黄土坡面片蚀—细沟侵蚀—切沟侵蚀演变与侵蚀产沙过程研究

坡面片蚀-细沟侵蚀-发育活跃期切沟侵蚀的演变过程研究不但对揭示土壤侵蚀过程机理、深化土壤侵蚀规律研究有重要理论意义,而且对科学地指导水土保持措施配置有重要的实践意义。本论文采用人工模拟降雨及侵蚀形态测量的研究方法,通过建立由供沙土槽和试验土槽组成的双土槽径流小区系统以及由供水装置和试验土槽组成的模拟试验系统,研究了坡面侵蚀片蚀—细沟侵蚀—切沟侵蚀演变过程及其机理,取得一定的研究进展,特别是在细沟侵蚀—切沟侵蚀演变过程、侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙的贡献分析、降雨强度和汇水汇沙及地形因素对侵蚀方式演变过程的影响、坡面侵蚀产沙过程动力学机理分析等方面取得了新的研究进展,加深了对侵蚀过程的认识,并为侵蚀预报物理模型的建立提供了重要理论基础。主要研究结论如下: 1.初步阐明了黄土裸露坡面片蚀—细沟—切沟侵蚀演变过程及对侵蚀产沙的贡献。坡面侵蚀方式演变过程经历了片蚀向细沟侵蚀演变阶段、细沟侵蚀发育过程阶段、细沟侵蚀向切沟侵蚀演变阶段,以及切沟侵蚀发育阶段。侵蚀方式演变对坡面侵蚀产沙过程产生重要影响,坡面侵蚀产沙变化过程与侵蚀方式演变发育过程相对应。在坡面侵蚀方式演变的不同阶段,沟蚀对坡面侵蚀产沙贡献不尽相同。如降雨强度50 mm/h和坡度为15°时,在细沟侵蚀发育阶段早期,细沟侵蚀量占总侵蚀量的58.7%;在坡面细沟发育中期和切沟发育初期,沟蚀量占总侵蚀量的70%以上;在切沟侵蚀发育后期,切沟侵蚀量占总侵蚀量的53.7%。 2.研究了降雨强度和坡面汇水流量对坡面侵蚀方式演变过程的影响。坡面片蚀-细沟-切沟侵蚀的发生发展和演变进程都随降雨强度的增大明显加快,且片蚀向细沟侵蚀演变和细沟侵蚀向切沟侵蚀演变的时间明显缩短。上方汇水强度对坡面侵蚀方式演变过程和侵蚀产沙量也产生重要影响。当坡面接受上方汇水后,侵蚀方式演变速度明显加快,侵蚀产沙量明显增加。在相同坡度和降雨强度下,坡面侵蚀产沙量和上方汇水引起坡下方的净侵蚀产沙量皆随上方汇水强度增加而显著增加。上方汇水引起的坡面净侵蚀产沙量占总侵蚀产沙量的12.8%～89.5%,且受降雨强度、坡度和坡面侵蚀发育过程的影响。上方汇水流量(Q)对侵蚀产沙量(S )的影响可用幂函数进行表述,即S = aQ b。 3.分析了坡度、汇水坡长和汇水面积对坡面侵蚀方式演变的影响。坡度对坡面侵蚀产沙过程具有显著影响。坡度的增加可明显加快坡面侵蚀方式演变的速度与进程。汇水坡长和上方汇水面积对坡面侵蚀方式演变及侵蚀产沙过程也有重要影响。不同降雨强度和坡度条件下,坡面侵蚀产沙量(S)与汇水坡长(L)和坡面上方汇水面积(A)均呈正线性关系,即S = kL + b(k>0)和S = kA + b(k>0)。 4.探究了不同含沙水流条件下坡面侵蚀方式演变及侵蚀产沙过程。坡面侵蚀产沙强度变化的实质是侵蚀方式的演变。在有坡上方汇流汇沙时,坡面侵蚀产沙过程为非平衡输沙过程,即坡面上方含沙水流挟带的泥沙不但全部被搬运,且上方汇水汇沙在坡面下方能引起另外的侵蚀产沙量,坡面侵蚀过程以剥蚀-搬运过程为主导。在试验条件下,上方含沙水流引起试验土槽的净侵蚀产沙量占坡面侵蚀总产沙量的29.1%～61.0%,且因上方汇水含沙量、坡度、降雨强度和侵蚀方式演变等的变化而变化。 5.揭示了坡面侵蚀产沙过程的动力学机理。在试验条件下,上方含沙水流的汇入使侵蚀沟内水流流速、水力半径、雷诺数和弗罗得数明显增大,水流阻力系数相对减小,从而使坡面侵蚀产沙量迅速增大和侵蚀方式发生演变过程加快。上方含沙水流的汇入也使侵蚀沟内水流剪切力、水流功率、单位水流功率、过水断面单位能量明显增加,且皆随侵蚀方式的演变而明显增大。坡面径流输沙率与径流剪切力J、水流功率ω和断面单位能量E呈明显的正线性相关关系。试验条件下的临界平均径流剪切力为0.712 Pa,临界平均水流功率为0.875 N/m·s,临界平均断面单位能量为0.3294 cm。 6.利用测针法量测了降雨试验后坡面侵蚀形态,制作了数字高程模型(DEM),并分析了坡面侵蚀过程对地面形态变化的影响,较直观地反映了坡面地表侵蚀形态的动态变化过程和坡面土壤侵蚀的空间变化及侵蚀特征。