形态特征,在长8 m、宽2 m、深0.6 cm的试验土槽上制作了雏形浅沟,设计了2个降雨强度(50、100 mm/h)和3个浅沟发生的典型坡度(15°、20°、25°),利用模拟降雨和径流冲刷(10 L/min)相结合的试验方法定量分析了黄土陡坡地的浅沟形态特征。结果表明:降雨强度和坡度的增加均加快了坡面浅沟侵蚀过程并使浅沟沟槽宽度和深度不断增加,25°和100 mm/h降雨强度下的浅沟沟槽平均宽度和深度比15°和50 mm/h降雨强度下的分别增加1.40和0.61倍。根据测针板法得到的3 cm×10 cm精度的地表高程值数据,在Surfer软件中生成不同试验处理下的地面数字高程模型(DEM,digital elevation model)及水流流路图等,发现坡度的增加使两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长增大,而降雨强度的增加则导致浅沟沟槽两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长缩短,同时,沟道密度、地面割裂度和浅沟复杂度均随着降雨强度和坡度的增加而呈现增大的趋势,三者分别变化于0.74~1.48 m/m2、0.13~0.29和1.64~2.84之间,而不同降雨强度和坡度条件下浅沟沟槽宽深比变化于0.65~1.27之间。基于不同试验处理下的DEM,根据相邻格网关系在水平方向上计算方向导数后发现,方向导数格网等值线图可以有效地反映坡面浅沟和细沟的长度、表面积及侵蚀最严重的浅沟沟底位置。

摘要：雨滴形状、直径、降落速度等是表征雨滴特性的重要物理量。为了获取雨滴物理特性参数,基于粒子成像的瞬态测量可视化技术,研制了降雨环境下拍摄雨滴影像的光路系统和成像系统,开发了雨滴影像的识别、提取、量测等软件系统,设计了一种基于面阵电荷耦合元件的自然降雨成像测量系统。钢珠洒落实验发现该技术观测误差小。外场观测实验发现本次降雨主要以中等粒子为主,雨滴直径和降落速度均值分别为2.00 mm和3.52 m/s。雨滴降落速度可由雨滴直径的线性回归方程表达,且该方程的预测准确度和精度较高。可见,该测量技术可以准确地获取雨滴物理特性参数,为降雨特征和土壤侵蚀研究开辟了新途径。

摘要：田口方法是一种低成本、高效率的试验设计和数据处理方法,目前在土壤侵蚀研究中应用甚少。该文通过对比全因子设计、正交设计和田口方法的微小区土壤侵蚀试验结果,分析利用田口方法研究土壤侵蚀的可行性。结果显示,田口方法试验量仅占全因子设计的6.3%,但其确定的发生最大坡面侵蚀速率的试验条件与实测最大值的试验条件相同,预测的坡面径流速率和侵蚀速率与实测值比较吻合,预测值和实测值的Nash-Sutcliffe效率系数都在0.84以上;两种设计分析的各因子对坡面径流速率和侵蚀速率的主效应趋势一致,估算的各因子对坡面径流速率和侵蚀速率变化的贡献率比较接近。与正交设计的分析结果相比,田口方法的分析结果更接近全因子设计的分析结果,基本与全因子设计的结果相同。说明在微小区土壤侵蚀研究中田口方法可代替全因子设计,不仅能有效减少试验量,节省试验成本,提高试验效率,而且能获得比较可靠的试验结果。

摘要：针对径流泥沙过程监测仪缺乏和监测误差大的状况,研制了一种具有野外复杂条件下普遍适用的径流泥沙高精度实时自动监测仪,并建立了数据/站点管理云平台。该仪器从径流泥沙过程中提取驱动仪器运转的物理量并将其转换为测控信号,实现径流泥沙过程的实时自动监测;通过对仪器总体结构及各功能部件的优化设计,消减泥沙粘附和沉积,提高监测精度。通过标准泥沙样品验证了该仪器的适用性,结果表明该仪器监测的含沙量相对误差均值为3.67%,决定系数为0.997。土槽试验获取了径流过程中变幅较宽的径流量和含沙量的动态过程曲线。可见,该仪器不仅可以准确地监测径流泥沙过程,而且创新了水土流失监测技术和方法,推动了水土流失监测的自动化和信息化。

摘要：融雪侵蚀是东北黑土区土壤流失的一种重要形式,而目前有关壤中流和土壤解冻深度对融雪径流侵蚀的影响研究较少。本研究采用室内模拟试验,设计两个融雪径流量(1和4L·min^(-1))和两个土壤解冻深度(5和10 cm),以及有、无壤中流处理,分析壤中流和土壤解冻深度对黑土区坡面融雪侵蚀的影响。结果表明:1)壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别是无壤中流处理的1.1~1.2倍和1.3~1.9倍。两个融雪径流量下,当土壤解冻深度由5 cm增加到10 cm时,无壤中流处理下坡面融雪径流深度和侵蚀量分别增加10.0%~13.5%和15.4%~37.1%;而有壤中流处理下坡面融雪径流深度增加6.5%~8.5%,融雪侵蚀量则无显著变化。2)坡面细沟发育受壤中流、土壤解冻深度和融雪径流量的综合影响,各处理下细沟侵蚀量占坡面融雪侵蚀量的72%以上。3)壤中流发生使坡面径流流速和径流剪切力分别增加20.3%~23.2%和37.0%~51.3%,Darcy-Weisbach阻力系数减少9.0%~21.4%,从而增加了坡面融雪侵蚀量;且壤中流发生促进了坡面细沟发育,其细沟侵蚀量较无壤中流处理增加43.6%~69.9%,也导致坡面融雪侵蚀量增加。无壤中流条件下,土壤解冻深度加剧坡面融雪侵蚀的主要原因是随着土壤解冻深度的增加,坡面径流侵蚀能力和可蚀性物质来源增加,导致融雪径流侵蚀量增加。此外,土壤解冻深度对壤中流条件下细沟形态发育也有明显的影响,土壤解冻深度为5 cm时,细沟横向加宽作用显著;而土壤解冻深度为10 cm时,细沟下切侵蚀作用更显著。本研究加深了对黑土区融雪侵蚀机理的认识,可为水蚀模型的研发提供理论指导。

摘要：为研究矿区土质道路径流产沙及细沟形态发育特征,在野外调查的基础上,设计坡度（3°、6°、9°、12°）和雨强（0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min）2个处理,在野外建立不同坡度的道路小区,采用人工模拟降雨的方法,测定了不同处理道路径流产沙参数和细沟形态指标。结果表明：1）各坡度道路径流率为1.12~8.24 L/min,与雨强线性关系极显著,随坡度变化不显著;除0.5 mm/min雨强3°~9°坡及1.0 mm/min雨强3°坡道路径流流态为层流外,其余为紊流,雨强-坡度交互作用（I×S）对流态影响显著;阻力系数只与坡度相关。2）各坡度道路剥蚀率为0.92~324.46 g/（m^2·s）,与雨强、坡度和径流率呈极显著幂函数关系（R^2=0.968,P〈0.01）,道路土壤发生剥蚀的临界剪切力和临界径流功率分别为2.15 N/m^2和0.41 W/（m^2·s）。3）3°道路以片状侵蚀为主,6°~12°道路细沟发育,细沟宽深比、复杂度、割裂度和细沟密度分别为1.80~3.75、1.07~1.55、0.20%~10.33%和0.067~2.01 m/m^2,细沟发育程度是雨强和坡度交互作用（I×S）的结果。4）6°~12°道路细沟侵蚀量占总侵蚀量比例为18.0%~57.16%,总侵蚀量与细沟宽深比、细沟复杂度、细沟割裂度和细沟密度均呈显著的函数关系（R^2=0.35~0.96,P≤0.01）,割裂度是影响土质道路总侵蚀量的最佳细沟形态因子。结果可为矿区土质道路水土保持工程设计及生产安全提供参数支持。