基于机器学习的土壤侵蚀空间分布预报及影响因子分析——以西南高山峡谷区云南省云龙县为例

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作者 窦占宁 王彬 周金星 《生态学报》 北大核心 2025年第14期6663-6677,共15页

土壤侵蚀预报对区域生态修复和水土保持具有重要作用。由于受地域特异性影响,土壤侵蚀经验模型在不同地区使用时需进行参数率定和校验,时间和人力成本高。研究通过集成前人研究成果并结合研究区特点,确定土壤侵蚀特征因子(降雨量(Pre)... 土壤侵蚀预报对区域生态修复和水土保持具有重要作用。由于受地域特异性影响,土壤侵蚀经验模型在不同地区使用时需进行参数率定和校验,时间和人力成本高。研究通过集成前人研究成果并结合研究区特点,确定土壤侵蚀特征因子(降雨量(Pre)、黏粒含量(Clay)、粉粒含量(Sil)t、砂粒含量(Sand)、坡长(SL)、坡度(Slope)、归一化植被指数(NDVI)、土地利用类型(Land use)和剖面曲率PC),并以RUSLE模型计算的土壤侵蚀模数为基准值,采用随机森林、LightGBM和Catboost三种机器学习模型,对土壤侵蚀量进行建模计算;引入SHAP值以解析各土壤侵蚀特征因子对土壤侵蚀的作用机制。结果表明:(1)3种机器学习模型在训练集与测试集的性能表现均为“非常好”,表明机器学习模型可用于土壤侵蚀预报研究。(2)以云龙县为例,Catboost模型表现最好(NSE=0.984,RSR=0.125),其次分别为随机森林(NSE=0.966,RSR=0.183)和LightGBM(NSE=0.964,RSR=0.189)。(3)SHAP值分析表明,对云龙县土壤侵蚀影响最大的4个因子依次是NDVI、SL、Slope和Pre,其中NDVI与SHAP值呈极显著的负相关关系(r=-0.68,P<0.01),而SL、Slope和Pre与SHAP值呈极显著的正相关关系(r=0.54,P<0.01;r=0.57,P<0.01;r=0.69,P<0.01)。(4)基于Catboost模型,仅需3.07s便可完成土壤侵蚀空间分布制图(CPU i5-9300H),分类正确区域占总区域的86.62%,且误差未呈现明显的聚集现象。研究结果不仅能为快速、准确地进行土壤侵蚀空间分布分析提供新的途径,也可为土壤侵蚀预报模型研究提供科学依据。 展开更多

关键词 土壤侵蚀 机器学习 随机森林 LightGBM Catboost

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缙云山典型树种树干液流日际变化特征及与气象因子关系 被引量：20

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作者 张璇 张会兰 +4 位作者 王玉杰 王云琦 刘春霞 杨坪坪 潘声雷 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第3期11-20,共10页

运用Granier热扩散探针方法,于2012—2015年8—9月对重庆缙云山自然保护区内3个典型优势木（杉木、马尾松、四川山矾）的树干液流进行测定,并运用微型气象站同步监测太阳辐射（ES）、大气温度（T）、大气相对湿度（RH）、风速（W）、饱... 运用Granier热扩散探针方法,于2012—2015年8—9月对重庆缙云山自然保护区内3个典型优势木（杉木、马尾松、四川山矾）的树干液流进行测定,并运用微型气象站同步监测太阳辐射（ES）、大气温度（T）、大气相对湿度（RH）、风速（W）、饱和水汽压差（VPD）等气象因子及土壤含水量（SWC）,分析3个树种的树干液流在日尺度及典型天气条件（晴、阴、雨）下的差异和特征及其与气象因子的关系。结果表明：树种间导水能力差异表现为四川山矾〉马尾松〉杉木,阔叶树种蒸腾速率高于针叶树种;3个树种树干液流日变化规律均呈现＂昼高夜低＂的单峰走势;液流启动时间和达到峰值时间均为山矾最早,杉木最晚;典型天气条件下3个树种液流量均呈现晴天〉阴天〉雨天,与晴天液流量相比较,阴、雨天液流量减少幅度为41%至86%;白天树干液流贡献率表现为晴天（94.74%~98.04%）〉阴天（93.63%~96.71%）〉雨天（81.43%~85.43%）,夜晚树干液流贡献率表现为雨天（14.57%~18.27%）〉晴天（3.29%~6.37%）〉阴天（1.96%~5.26%）;导致雨天夜间液流贡献率最大的因子为SWC;影响3个树种树干液流的主要气象因子为ES和VPD;T、RH、W对3个树种的影响程度都很小,且略有不同。气象因子与杉木、马尾松、四川山矾的树干液流多元回归方程决定系数分别为0.873、0.873、0.903。 展开更多

关键词 热扩散探针方法 天气条件 液流通量密度 气象因子 夜间液流

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缙云山典型树种树干液流径向变化及单株日蒸腾量估算 被引量：11

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作者 张璇 张会兰 +3 位作者 王玉杰 王云琦 刘春霞 杨坪坪 《水土保持学报》 CSCD 北大核心 2016年第3期337-343,共7页

为分析树干液流速率径向变化,准确估算单木蒸腾量,运用Granier热扩散探针方法于2015年7-9月对重庆缙云山自然保护区内2个典型树种（杉木、四川山矾）树干木质部3个深度（10mm,30mm,50mm）的液流速率（V）进行测定。结果表明：杉木树干... 为分析树干液流速率径向变化,准确估算单木蒸腾量,运用Granier热扩散探针方法于2015年7-9月对重庆缙云山自然保护区内2个典型树种（杉木、四川山矾）树干木质部3个深度（10mm,30mm,50mm）的液流速率（V）进行测定。结果表明：杉木树干液流速率径向分布规律为：V（30-50mm）〉V（10-30mm）〉V（0-10mm）,V（30-50mm）是V（0-10mm）的1.65倍,V（10-30mm）是V（0-10mm）的1.12倍。四川山矾树干液流速率径向分布规律为：V（10-30mm）〉V（0-10mm）≈V（30-50mm）,V（10-30mm）约为V（0-10mm）和V（30-50mm）的2.6倍;各深度处的液流速率之间呈显著线性相关关系;树干木质部不同深度处液流速率日变化规律呈单峰或双峰走势;7月份液流速率值最大,树木蒸腾出现＂午休＂现象;液流启动及到达峰值的时间在时间和空间上都存在差异。7月份液流启动时间和到达峰值时间早于8,9月份。径向上液流速率最大的位置,液流启动时间最早,到达峰值时间最晚;运用3个深度的液流速率分区域计算得到的杉木日蒸腾量为7 274.815g,四川山矾日蒸腾量为12 481.494g;忽略树干液流径向差异,以单一深度处液流速率估算日蒸腾量,对杉木产生的误差为10.29%-22.60%,变异系数CV为37%-60%,对四川山矾产生的误差为42.41%-66.88%,变异系数CV为19%-26%。 展开更多

关键词 液流速率 径向差异 日蒸腾量

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基于PIV的茎秆倒伏角度对坡面薄层流水动力学特性的影响

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作者 张迪 张会兰 +2 位作者 李峰 谷方正 王铃涵 《水土保持学报》 北大核心 2025年第3期335-344,351,共11页

[目的]坡面植被在水流冲刷或风力等外力作用下,易发生不同程度的倒伏,为探究植被倒伏角度对坡面薄层流水动力特性及侵蚀冲刷过程的影响。[方法]利用亚克力圆柱体模拟植株茎秆,开展室内水槽冲刷试验,设置6组倒伏角度(45°、75°... [目的]坡面植被在水流冲刷或风力等外力作用下,易发生不同程度的倒伏,为探究植被倒伏角度对坡面薄层流水动力特性及侵蚀冲刷过程的影响。[方法]利用亚克力圆柱体模拟植株茎秆,开展室内水槽冲刷试验,设置6组倒伏角度(45°、75°、90°、105°、135°、150°)与3组流量条件(0.23、0.52、0.76 L/s),采用高频粒子图像测速系统(particle image velocimetry,PIV)捕捉流场图像并进行流场绘制,分析不同茎秆倒伏角度对流场特性、紊动特性与涡旋结构特征的影响。[结果]1)茎秆存在导致其上游对称面处的水流流速发生改变,在近床面区域形成沿床面向上游与沿茎秆向下的负向流动区(x/D=-0.1至x/D=-0.4,y/D=0至y/D=0.4),且茎秆前倾与后倾均会削弱水流的负向流动。2)随水深增加,垂向流速的紊动强度先增大后减小,紊动强度最大值出现的位置均位于y/D=0.2附近,说明该区域涡旋微结构作用强烈。3)茎秆存在导致上游对称面处的马蹄涡(horseshoe vortex,HV)结构产生。由于茎秆前倾与后倾对下降流的削弱作用,随倾斜角度的增加,马蹄涡系统变得明显,涡量增大且逐渐向柱体靠近,在达到90°后继续倾斜,马蹄涡系统强度反而减弱。HV1的涡量随柱体倾角变化总体呈先增大后减小的“抛物线型”变化规律,涡量最大值90°>105°>75°>135°>45°>150°。[结论]综合表明,在坡面水流发展初期,倾斜植株茎秆能够在一定程度上减弱茎秆底部水流的逆向流动,抑制下降流的产生,削弱马蹄涡结构,进而减轻薄层流对床面的侵蚀,且茎秆倾斜程度越大,对土壤侵蚀的抑制效果越好。 展开更多

关键词 坡面薄层流 倒伏角 流场 马蹄涡系统 PIV

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东北黑土区坡面侵蚀—沉积过程对土壤有机碳组分的影响

5

作者 周笑 王彬 +4 位作者 樊华 王文刚 佟亚宁 王俊 李力国 《水土保持学报》 北大核心 2025年第5期158-168,共11页

[目的]旨在探讨土壤侵蚀-沉积过程对土壤有机碳组分的影响及其相互作用机制,以加深对东北黑土区耕地碳库管理策略及土壤有机碳响应机制的理解。[方法]以东北薄层黑土区(宾县)和厚层黑土区(克山县)典型坡耕地为对象,采用137Cs示踪技术定... [目的]旨在探讨土壤侵蚀-沉积过程对土壤有机碳组分的影响及其相互作用机制,以加深对东北黑土区耕地碳库管理策略及土壤有机碳响应机制的理解。[方法]以东北薄层黑土区(宾县)和厚层黑土区(克山县)典型坡耕地为对象,采用137Cs示踪技术定量评估土壤侵蚀强度,明晰不同土壤侵蚀强度对坡面土壤有机碳组分特征的差异及其变化趋势,揭示土壤侵蚀对土壤有机碳组分的影响机制。[结果]薄层黑土区年平均土壤侵蚀模数为2 822.99 t/(km^(2)·a),厚层黑土区年平均土壤侵蚀模数为2 174.74 t/(km^(2)·a)。土壤侵蚀-沉积速率是驱动土壤有机碳组分变化的主要因素,随着土壤侵蚀速率的增加,土壤有机碳组分显著减少,且二者呈显著负相关。不同有机碳组分流失速率依次为EOC>POC>MBC>DOC。[结论]总氮(TN)是影响土壤有机碳及组分分布的关键因子,而C/N比值、黏粒和砂粒质量分数对有机碳组分的分布具有显著影响。 展开更多

关键词 土壤侵蚀 137Cs核素示踪 有机碳 活性有机碳组分 黑土

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不同清理方式对北京市透水砖铺装渗透率衰减过程影响 被引量：9

6

作者 李美玉 张守红 +2 位作者 王云琦 谢朝帅 李睿贤 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2020年第3期143-150,共8页

【目的】透水砖铺装作为新兴的径流调控措施之一,已被广泛应用于我国海绵城市建设。由于缺乏长期监测数据,透水砖铺装渗透率衰减过程及不同清理方式的维护效果尚不明确。本文通过室内模拟多年雨水径流入渗过程实验,定量监测其渗透率衰... 【目的】透水砖铺装作为新兴的径流调控措施之一,已被广泛应用于我国海绵城市建设。由于缺乏长期监测数据,透水砖铺装渗透率衰减过程及不同清理方式的维护效果尚不明确。本文通过室内模拟多年雨水径流入渗过程实验,定量监测其渗透率衰减过程并对比不同清理维护措施效果。【方法】基于透水砖铺装入流-渗透实验,测定分析了不清理以及真空抽吸尘和压力水冲洗两种清理维护方式下透水砖铺装系统渗透率的衰减过程和实验前后找平层粒径分布的变化特征。【结果】3种清理方式下,透水砖铺装渗透率均呈指数衰减趋势,运行7年后,不清理、真空抽吸尘和压力水冲洗清理下透水砖铺装渗透率分别为26、229和19 mm/h,分别衰减了99.6%、96.3%和99.7%,真空抽吸尘的清理效果优于压力水冲洗。3种清理方式下透水砖铺装的悬浮颗粒物平均去除率在95%~98%之间,差异不显著(P> 0.05,n=7),铺装系统的找平层上部细颗粒物含量分别增加了29.2%、15.6%和30.1%。更新透水砖(即"新砖+旧找平层+旧土工布")可将透水砖铺装系统的渗透速率恢复至新建系统的28.3%~32.4%,而更新找平层和土工布可将渗透率恢复至新建系统的63.8%~72.6%。【结论】雨水径流携带的细颗粒物在找平层上层聚集是透水砖铺装系统堵塞的主要原因,采用真空抽吸尘清理可有效减少找平层上层的细颗粒物含量,更新找平层和土工布比更新透水砖层可取得更好的透水性能恢复效果。 展开更多

关键词 透水砖铺装 渗透率 堵塞 清理维护 悬浮颗粒物

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初始含水率和降雨能量对黑土团聚体溅蚀特征的影响 被引量：5

7

作者 张转敏 王彬 +1 位作者 饶伟 王文刚 《水土保持学报》 CSCD 北大核心 2024年第2期68-75,共8页

[目的]为明晰降雨能量和初始含水率对土壤团聚体溅蚀过程机制的影响。[方法]选取东北典型耕层黑土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探讨不同初始含水率、降雨能量和团聚体初始粒径的团粒溅蚀特征。[结果](1)4种初始粒径黑土团聚体的溅... [目的]为明晰降雨能量和初始含水率对土壤团聚体溅蚀过程机制的影响。[方法]选取东北典型耕层黑土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探讨不同初始含水率、降雨能量和团聚体初始粒径的团粒溅蚀特征。[结果](1)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均在初始含水率4%时最大,其中初始粒径<0.25 mm团聚体溅蚀量是相同降雨能量下各粒径团聚体溅蚀量的1.21~5.50倍。随初始含水率的增加各初始粒级团聚体溅蚀量呈减小趋势,而初始含水率>25%后则呈增大现象。(2)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均随降雨能量的增加而增大。相较于降雨能量305 J/(m^(2)·h)(1 m)条件,当降雨能量增加至909 J/(m^(2)·h)(5 m)时,不同初始粒径团聚体溅蚀量分别增加15.37~20.70(<0.25 mm),52.30~417.60(0.25~1 mm),51.58~359.36(1~3 mm),68.73~777.99倍(3~5 mm)。不同初始粒径黑土团聚体溅蚀量存在明显的阈值,当降雨能量达到529 J/(m^(2)·h)(2 m)以上时,不同降雨能量梯度下的溅蚀量存在显著差异。(3)降雨能量是影响溅蚀量的关键因素。降雨能量对溅蚀量的直接效应为0.811,存在显著正向影响,且相关程度最高;初始含水率和团聚体初始粒径的直接效应分别为0.193和0.352,存在显著负向影响。[结论]研究结果可为东北黑土区坡面土壤侵蚀过程机制研究和土壤侵蚀机理模型构建提供科学依据。 展开更多

关键词 初始含水率 降雨能量 溅蚀量 典型黑土区

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水力梯度影响下WEPP模型估计细沟侵蚀参数的可行性分析 被引量：7

8

作者 王晨沣 马超 +3 位作者 王玉杰 王彬 王云琦 张会兰 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第8期126-133,共8页

为分析近地表水文条件影响下WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型估计细沟可蚀性和临界剪切力的可行性,该研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,采用不同水力梯度值模拟饱和/渗流(水力梯度为0、0.71和1.43 m/m)和排水(水... 为分析近地表水文条件影响下WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型估计细沟可蚀性和临界剪切力的可行性,该研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,采用不同水力梯度值模拟饱和/渗流(水力梯度为0、0.71和1.43 m/m)和排水(水力梯度为?0.71和?1.43 m/m)2种近地表水文条件,并设置3个放水流量(0.55、1.58、2.51 L/min),利用"V"形试验土槽测定不同条件下细沟产流产沙,以WEPP模型估算的土壤可蚀性和临界剪切力为计算值。测定增大流量直到侵蚀开始并出现连续不断的土壤颗粒分离时所对应的流量,将基于此流量计算获得的临界剪切力作为实测值。比较临界剪切力计算值与实测值验证WEPP模型估算的可靠性。结果表明,在饱和/渗流条件下,土壤剥蚀率随着冲刷历时的增加逐渐减小;在排水条件下,放水流量为0.55 L/min的土壤剥蚀率随冲刷历时的增加快速减少并逐步稳定,而随着放水流量增大土壤剥蚀率波动的更为剧烈。5个水力梯度平均细沟可蚀性为2.51×10?2 s/m。饱和/渗流条件下细沟可蚀性为3.07×10?2 s/m,是排水条件的1.78倍。除水力梯度为?1.43 m/m时临界剪切力在WEPP模型中的计算值与实测值相符外,在?0.71~1.43 m/m范围内,临界剪切力的计算值均高估了实测值,平均高估了36.85%。临界剪切力实测值与计算值呈指数函数关系(R2=0.77,P<0.01)。该研究可为黄壤的侵蚀防治及WEPP细沟侵蚀模型临界剪切力修正提供理论支持和科学指导。 展开更多

关键词 侵蚀 径流 剪切力 水力梯度 WEPP模型 细沟可蚀性 黄壤

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不同土壤前期含水量对土壤分离临界水动力学特性及其抗剪强度的影响 被引量：8

9

作者 王晨沣 张守红 +4 位作者 王彬 王玉杰 王云琦 胡波 王凯 《水土保持学报》 CSCD 北大核心 2017年第1期91-96,102,共7页

通过实测不同土壤前期含水量(5%~23%)和坡度(1°~10°)条件下黄壤坡面土壤分离临界水动力参数,并结合不同土壤含水量(3%~23%)对土壤抗剪强度的影响,综合分析及探讨不同土壤前期含水量、坡度和土壤抗剪强度与临界水动力特性的关... 通过实测不同土壤前期含水量(5%~23%)和坡度(1°~10°)条件下黄壤坡面土壤分离临界水动力参数,并结合不同土壤含水量(3%~23%)对土壤抗剪强度的影响,综合分析及探讨不同土壤前期含水量、坡度和土壤抗剪强度与临界水动力特性的关系。结果表明:临界流量与不同土壤前期含水量和坡度呈幂函数减小关系,并提出一种能够体现土壤前期含水量和坡度共同作用对临界水动力参数影响的预测方程。在坡度小于5°时,土壤前期含水量对临界水动力学参数影响较小,可直接采用简化的幂函数关系进行计算。土壤黏聚力随土壤含水量的增加先出现峰值后逐渐减小至稳定;与土壤黏聚力的变化趋势不同,土壤分离临界水动力参数则逐渐减小。 展开更多

关键词 土壤分离 土壤前期含水量 坡度 临界水动力学参数 土壤抗剪强度

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不同土壤前期含水率和坡度下黄壤分离临界水动力特性 被引量：8

10

作者 王晨沣 王彬 +3 位作者 王玉杰 王云琦 胡波 李世荣 《农业机械学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期224-232,共9页

土壤分离临界水动力学参数是侵蚀预报研究的基础内容,但关于不同近地表土壤水分条件下坡面侵蚀发生临界起动关键影响因子及其内在机制尚不清楚。本研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,试验设计5个土壤前期含水率(5%~23%)和5个坡... 土壤分离临界水动力学参数是侵蚀预报研究的基础内容,但关于不同近地表土壤水分条件下坡面侵蚀发生临界起动关键影响因子及其内在机制尚不清楚。本研究选取长江中上游地区典型黄壤为研究对象,试验设计5个土壤前期含水率(5%~23%)和5个坡度(1.0°~10.0°),利用冲刷槽实测土壤分离临界水动力学参数,探讨土壤分离临界水动力学参数对不同土壤前期含水率和坡度耦合作用的响应。结果表明:土壤分离临界流速、临界水深和流态均与坡度和土壤前期含水率呈幂函数减小关系;在坡度小于5.0°时,土壤分离临界水动力参数受坡度和土壤前期含水率耦合作用的影响;而在坡度大于5.0°时则主要受坡度的影响。因此,当坡度大于5.0°时,可直接采用简化幂函数方程对土壤分离临界水动力参数进行估算。在本研究试验条件下,坡面土壤分离临界水流流态基本属于层流、缓流,发生紊流、急流的概率很小。坡度和土壤前期含水率对坡面流阻力有重要的影响,阻力系数随临界单宽流量和雷诺数的增加呈幂函数下降趋势。 展开更多

关键词 土壤分离 土壤前期含水率 坡度 临界水动力特性 黄壤

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冻融循环作用对黑土水稳性团聚体特征的影响 被引量：19

11

作者 顾汪明 周金星 +1 位作者 王彬 关颖慧 《中国水土保持科学》 CSCD 北大核心 2020年第4期45-52,共8页

冻融循环作用是东北黑土区土壤侵蚀、水土流失的主要驱动因子之一,研究冻融循环作用对黑土水稳性团聚体特征的影响可以为水土流失防治提供科学参考。以东北典型黑土区耕作层土壤为研究对象,采用室内模拟冻融试验方法,研究初始含水量和... 冻融循环作用是东北黑土区土壤侵蚀、水土流失的主要驱动因子之一,研究冻融循环作用对黑土水稳性团聚体特征的影响可以为水土流失防治提供科学参考。以东北典型黑土区耕作层土壤为研究对象,采用室内模拟冻融试验方法,研究初始含水量和冻融循环次数对土壤水稳性团聚体粒级组成、>0.25 mm粒级团聚体破坏率(PAD0.25)、>1 mm粒级团聚体破坏率(PAD1.0)、平均质量直径和分形维数等团聚体特征指标的影响。结果表明:无水冻融循环显著降低>5 mm水稳性团聚体的含量,水稳性团聚体的PAD0.25和PAD1.0分别较冻融前增加12.25%和5.52%,平均质量直径与分形维数的变化表现为促进大团聚体的破碎作用。有水冻融循环则显著增加<0.5 mm水稳性团聚体的含量,PAD0.25和PAD1.0分别较冻融前增加了78.72%~132.31%和81.44%~184.94%,平均质量直径与分形维数均表现出加剧水稳性团聚体拆分的作用,水稳性团聚体的破碎效应有所增强。因此,冻融循环导致大团聚体破碎成小团聚体,降低了黑土团聚体水稳性。冻融循环作用对水稳性团聚体的破碎作用随着初始含水量的增加逐渐增强并趋于稳定。土壤团聚体水稳性随着冻融循环次数的增加显著下降,10次冻融循环后逐渐趋于稳定。 展开更多

关键词 冻融循环 团聚体稳定性 水稳性团聚体 分形维数 黑土

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降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性 被引量：5

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作者 蒋利斌 张会兰 +1 位作者 杨坪坪 刘文剑 《北京林业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第8期77-86,共10页

为研究降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性,在重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站开展陡坡定床冲刷及人工模拟降雨试验,实测5种流量(0.486×10^(-3)~1.736×10^(-3)m^3/(s·m))和3个典型降雨... 为研究降雨和坡面流共同作用下的坡面薄层流水动力学特性,在重庆缙云山三峡库区森林生态系统国家定位观测研究站开展陡坡定床冲刷及人工模拟降雨试验,实测5种流量(0.486×10^(-3)~1.736×10^(-3)m^3/(s·m))和3个典型降雨强度及无降雨条件下(0、30、60、100 mm/h),受4种不同粗糙度影响(0.009、0.180、0.250、0.425 mm)下的坡面流的水深和流速,计算并研究不同工况下的平均流速、流速修正系数、流态指数、流态及坡面流阻力等水动力参数特征,结果表明:1)水流的平均流速随着单宽流量的增大呈幂函数增加,随粗糙度的增加而减小,无降雨时的流速修正系数为0.04~0.37,降雨时为0.42~0.98,降雨对坡面流起到扰动作用。2)流态指数范围为0.291~0.538,无降雨时,流态指数随着粗糙度的增加而明显减小,其减小程度分别为21%、28%和39%;中小雨强时,流态指数无明显规律,雨强为30 mm/h时,变化程度分别为18%、-29%和12%,雨强为60 mm/h时,变化程度分别为12%、-17%和-16%;大雨强时,流态指数呈现出较为明显下降的趋势,其变化程度分别为-6%、1%和-11%。3)水流雷诺数为500~2 000,所有实验工况下水流流型均属于层紊流过渡区;水流流态整体趋于急流状态;无雨时,粗糙度与流态关系明显,其值越小水流越趋近急流,而降雨时,由于降雨的扰动作用二者不再具有相关关系。4)坡面流达西阻力系数与粗糙度呈正相关关系,与单宽流量呈负相关关系,考虑雨强影响的坡面流阻力计算公式与剔除雨强的公式相比,相关系数下降0.01%,降雨对阻力系数无显著影响。 展开更多

关键词 模拟降雨 坡面薄层流 水动力学特性 粗糙度

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