坡面水蚀过程中地表糙度的作用及变化特征研究

地表糙度是影响土壤侵蚀强度的主要因子之一,也是当前土壤侵蚀过程研究的主要内容。本研究采用室内外人工模拟降雨试验与地统计学、分形、分维理论等相结合的方法,展开黄土区坡耕地不同耕作管理措施条件下,水蚀过程中地表糙度的分布特征与演化规律,以及其与汇流、径流量和侵蚀产沙量的互动变化关系的研究,并在综合分析基础上,建立了相应的描述模型。其成果有助于系统地阐明地表土壤糙度的演化特征及与土壤侵蚀的关系,为进一步认识水蚀过程机理与预测预报提供科学与技术支撑,并指导坡耕地管理。主要结论如下: 1、分析了土壤性质、降雨因子对地表糙度变化的影响及不同地表糙度条件下土壤侵蚀的坡度效应,得出:(1)在一定降雨条件下,随土壤物理性粘粒增加,地表糙度变化呈增大的趋势;随土壤容重与含水量的增加,地表糙度变化总体上呈减小的趋势,且直线形(对照)坡面的变化量均高于其它人为管理措施。(2)在降雨作用下,地表糙度总体上呈减小的变化趋势。在小雨强作用下,变化平缓,当雨强超过0.99 mm/min后,变化较为明显,地表糙度变化随降雨组合因子(PI)增加呈递减的变化。(3)在雨强0.50-1.00 mm/min和2.00 mm/min条件下,中等粗糙的地表的最大径流量出现在20°坡面上,粗糙地表却出现在25°坡面上。中等粗糙与粗糙地表,在雨强1.50 mm/min条件下,最大径流量均出现在25°坡面上;当雨强达2.50 mm/min,却均出现在15°坡面上。在雨强0.50-2.00 mm/min条件下,中等粗糙与粗糙地表的最大侵蚀量均出现在20°坡面上;当雨强达2.50 mm/min,侵蚀量的最大值却均出现在15°坡面上。 2、阐明了地表糙度在溅蚀过程中的作用及演化规律,得出:(1)在雨强1.53 mm/min条件下,随地表糙度的增加,向下坡溅蚀量均高于向上坡溅蚀量,其向上坡、向下坡及总溅蚀量均呈先增加,后减小的变化趋势。在雨强0.62 mm/min条件下,随着地表糙度的增加,向上坡溅蚀量呈先增加,再减小的变化,但向下坡溅蚀量、总溅蚀量都呈先增加,再减小,最后增加的变化。且在上述降雨条件下,人为管理措施坡面的向上坡、向下坡和总溅蚀量均高于直线形(对照)坡面。(2)在雨强0.62 mm/min条件下,耙耱地坡面的地表糙度演变特征与直线形(对照)坡面相一致,随降雨动能的增加,地表糙度增大,而其它人为管理措施坡面的地表糙度却减小;随溅蚀量的增加,地表糙度的变化,呈先减小,后增加的变化趋势。在雨强1.53 mm/min条件下,人为管理措施坡面的地表糙度演变特征与直线形(对照)坡面则相反,均呈增加的变化趋势,且随溅蚀量的增加,地表糙度的变化也呈增加的变化。(3)耙耱地坡面的地表糙度及溅蚀量的变化与直线形(对照)坡面变化一致,随组合降雨强度的增加,呈增加的变化趋势;其它措施坡面,地表糙度呈先减小后增加的变化趋势,坡面总的溅蚀量却呈先增加后减小的变化趋势。 3、阐明了地表糙度在片蚀和细沟侵蚀过程中的作用及演化规律,得出:(1)在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与侵蚀量呈先减小,最后趋于稳定的变化趋势;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与产沙量却呈一直减小的变化趋势,其总量均高于雨强0.67 mm/min的条件。在不同雨强条件下,人为管理措施坡面的径流与产沙量均低于直线形(对照)坡面。(2)片蚀阶段,耙耱地坡面地表糙度的变化特征与直线形(对照)坡面相反,在小雨强条件下减小,大雨强条件下却增加。人工锄耕坡面,在不同雨强条件下,地表糙度增加;而人工掏挖和等高耕作坡面,其地表糙度却减小。(3)在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量呈先减小、再增加、最后减小的变化趋势,产沙量总体上呈一直减小的变化趋势,且产沙量均低于直线形(对照)坡面;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量呈一直减小的变化,产沙量却呈先减小、再增大、最后减小的变化趋势,且径流与产沙量也均低于直线形(对照)坡面。(4)细沟侵蚀阶段,在不同降雨条件下,耙耱地与人工锄耕坡面地表糙度都在增加,而人工掏挖和等高耕作坡面,地表糙度都减小;直线形(对照)坡面,地表糙度的变化与其在片蚀过程相反。(5)连续降雨过程中,在前二次降雨条件下,坡面的径流量与产沙量随地表糙度的增加而逐渐减小,且均低于直线形(对照)坡面。在第三次降雨条件下,径流与侵蚀产沙量变化较为复杂,且不同人为管理措施坡面均高于直线形(对照)坡面。(6)连续降雨过程中,耙耱地坡面,地表糙度的变化规律与直线形(对照)坡面较为一致,随雨强的增加,地表糙度呈增加的变化趋势;而其它措施坡面,随雨强的增加,地表糙度则呈先减小后增加的变化趋势。 4、揭示了地表糙度的分布特征,并建立地表糙度的理论描述模型,得出:(1)对比分析了地表糙度不同的测定方法,结果表明:激光扫描法最好,其次分别为接触式测针法、链条法,杆尺法最差。(2)直线形(对照)坡面与耙耱地坡面,在不同测定方向上,地表微地形起伏具有自仿射性特征;而人工锄耕与人工掏挖坡面,却具有自相似性特征;等高耕作坡面,在平行坡面方向,具有自相似特征,在垂直坡面方向,却具有自仿射性特征。(3)自相似地表糙度可通过分维布朗函数模拟,自仿射地表糙度可通过结构函数的对数变换模拟,经实验检验,模型较为合理,并提出了描述地表糙度的最佳组合参数。 5、阐明了地表糙度演变与坡面径流、侵蚀产沙的互动变化关系,得出:(1)自相似性分形地表,在片蚀阶段,径流量随着地表糙度变化的增大而增加,而在细沟侵蚀阶段,却随地表糙度变化的增大而减小。自仿射性分形地表,正好与自相似性分形地表相反。(2)自相似性分形地表,在片蚀阶段,侵蚀产沙量随地表糙度变化的增大而减小,而在细沟侵蚀阶段,却随地表糙度变化的增大而增加。自仿射性分形地表,与自相似性分形地表变化规律一致。