黄土区薄层浮土道路侵蚀试验研究

为研究降雨强度和坡度对黄土区薄层浮土覆盖的土质道路产流产沙的影响,在野外调查的基础上,通过室内模拟降雨试验研究不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm/min)和坡度(2°、4°、8°、16°)条件下0.5 cm厚度浮土道路径流和产沙特征。结果表明:1)相同坡度条件下,平均径流率随雨强增大呈递增趋势,其变化范围在0.80~2.73 L/min,且1.5~2.5 mm/min雨强条件下平均径流率是1.0 mm/min的1.34~3.04倍,各雨强条件下浮土侵蚀阶段产流量占比范围在5.22%~40.38%;2)次降雨平均含沙量随坡度和雨强的增大均呈递增趋势,其变化范围在11.75~194.25 g/L,且与坡度和雨强分别呈显著线性和指数函数关系(P<0.05),1.0~2.5 mm/min雨强下浮土侵蚀阶段产沙量占比为0.05%~71.51%,其占比随雨强和坡度的增大存在波动,且混合侵蚀阶段产沙量与坡度和雨强呈良好的线性关系(P<0.01);3)累计产沙量随累计产流量的增大而增大且满足线性函数关系,决定系数均在0.96以上。研究结果揭示了薄层浮土道路径流侵蚀规律,可为土质道路治理及道路侵蚀模型建立提供参考。     

黄土高原极强烈侵蚀（灾害性）的降雨产流产沙特征

本文通过对４５场极强烈侵蚀降雨、产流、产沙特征的统计分析,得到了极强烈侵蚀降雨、产流、产沙特征与过程变化的数量指标,并对岔巴沟和韭园沟的１０次极强烈侵蚀作了典型分析。     

雨强和植被覆盖度对坡地侵蚀产沙影响强度研究

以降雨强度和植被覆盖度为两个主要变量,采用人工模拟降雨的试验方式,应用线性和非线性相结合的计算方法,分析研究了降雨强度和植被覆盖度这2个直接因素以及径流量和含沙量2个间接因素在坡地水力侵蚀产沙过程中的复合影响及影响权重,结论如下:在单一要素的拟合分析中,雨强和径流量的相关性最大,植被覆盖度与含沙量的关系最明显。由此推得,雨强对径流量的影响显著,植被覆盖度对产沙量的影响大于雨强;复合相关性拟合显示,产沙量与径流量和含沙量的关系显著,含沙量对产沙量的影响大于径流量的影响,雨强对产沙量的影响大于植被覆盖度;4个分析因素中,对坡地侵蚀产沙影响权重最大的是径流量,2个直接因素中以雨强的影响权重最大。由此提出,在坡地侵蚀产沙的控制实践中,应在坡面水利工程控制坡面径流的基础上,发挥植被覆盖度的作用。     

川藏公路波密段九绒沟泥石流形成机制研究

川藏公路波密段沿着帕隆藏布展布。帕隆藏布流域是我国海洋性冰川集中分布的地区,也是泥石流等地质灾害的强活动区。因流域内冰川分布范围不一,泥石流发生受气温的影响程度存在较大差异。帕隆藏布下游无冰川流域内的泥石流与气温无关,如帕隆藏布下游的加玛其美沟泥石流,但中游以上的泥石流却与气温有关。该文以帕隆藏布中上游九绒沟2014-2015年内的4次泥石流为例,详细分析了泥石流暴发前的降雨过程,并对降雨和气温在泥石流起动中的作用机制进行了分析。研究发现,3次泥石流仅由暴雨激发,其作用机制与常规暴雨泥石流类似,即由降雨径流侵蚀地表物质产流,为"低温+暴雨"模式;而2014年8月18日泥石流与迅速升高的气温关系密切,为"高温+降雨"模式,其作用机制在于气温升高导致土体内部冰颗粒快速消融从而放大土体活性,降雨径流侵蚀湿润的活动性土体而迅速产生泥石流。二者的差异在于高温迅速放大了冰碛物的活性,增加了表层土体的含水量,从而降低了泥石流产生所需要的降雨阈值。     

基于转移矩阵的覆被变化对城市雨洪影响分析

城市化进程的加快改变了地表覆被的时空分布特征,为探求地表覆被时空分布对城市雨洪的影响作用,以南京市主城区为对象,根据遥感影像资料与实测降雨数据,利用GIS空间分析技术,基于马尔柯夫转移矩阵分析了南京市主城区地表覆被空间格局的分布变化,建立了地表覆被时空变化影响下的南京市主城区雨洪模型,模拟分析了南京市主城区范围内城市地表覆被的空间分布格局变化对城市地表产流量、局部节点水量等的影响。研究结果表明:径流系数与地表覆被面积年际变化呈负相关,地表径流、最终地表蓄水与区域地表覆被覆盖面积成正相关。地表植被的空间分布格局对雨洪影响关系密切,局部节点汇水区植被覆盖率上升36.13%,区域产流量可以减少28.47%。地表覆被空间分布的不均匀是造成城市区域地表局部淹水的因素之一;地表覆被对城市雨洪产生的洪流水量形成具有一定的减缓、推后、延迟作用,同时可以接受、蓄积降雨产生的地表积水。     

浙江红壤坡面菜地养分流失模拟试验及模型建立

以室内人工模拟降雨试验为研究手段,以强降雨过程中红壤丘陵区坡菜地随径流、泥沙迁移的养分流失规律为研究目的,分别在不同坡长(2m,3m,4m,5m)、不同植被覆盖度(0%,30%,60%)和不同表层土壤养分含量条件下进行了有效模拟降雨试验共计25场次,每个场次降雨试验的产流历时设计为30 min,固定雨强为120 mm·h~(-1)。将径流量、产沙量和原表土中各养分的含量作为影响养分流失的主要因子,进行了氮,磷和有机碳流失量的多元回归模型的拟合,并通过对拟合模型验证,得出TN,TP和TOC流失量80%的计算值和实测值之间的相对误差均小于20%,同时,通过实际情况验证,发现TN,TP流失量75%的计算值与实测值之间的相对误差均小于20%。因此,该模型可适用于浙江红壤区坡面菜地养分流失的预测。     

汶川地震灾区小流域洪水计算方法初探

汶川地震灾区小流域山洪不仅造成巨大损失,同时也是泥石流等灾害的激发因素,探寻一种准确且可操作的洪水峰值流量计算方法对防灾减灾具有重要意义。本文选择不同产流和汇流计算方法,组合成不同水文模型,进行小流域洪水过程计算,对模拟结果和参数选择进行对比,旨在探究最适合该地区的小流域水文计算方法。分别选择SCS曲线法、Green-Ampt入渗法、初损稳渗法进行坡面产流计算,应用SCS单位线法、Snyder单位线法和运动波方程进行坡面和沟道汇流计算,组合成5种小流域产汇流计算模型,利用6场洪水进行参数率定和结果验证。模拟结果对比分析,得出SCS曲线法是最适宜的产流模型,其与SCS单位线、运动波汇流计算方法组合而成的SCS和SKK模型,峰现时间的模拟误差最小,在0~25 min之间;洪峰流量模拟的相对误差较小,平均误差不超过4%;洪水总量模拟误差在10%左右。另外,这两种模型参数设置及确定较简单,更适合在数据稀缺的小流域中进行洪水模拟应用。研究可为汶川地震灾区小流域山洪和泥石流等灾害的流量估算提供方法和参数借鉴。     

小流域土壤水蚀强度生态预测模型及实验模拟——以神木六道沟流域为例

本文以黄土高原陕北神木六道沟流域为例,综合考虑土壤侵蚀发生的主要下垫面因素和土地利用类型,在GIS平台上,进行制图综合生成284个不同的生态单元个体,这些单元体可以划分成83类,而较为重要的有16类,分析、计算了各主要生态单元类型的侵蚀模数;再通过全流域各类生态单元侵蚀模数的组合,模拟了全流域在雨强为2 mm/min和1.5 mm/min的场降雨土壤水蚀模数。模拟结果显示,该方法能预测不同雨强的流域土壤水蚀模数,能体现出流域土壤水蚀强度的空间差异,推得六道沟流域土壤水蚀的严重地段集中在坡度为15°~25°的荒草地、坡地和稀疏灌木草地,而并非是整个流域,这为我们有目的地规划水土保持措施提供了依据。     

通渭黄土滑坡变形特征及致灾机理分析∗

2019 年 9 月 14 日,甘肃省定西市通渭县发生大型黄土滑坡。通过对该黄土滑坡的现场调查和无人机航测,查明了孕育滑坡的地形地貌、水文地质等条件,对滑坡体的形态特征、结构特征和运动模式进行深入研究,揭示了常家河滑坡的致灾机理。运用高密度电法对滑坡体进行探测,探明滑坡区域的地层结构、滑体厚度、地下水分布及空间展布情况。结合有限元法和严格的极限平衡法计算坡体的稳定性,得到降雨条件下滑坡坡体的最大剪应变区域分布及斜坡稳定性随着降雨持时的变化规律。研究结果表明：(1)通渭滑坡整体形态呈圈椅状,分为 3 个典型破坏区域,形成大量垂直陡坎,黄土滑动厚度约为 8~50 m;(2)通渭滑坡属“牵引?推移”式顺层滑坡,运动方式为“坡脚失稳牵引?中部受阻滑移?后部失稳推移”;(3)地下水多为裂隙岩溶水,地层结构不明显,早期地震等地质构造活动对地层形状影响较大;(4)黄土斜坡稳定性受降雨持时影响持续降低,斜坡最大剪应变区域多分布于斜坡中上部, 且从泥岩接触面向坡面发展;(5)降雨是触发通渭滑坡的最直接因素,冲沟发育、河流侵蚀与农业生产活动是重要的孕灾条件。     

西安市户县教场沟泥石流发育特征及危险性分析

我国山区泥石流灾害频发,其中秦巴山区就是我国泥石流灾害的多发区之一。前后两次对秦岭北麓户县涝峪镇教场沟进行了详细的野外考察。在考察过程中,对沟道内泥石流物源的总储量及空间分布,沟道的横、纵断面参数进行了详细的调查和测量;在此数据基础上,以小流域降雨-径流计算模型对不同降雨条件下,泥石流峰值流量及单次泥石流过程总量进行了计算分析。计算结果表明,该流域在遭遇50 a及以上年数一遇的强降雨时,将形成规模可观的泥石流灾害;结合沟口的实际地形资料,通过经验模型对不同降雨条件下的泥石流堆积范围进行了分析及预测,旨在为秦巴山区泥石流防灾减灾工作提供科学参考。     

基于情景分析的LUCC和气候变化对南盘江流域径流的影响

为揭示土地利用/土地覆被变化(Land Use and Land Cover Change,简称LUCC)和气候变化对南盘江流域径流的影响,基于情景分析,运用SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型,定量研究不同土地利用类型和气候要素对流域内径流的影响,并结合RCP4.5、RCP8.5两种排放情景对流域未来径流的变化进行预估。结果显示:①南盘江流域SWAT模型的率定期参数R~2、Ens分别为0.68、0.67,验证期R~2、Ens分别为0.65、0.63,SWAT模型适用于南盘江流域的径流模拟;②不同土地利用类型对比情景显示,农业用地、林地、草地对产流的贡献次序分别为,农业用地最强,草地次之,林地最弱;气候变化情景显示,径流变化与气温变化成反比,与降雨量变化成正比,且径流变化对降雨量变化更为敏感。③2006-2015年间,LUCC、气候变化二者均会导致南盘江径流量的减少,但气候变化在径流变化中占主导作用。④在RCP4.5、RCP8.5两种排放情景下,南盘江径流在2021-2050年间都呈现减少趋势,减少速率分别为18.74×10~8m~3/10年和21.35×10~8m~3/10年,分别达到1974-2015年减速的1.37、1.56倍,减小趋势明显增强。     

强降雨过程中冰云粒子等效半径的垂直分布及其与降水的相关性

采用CloudSat卫星云廓线雷达反演资料2B-CLDCLASS,2B-CWC-RO和2B-GEOPROF以及地面气象站降水资料,选取新疆天山及其附近地区的6次强降雨过程中的8个降雨云个例,对云中冰粒子等效半径的垂直分布特征及其与地面降水量的相关性进行了分析。结果表明:冰粒子主要分布在2~13 km的高程内,其等效半径的低值主要分布在云层的上部,高值主要分布在云层的下部。半径大于150μm的冰粒子的出现概率很小,而等效半径小于80 um的冰粒子除2007年7月9日昭苏降水过程中仅分布在云层的顶部外,其它个例中在各高度云层中均有分布。冰粒子等效半径与降水量相关性随高度而变化,在5~6km高度层内相关性最好,相关系数为0.823,且在0.05水平上有较高的显著性。5 km以上高程上的相关性随高度的升高而减弱。同一地区不同降水过程云中冰粒子等效半径的垂直分布具有极高的相似性,相关系数大于0.9。     

降雨径流调控利用与流域保水减沙效应研究

采用绝对/相对保水减沙比指标来反映降雨径流的调控利用效果,绝对保水减沙比指标反映流域经过调控后所保有的降水资源量与侵蚀产沙量的比值;相对保水减沙比指标反映流域经过调控后拦截单位泥沙所减少的地表径流量。选取黄土高原多沙粗沙区7个主要支流,以1960-2009年为研究时段,对其保水减沙效应进行了评价。结果表明:1960-1999年间各流域内绝对/相对保水减沙比指标波动变化幅度较大,但在2000-2009年间,各个支流绝对/相对保水减沙比指标分别急剧增加和下降,表明国家退耕还林(草)工程实施成效显著。保水减沙比指标不仅可作为评价流域降雨径流调控利用效果的有效指标,而且还可作为流域水土保持与生态建设效果评价的一个综合性指标。     

微生物矿化作用(MICP)‑铺砂联合提高黄土抗侵蚀性试验研究

采用微生物诱导碳酸钙沉积(MICP)?铺砂联合技术对黄土进行改性,通过开展降雨冲刷实验对其提高黄土抗侵蚀特性的可行性进行了验证。结合微型贯入和碳酸钙含量测定试验,进一步阐明了 MICP?铺砂提高黄土抗侵蚀特性的作用机理。结果表明：(1)纯 MICP 处理能提高黄土抗侵蚀性,而 MICP?铺砂联合技术相比纯 MICP 处理能更进一步提高黄土抗侵蚀性。未经 MICP 处理的土体在降雨条件下发生大面积侵蚀的时间最早,其次为纯 MICP 处理的土体,而 MICP?铺砂联合处理的土体仅表面部分土体发生侵蚀,其它部分较为完整。(2)MICP?铺砂联合改性机理是通过微生物砂防护层的高强度和被防护边坡黄土硬化壳的低渗透性有机结合,发挥砂防护层抗雨滴击溅和径流冲刷以及黄土硬化壳减渗的共同作用,从而提高黄土的抗侵蚀能力。(3)纯 MICP 处理和 MICP-铺砂联合处理土体流出液的化学指标值相差不大。(4)纯 MICP 处理和 MICP?铺砂联合处理土体的结构强度远高于未经处理的土体。(5)纯 MICP 处理和 MICP?铺砂联合处理土体的碳酸钙含量均呈现随深度增加而逐渐降低的趋势, 二者的平均碳酸钙含量相差不大。     

基于SWMM模型的城市洪涝过程模拟及风险评估

以SWMM模型作为研究基础,建立了西安市沣西新城区洪涝过程模型,对由暴雨强度公式和芝加哥降雨过程线合成的不同重现期、历时120 min、雨峰系数为0.4的降雨情景开展洪涝过程及其风险评估研究。计算结果表明:该区域设计的排水管网可抵御3年一遇暴雨,但高于此重现期的暴雨会出现不同程度的内涝;溢流最严重的节点在重现期为T=10年暴雨中最大积水深约0.20 m,对城市影响程度不大,但在T=20年暴雨中最大积水深可达0.56 m,可引起严重灾情。根据积水深度模拟结果,可初步判断出在T=20年暴雨过程的特定时段(75~105 min)内,积水会导致以溢流节点为中心10 m范围内的行人和车辆失稳。     

西安市降水频率变化特征分析

利用1951-2005年西安市的逐日降水资料,分析了西安市降水量和降水频率的年、季变化特征,探讨了各等级降水的频率变化对总降水量变化的贡献。结果表明:(1)50多年来西安市降水量有所减小,降水日数显著减少且在春夏秋冬四季均有反映,降水日数的减少速率以秋季为最大;(2)5mm以下小雨的降水频率有显著的逐年代降低趋势,而5～10mm的小雨和中雨的降水频率基本上没有变化,大雨和暴雨及以上的降水频率低,且其变化具有随机性;(3)自20世纪80年代以来,春夏秋冬四季的小雨降水频率均有所降低,其中夏季小雨降水频率的减少系主要由微量降水雨日的减少引起;(4)小雨降水的频率比重和总量比重自20世纪80年代以来显著降低,中雨降水总量比重也有所降低,而大雨和暴雨及以上的降水量比重基本没有变化。所以小雨和中雨降水总量减少是多年来总降水量减少的主要原因。研究结果显示,人类活动排放的气溶胶可能是造成西安市降水频率降低和总量减少的主要原因之一。     

沟床侵蚀主导型泥石流形成机理与成灾特征——以石棉县2013-07-04群发泥石流为例

2013年7月4日18时许,石棉县后沟、熊家沟、马颈子沟3沟同时发生了泥石流。以石棉县2013-07-04群发泥石流为研究对象,通过调查测绘、遥感解译,研究了沟床侵蚀主导型泥石流的形成机理和成灾特征。调查研究表明:小时雨强36.6 mm的暴雨激发了这次群发泥石流,该短历时强降雨可视为是触发这次群发泥石流关键因素;沟床质侵蚀与起动是泥石流最重要的物源,3条沟内约97×104m3沟床堆积物被侵蚀补给泥石流,这次群发泥石流流体粘度高,搬运能力强,下游峰值流量分别达到751.0 m3/s,870.1 m3/s和758.7 m3/s。研究结果对沟床侵蚀主导型泥石流的形成机理和成灾特征的认识及防灾减灾实践具有一定的参考价值。     

基于遥感解译的典型低频泥石流形成机制研究——以四川省宁南县矮子沟泥石流为例

2012年6月28日四川省宁南县矮子沟暴发泥石流,造成重大的人员伤亡和财产损失。通过对比事件前后流域的高精度遥感影像,并结合泥石流发生后野外调查情况进行综合分析。研究结果表明:矮子沟泥石流具有典型水力类泥石流的启动机制,其形成过程可分为四个阶段:①强降雨使得地表径流快速汇集,使得坡体表层土产生破坏并启动,形成坡面泥石流并汇入主沟;②具有极强侵蚀能力的坡面泥石流开始对沟床内的固体物质产生强烈的揭底侵蚀和侧蚀,使得沟床堆积体的稳定性产生破坏并启动;③沟床堆积物在受到揭底侵蚀后,从上游依次往下,形成连续性的破坏并为泥石流的形成持续提供固体物质,以维持泥石流的运动并放大其规模;④在达到海拔800 m沟口转弯处之后,由于受到地形的限制及泥石流自身的动能衰减并产生堆积,泥石流过程结束。通过对该次泥石流的物源补给过程进一步研究认为,其物源补给可分为形成泥石流流体所需的启动型物源和维持泥石流持续运动的维持型物源两类。通过对比发现,低频泥石流在启动过程中的物源补给过程具有明显的启动型物源和维持型物源两个相对微观物源补给类型及过程,可为这类泥石流防治工程的类型选择及设计提供重要的理论依据。     

不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切特性研究∗

采用 GDS 界面剪切仪,开展不同剪切速率下吸力基础-黏土界面剪切试验,研究了沉贯过程中基础沉贯速率对吸力基础-黏土界面剪切特性的影响,分析了不同剪切速率、不同沉贯深度下的界面剪切特性。试验结果表明,吸力基础-黏土界面的抗剪强度随着法向应力的增加而增大,但随着剪切速率的增加而减小;界面峰值强度对应的剪切位移均在 1 mm 以内,且随着法向应力的增加而增大;界面凝聚力与剪切速率呈正相关,界面摩擦角则相反。在沉贯速率 1.0~1.2 cm/min 范围内,界面凝聚力增加幅度最大。摩擦系数在 0.27~0.34 变化,且随着沉贯速率的减小而增大,随沉贯深度的增加呈现减小趋势。     

全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨关系分析∗

降雨是滑坡诱发的主要因素,当前我国防灾工作理念从注重灾后救助向注重灾前预防转变、从减少灾害损失向减轻灾害风险转变,因此明晰降雨诱发机理并建立合理的预警机制,对做好地质灾害防灾减灾工作至关重要。针对降雨型全风化花岗岩滑坡稳定性问题,以青岛崂山风景区全风化花岗岩返岭滑坡为实例,进行了不同含水率原状土剪切试验与大型物理相似模型试验。揭示了边坡的降雨响应规律,探究了全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨关系,并拟合相关量化公式。同时采用ABAQUS 建立边坡流固耦合三维数值模型,基于强度折减法验证了公式的合理性。研究结果表明：（1）降雨型全风化花岗岩滑坡的破坏模式分为浸润侵蚀→表层变形→破坏加深→整体失稳4个阶段,变形期间坡体存在“ 鼓状凸起”与“片状溜滑”现象,最终发生推移式破坏;（2）边坡对降雨入渗的响应规律在水平及竖向空间上存在差异,降雨强度越大,含水率与孔压增速越大;（3）基于试验结果推导了滑坡含水率、安全系数与降雨强度、降雨持时之间的影响关系公式,数值模拟验证误差率较小,能够较好的描述全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨之间的定量关系。研究结果为类似强~全风化花岗岩地区滑坡的预警与防治提供参考。