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黄土丘陵沟壑区降雨特征对不同土地利用类型坡面产流产沙的影响

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西北农林科技大学学报（自然科学版） 2024年第10期52卷 101-109,118页

作者：石默杰杨光薛艳春吴际思彩花刘一内蒙古农业大学沙漠治理学院内蒙古呼和浩特010019 内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站内蒙古鄂尔多斯017400 中央与地方共建风沙物理重点实验室内蒙古呼和浩特010018 鄂尔多斯市林业和草原事业发展中心内蒙古鄂尔多斯017010 呼伦贝尔市水利事业发展中心内蒙古呼伦贝尔021000

【目的】探究黄土丘陵沟壑区降雨特征及其对不同土地利用类型坡面产流产沙的影响。【方法】2019-2021年,以内蒙古达拉特旗合同沟小流域为研究区,设置5个不同土地利用类型(裸地、天然草地、灌木林地、农地、乔木林地)径流小区,监测研究... 详细信息

【目的】探究黄土丘陵沟壑区降雨特征及其对不同土地利用类型坡面产流产沙的影响。【方法】2019-2021年,以内蒙古达拉特旗合同沟小流域为研究区,设置5个不同土地利用类型(裸地、天然草地、灌木林地、农地、乔木林地)径流小区,监测研究区的降雨特征指标(降雨量、降雨历时、30 min最大降雨强度(I 30)、平均降雨强度、降雨侵蚀力),利用K-均值聚类法,以研究区的降雨特征指标为变量,对合同沟小流域的侵蚀性降雨进行分类;计算不同土地利用类型径流小区的径流深和土壤流失量,分析不同土地利用类型和不同降雨类型对坡面产流产沙的影响,最后分析了合同沟小流域降雨特征与不同土地利用类型坡面总径流深和总土壤流失量的相关性。【结果】(1)2019-2021年,合同沟小流域降雨分布不均匀,共发生降雨128次,其中侵蚀性降雨51次,侵蚀性降雨量占总降雨量的80.2%,且侵蚀性降雨主要集中在6-8月。(2)将侵蚀性降雨分为3类:Ⅰ类降雨(大雨量、长历时、高强度);Ⅱ类降雨(中雨量、中历时、中强度)和Ⅲ类降雨(小雨量、短历时、低强度)。与Ⅱ类降雨和Ⅲ类降雨相比,Ⅰ类降雨发生的频次较低,但其平均降雨侵蚀力较强;在同一土地利用类型下,Ⅰ类降雨造成的坡面径流深和土壤流失量均明显较大。(3)2019-2021年,不同土地利用类型径流小区坡面产流产沙特征差异明显,总径流深和总土壤流失量由大到小依次为裸地>农地>天然草地>灌木林地>乔木林地。(4)各降雨特征指标与不同土地利用类型的坡面总径流深和总土壤流失量均呈正相关关系,其中降雨量、降雨强度和I_(30)的影响较大。【结论】在黄土丘陵沟壑区,降雨量、降雨强度和I_(30)是影响坡面产流产沙的最主要指标,天然草地、乔木林地、灌木林地的减流减沙效益较好,可知农地退耕还林还草工程是减少土壤侵蚀的有效措施之一。

关键词：黄土丘陵沟壑区土地利用坡面产流产沙水土保持

锡林河流域典型草原围封与放牧条件下坡面产流产沙耦合模拟试验

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锡林河流域典型草原围封与放牧条件下坡面产流产沙耦合模拟试验

作者：陈泽勋内蒙古农业大学

学位级别：硕士

过度放牧及不合理开发利用是导致草原植被矮小且多样性降低、土壤贫瘠化与干燥化、微生物减少与功能退化、河谷湿地萎缩与沼泽化、土地沙漠化的主要原因之一,对草原坡面降雨产流产沙过程的影响极其显著。本研究选择位于我国北方的典型... 详细信息

过度放牧及不合理开发利用是导致草原植被矮小且多样性降低、土壤贫瘠化与干燥化、微生物减少与功能退化、河谷湿地萎缩与沼泽化、土地沙漠化的主要原因之一,对草原坡面降雨产流产沙过程的影响极其显著。本研究选择位于我国北方的典型半干旱草原型内陆河流域——锡林河流域为研究区,研究对象选择天然放牧的草场,通过运用野外人工模拟降雨的方法,选用围封、放牧、裸地三种坡面处理方式,设置多种降雨强度-坡度-植被盖度组合情景,对不同放牧条件和不同情景下的坡面产流产沙过程进行实时观测和系统研究,探讨了降雨特性、坡面坡度、植被覆盖对坡面产流产沙特征的影响,辨析了围封与放牧条件下草地坡面的水沙运动特性及其变化规律,揭示了放牧扰动下典型草原坡面产流产沙机制,阐明了草地植被的减流减沙效益。相关研究成果可为草原生态保护、退化生态水文系统的恢复重建以及畜牧业的可持续发展提供理论基础和科学依据。主要得到以下结论:（1）对比分析了降雨强度、坡面坡度和植被盖度对坡面降雨产流的初始时间和径流速度的影响。结果表明:在其他条件相同的情况下,初始产流时间随着雨强或坡度的增大均减短,随着植被盖度的增加而明显延长;同时,雨强或坡度越大则坡面流速越大,而植被盖度越大时,坡面流速越小。（2）研究了不同条件下的坡面产流产沙变化特征及规律,结果表明:不同放牧条件下坡面的产流产沙过程大致相同。在不同降雨强度下,坡面累积产流量和累积产沙量随着降雨历时均呈直线上升趋势,同时,坡度越大,累积产流量与累积产沙量的增加幅度越大,且累积产沙量的增幅更明显。同时分析了坡面产流产沙总量,以裸地坡面为对照,放牧坡面与围封坡面相对于裸地坡面各条件下的产流总量分别减少了17.8%、32.8%。放牧坡面与围封坡面相对于裸地坡面各条件下的产沙总量分别减少了16.3%、28.1%。（3）分析了坡面径流强度、侵蚀产沙速率以及入渗率的变化过程,分析结果表明:坡面径流强度和侵蚀产沙速率随植被盖度的增加呈减小趋势,而入渗率则随着植被盖度的增加呈增大趋势。在相同降雨强度和坡度下,不同放牧坡面径流强度与侵蚀产沙速率的大小顺序为:裸地＞放牧＞围封,入渗率的变化则相反。在各种模拟降雨条件下,在降雨初期0-12min内径流强度急剧增加,后期增加变缓逐渐稳定,总体变化趋势呈幂函数的形式。侵蚀产沙速率在降雨初期同样急剧增加,在6-12min内达到极大值,随后缓慢减小至相对平稳。入渗率则整体呈现先急剧减小,随后缓慢变化逐渐达到稳定状态。

关键词：典型草原锡林河流域放牧与围封植被盖度坡面产流产沙

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花岗岩侵蚀区坡面产流产沙规律的研究

南昌水专学报 1997年第1期16卷 12-16页

作者：何长高江西省水土保持科学研究所南昌330029

根据多年的实测资料，分析了降雨量和最大10分钟两强对花岗岩区坡面产流产沙的影响规律，提出了坡面产流产沙预测预报模型。

关键词：坡面产流产沙预报模型花岗岩区土壤侵蚀

植被-梯田措施配置对坡面侵蚀及连通性的影响研究

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植被-梯田措施配置对坡面侵蚀及连通性的影响研究

作者：杨卓琛西安理工大学

学位级别：硕士

水沙连通性的动态变化是全面了解坡面侵蚀源汇区之间物质输移的重要一步,近年来随着数字高程模型（DEM）精度的不断提升、图像处理技术的快速进步以及计算能力的显著提高,水沙连通性研究逐年成为国内外土壤侵蚀研究的热点。前人的研究... 详细信息

水沙连通性的动态变化是全面了解坡面侵蚀源汇区之间物质输移的重要一步,近年来随着数字高程模型（DEM）精度的不断提升、图像处理技术的快速进步以及计算能力的显著提高,水沙连通性研究逐年成为国内外土壤侵蚀研究的热点。前人的研究更多从流域尺度对水沙连通性变化进行计算和评估,而坡面水沙及细沟变化对坡面水沙连通性的影响研究相对较少。因此,本研究以六道沟小流域典型坡面为研究对象,通过野外模拟降雨试验,分析不同措施配置坡面下产水产沙特征及坡面细沟发育规律,研究坡面水沙变化及细沟变化对坡面水沙连通性的影响,取得的主要结论如下:（1）基于野外试验实测数据,分析了不同措施配置坡面产水产沙特征。不同措施配置的坡面产流率均随产流历时的增加呈先增大后趋于稳定的变化趋势,且不同措施配置坡面产沙率之间存在较大差异。全草坡面措施减流效益最好为62.2%,其次为上裸下草措施43.55%;全草坡面措施的减沙效益最好,为97.9%,其次为全梯田措施91.8%。不同措施配置坡面的第二场降雨的减水减沙效益均小于第一场,上裸下草措施减水减沙效益均优于上草下裸措施,全梯田措施减沙效益显著,全草措施减水减沙综合效益最好。（2）根据降雨前、后坡面地貌扫描数据,分析了不同措施配置坡面的下细沟变化规律,结果表明:裸地坡面在连续降雨中均发生明显的细沟侵蚀,梯田措施、草地措施坡面配置在降雨中基本保持稳定;在降雨过程中,坡面土壤侵蚀主要发生在细沟及细沟间;除全梯田、全草措施外,其它4种措施配置坡面均发生不同程度的细沟侵蚀,坡面沿程细沟宽深比均随产流历时的增加呈现先增大后减小的趋势。在两场降雨中,全裸地坡面的细沟水平投影面积、细沟密度、细沟割裂度（无量纲）均最大,分别为942.5cm2,2.25m/m2,1.2×10-2;在坡面细沟的沿程分布上,全裸地坡面中下位置细沟发育规模最大;在细沟发育初始阶段,坡面侵蚀主要以溯源侵蚀及侧向侵蚀为主,之后各阶段以下切侵蚀为主。（3）基于坡面阻抗系数及粗糙度,分别计算了不同措施配置坡面的水文、泥沙连通性。不同措施配置下的坡面水文、泥沙连通性均随降雨的进行逐渐增大;6种措施配置坡面降雨后水文连通性增长率分别为全裸地23.8%、全梯田5.4%、全草1.0%、上草下裸32.0%、上裸下草7.6%、上梯下裸6.3%;泥沙连通性增长率分别为:全裸地59.1%、全梯田14.5%、全草10.2%、上草下裸40.4%、上裸下草52.9%、上梯下裸26.4%。其中对于全裸地坡面措施,细沟割裂度的改变可以更好地表征坡面水文、泥沙连通性空间的变化;对于梯田及草地坡面措施,雷诺数可以更好地表征水文、泥沙连通性空间的变化。

关键词：措施配置坡面产流产沙细沟侵蚀水文连通性泥沙连通性

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好水川流域坡面土壤观测的模糊聚类研究

人民黄河 2013年第2期35卷 64-66页

作者：张维江李娟马轶宁夏大学土木与水利工程学院宁夏银川750021 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心宁夏银川750021

为了探究好水川流域坡面产流产沙规律,以该流域11个观测点的土壤含水量、土壤渗透系数和土壤容重数据为基础,通过极差法对数据进行标准化处理,运用模糊聚类分析模型对坡面11个土壤观测点进行聚类分析。结果表明:流域土壤观测点可分为7... 详细信息

为了探究好水川流域坡面产流产沙规律,以该流域11个观测点的土壤含水量、土壤渗透系数和土壤容重数据为基础,通过极差法对数据进行标准化处理,运用模糊聚类分析模型对坡面11个土壤观测点进行聚类分析。结果表明:流域土壤观测点可分为7个种类,聚类分析可直观地再现流域坡面土壤的差异性,有效提高坡面土壤的观测效率。

关键词：土壤侵蚀模糊理论聚类分析坡面产流产沙好水川流域

北京山区不同草被覆盖方式对坡面侵蚀及面源污染的影响

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北京山区不同草被覆盖方式对坡面侵蚀及面源污染的影响

作者：朱慧鑫北京林业大学

学位级别：硕士

坡面侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程,会造成土地退化、泥沙淤积、面源污染等生态环境问题。适宜的草被覆盖条件能够有效降低坡面侵蚀程度,减少水土流失。研究土壤分离情况与坡面流侵蚀各过程之间的关系,阐明草被覆盖条件对坡... 详细信息

坡面侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程,会造成土地退化、泥沙淤积、面源污染等生态环境问题。适宜的草被覆盖条件能够有效降低坡面侵蚀程度,减少水土流失。研究土壤分离情况与坡面流侵蚀各过程之间的关系,阐明草被覆盖条件对坡面侵蚀的影响,对了解坡面流侵蚀过程、治理坡面水土流失及改善当地的生态环境状况具有重要意义。本研究以北京市山区2种常见草本植物狗尾草(Setaria viridis)和青蒿(Artemisiae Annuae Herba)为覆被的不同布设条件下的坡面径流小区为研究对象,采用野外人工模拟降雨试验,探究不同草被覆盖条件下坡面流土体的侵蚀规律,研究其侵蚀水动力学机制及其对面源污染的削减控制作用,并探讨草本植物结构根系及冠层对改善坡面侵蚀的贡献效益,试验结果对指导本地水土保持工作,改良土壤结构具有重要意义。试验研究结果具体如下:(1)草被覆盖的坡位格局在坡面侵蚀过程中的调控作用明显,其中坡下格局的减水减沙效益最好,减流效益超过70%,减沙效益超过90%,这与坡下格局在坡面的下部进行草被覆盖,可以有效拦截上部所产泥沙,减缓径流流速,起到更好的截流减沙效果有关。同时,根系减沙效益均优于冠层,在本实验条件下,狗尾草减少产流产沙的效果整体较青蒿好。坡位格局对径流中TN、TP的控制效果较好,对NH-N和COD的调控作用差异不明显。草被植物控制面源污染物随侵蚀泥沙流失的作用主要来源于根系。狗尾草根系对全氮的控制效果优于青蒿,而对全磷的控制效果与狗尾草的效果无显著差异。(2)草被覆盖度的增加,可有效减小坡面产流率和土壤剥蚀率。当草被覆盖度达到75%时,能够显著减小雷诺数,改变径流流态,减弱径流对土壤表面的扰动。但草被覆盖度对弗劳德数的影响不明显。各坡面土壤剥蚀率随径流剪切力(R>0.91)和水流功率(R>0.86)的变化可用线性方程描述,其显著性水平呈极显著。覆盖度越小的土体细沟可蚀性参数越大,临界径流剪切力和水流功率越大,抗蚀效果越差。

关键词：坡面流草被覆盖坡位坡面产流产沙水动力学面源污染

间歇性降雨条件下高陡边坡系统侵蚀特征试验研究

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间歇性降雨条件下高陡边坡系统侵蚀特征试验研究

作者：刘展西安理工大学

学位级别：硕士

黄土高原高陡边坡系统是黄土高原土壤侵蚀的重要来源区,同时也是黄土高原滑坡、泥石流等自然灾害的重要发生区域。本研究以高陡边坡系统为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验,开展了间歇性降雨条件下从降雨开始到坡面产生裂缝期间不同... 详细信息

黄土高原高陡边坡系统是黄土高原土壤侵蚀的重要来源区,同时也是黄土高原滑坡、泥石流等自然灾害的重要发生区域。本研究以高陡边坡系统为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验,开展了间歇性降雨条件下从降雨开始到坡面产生裂缝期间不同陡坡坡度高陡边坡系统的产流产沙特征、土壤含水率变化特征、侵蚀动力参数变化等研究,取得的主要研究成果如下:(1)阐明了高陡边坡坡系统的产流产沙特征。间歇性降雨条件下高陡边坡系统的坡面初始产流时间随着陡坡坡度、降雨场次的增加而缩短,高陡边坡系统坡面出现裂缝所需的降雨时间随着陡坡坡度的增加而减小。缓坡段与陡坡段坡面平均水深均值随着降雨场次的增加而增加,而陡坡段坡面平均水深均值随坡度的增加整体呈减小趋势。坡面裂缝出现前,高陡边坡系统的坡面产流量呈快速上升-相对稳定的变化趋势,且坡面产流稳定后不同陡坡坡度下的产流速率从大到小排序依次为50°>55°>60°>70°>65°。间歇性降雨条件下高陡边坡系统的坡面产流总量随着陡坡坡度的增加而减小,随着降雨场次的增加而增加。高陡边坡系统的坡面产沙过程、产沙总量随着陡坡坡度、降雨场次的变化规律性不明显。(2)阐明了高陡边坡系统水力学参数的时空变化特征及其与坡面产流产沙的相关关系。间歇性降雨条件下高陡边坡系统陡坡段坡面流速随着降雨场次、坡度的增加整体呈现增加趋势。坡面径流流态为层流,陡坡段径流雷诺数随雨场次的增加而增大,且均随着陡坡坡度的增加而减小。坡面径流流型整体为急流,陡坡段径流弗汝德数随着坡度的增大而增大,随着降雨场次的增加呈现波动变化。陡坡段径流阻力系数随着降雨场次增加呈现波动变化,而随着陡坡坡度增加而减小。间歇性降雨条件下坡面径流流速与坡面产流量之间的相关性不显著,雷诺数、阻力系数分别与坡面产流量之间呈显著的正相关关系,而弗汝德数与坡面产流量之间呈显著的负相关关系。间歇性降雨条件下坡面径流流速、雷诺数、弗汝德数、阻力系数与高陡边坡系统坡面产沙量之前相关性不显著。(3)阐明了高陡边坡系统侵蚀能量参数的变化特征及其与产流产沙的相关关系。间歇性降雨条件下高陡边坡系统的径流剪切力随着降雨场次的增加而增加,径流功率均随着降雨场次、陡坡坡度的增加而增大。坡面径流能耗随着坡度的增加呈整体减小趋势,而随着降雨场次的增加呈现先增大后趋于相对稳定的变化趋势。间歇性降雨条件下不同陡坡坡度高陡边坡系统的时段产流量在p=0.01水平上分别与时段径流剪切力、时段径流功率、时段径流能耗之间呈显著线性相关关系,而时段产沙量分别与时段径流剪切力、时段径流功率、时段径流能耗之间整体无相关性。(4)阐述了高陡边坡系统的土壤含水率变化特征及坡面裂缝出现时的土壤水分临界特征。在第一场降雨过程中,高陡边坡系统缓坡段土壤含水率变化率大于陡坡段,不同坡位处陡坡段上层含水率变化率从大到小排序依次为坡下>坡上>坡中,陡坡下层含水率变化率呈波动变化。坡面平均入渗速率呈现先减小后趋于稳定的变化趋势,入渗速率均值随着降雨场次、陡坡坡度的增加而减小,裂缝出现后平均入渗速率增大。土壤蓄水量随着降雨时间的增加呈增大趋势,且第一场降雨中的土壤蓄水量增加速率大于其他场次。累计土壤蓄水量与累计降雨量之间在p=0.01水平上呈显著线性相关。间歇性降雨条件下不同陡坡坡度高陡边坡系统坡面产生裂缝时的累计入渗量占累计降雨量的比例范围为42.3%～51.1%,坡体蓄水量占累计降雨量的比例范围为18.7%～41.1%。

关键词：高陡边坡系统间歇性降雨坡面产流产沙水力学参数侵蚀动力参数土壤含水率时空变化特征相关分析

三江源区退化高寒草甸坡面径流和侵蚀产沙特征研究

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三江源区退化高寒草甸坡面径流和侵蚀产沙特征研究

作者：李淑媛西北农林科技大学

学位级别：硕士

青藏高原地区高亢的海拔决定其自然条件的特殊性与对气候变化的敏感性,自20世纪90年代以来,受气候变化和人类活动等因素的影响,青藏高原地区90%的高寒草甸已经发生不同程度的退化,水土流失日益严重。因此,本研究以青藏高原地区轻度退化... 详细信息

青藏高原地区高亢的海拔决定其自然条件的特殊性与对气候变化的敏感性,自20世纪90年代以来,受气候变化和人类活动等因素的影响,青藏高原地区90%的高寒草甸已经发生不同程度的退化,水土流失日益严重。因此,本研究以青藏高原地区轻度退化高寒草甸、中度退化高寒草甸和重度退化高寒草甸为研究对象,通过野外调查与样品采集、人工模拟降雨和室内分析实验相结合的方法,分析不同退化程度草甸植被和土壤特性的变化以及在不同降雨强度(30 mm/h、60 mm/h、90 mm/h)下的坡面产流产沙过程,研究坡面上退化高寒草甸的植被和土壤特性及水土流失过程,探索退化高寒草甸的土壤侵蚀机理,从而为青藏高原退化高寒草甸的土壤侵蚀调控提供基础依据。研究取得了以下主要结果:(1)植被退化导致高寒草甸植被盖度和生物量显著降低,加剧了水土流失和土壤养分流失,导致土壤退化,进一步影响高寒草甸生态系统生态功能。随着高寒草甸退化程度的加剧,植被盖度、地上和地下生物量、根土体积比分别降低了69.86%、50.00%、90.48%、85.25%;物种多样性指数呈先增大后减小的变化趋势,在中度退化草甸达到最大值;土壤含水量降低39.39%,土壤容重增加23.06%,土壤总孔隙度减少12.00%,土壤持水能力下降;土壤碳氮磷含量分别减少78.09%、50.91%、20.53%,土壤抗剪切强度下降75.06%,土壤水稳性团聚体结构稳定性降低,土壤抗侵蚀能力急剧下降,表层土壤可蚀性显著增大。(2)随着高寒草甸退化程度的加剧,坡面径流对地表土壤的冲蚀和挟沙能力增大,加剧了坡面土壤侵蚀。当降雨强度为30 mm/h时,中度退化草甸和重度退化草甸相对于轻度退化草甸其产流量分别减少76.70%和6.00%,累积入渗量增加58.61%和15.77%,但中度退化草甸和重度退化草甸的泥沙量分别是轻度退化草甸的1.87倍和9.31倍;当降雨强度为60 mm/h时,中度退化草甸和重度退化草甸相对于轻度退化草甸其产流量分别减少54.96%和32.25%,累积入渗量增加73.97%和48.71%,中度退化草甸和重度退化草甸的泥沙量分别是轻度退化草甸的2.62倍和9.15倍;当降雨强度为90 mm/h时,中度退化草甸和重度退化草甸相对于轻度退化草甸其产流量分别减少39.84%和4.21%,累积入渗量增加67.23%和19.34%,中度退化草甸和重度退化草甸的泥沙量分别是轻度退化草甸的5.13倍和12.38倍。(3)高寒草甸退化程度和降雨强度及其交互作用对坡面径流量、泥沙量和泥沙浓度具有显著影响。高寒草甸土壤理化性质与坡面径流泥沙量密切相关,坡面径流泥沙量与土壤团聚体分形维数和土壤可蚀性呈显著正相关,与土壤有机质和团聚体几何平均直径呈显著负相关。同一降雨强度下不同退化程度草甸的坡面流水力学参数差异性显著,且坡面流平均流速、弗劳德数、阻力系数和曼宁系数等水力学参数和坡面产沙率均呈良好的幂函数关系。退化高寒草甸改变植物群落组成,使得土壤结构恶化,削弱土壤抗侵蚀能力,从而影响坡面的产流产沙过程。轻度退化草甸的坡面产流过程具有高产流低产沙的特点,其在保持地表径流的同时又可以控制水土流失,中度退化草甸具有较高的土壤入渗速率和较低的产沙量,而重度退化草甸的坡面产流产沙量均较高。因而,采取适当的措施加强对高寒草甸的生态保护,防治其严重退化,进而维持草甸生态系统的可持续性发展对于保护三江源区生态环境和区域水土保持具有重大意义。

关键词：高寒草甸退化程度土壤理化性质人工模拟降雨坡面产流产沙

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不同植被配置模式下草地径流产沙特征研究

内蒙古水利 2021年第6期 12-14页

作者：任海军包头市小白河防凌防汛管理所内蒙古包头014000

文章利用野外人工模拟降雨实验装置,分析了对4种不同人工植被配置模式下坡面产流产沙特征及其随时间的变化规律。

关键词：人工模拟降雨坡面产流产沙不同配置