坡面-细沟耦合水蚀过程的试验与模型研究

摘要

土壤侵蚀模型预报是土壤侵蚀科学研究的重点领域。坡面侵蚀以细沟侵蚀最为活跃，细沟的形成和发展过程的时空动态演变规律是坡面土壤侵蚀预报的关键。采用模拟试验揭示这种规律、建立合理的模型模拟侵蚀过程具有重要意义。 本文针对目前已有模型存在的一些问题，进行了理论分析并提出了新的方法。同时采用人工模拟降雨试验，进行了从单体限定性细沟到细沟群体分布的坡面尺度的系列研究，并区分了片蚀/沟蚀、集中水流/雨滴扰动下的土壤侵蚀和动态过程。对现有输沙模型在黄土高原的适用性进行了评价、改进和参数确定，在统计软件SAS的辅助下建立适用模型，得到如下主要结果：(1)通过理论分析，定量刻画了WEPP模型估计土壤可蚀性参数方法的原理性缺陷，论证了用长细沟的产沙率的平均均值来估计水流剥蚀能力并以此来计算土壤的可蚀性参数，将产生50％～90％的误差。推荐采用限定性细沟、稳定水流、无限短沟长条件下得到的土壤剥蚀率作为剥蚀能力，来估计土壤可蚀性参数。 (2)采用黄绵土样进行了单体限定性细沟(8.0m×0.1m)系列降雨与集中水流对土壤侵蚀的交互作用与集中水流侵蚀过程的试验研究及对比。试验由3个坡度(8.75％，26.8％，46.6％)、3个雨强(50mmh-1、100mmh-1、150mmh-1)和3个流量(0.12m3h-1，0.24m3h-1，0.36m3h-1)组成。降雨叠加集中水流阶段总侵蚀量比集中水流阶段高出10％～50％，80％以上工况在20％左右。在仅有集中水流作用时，坡度较流量对侵蚀强度影响大。降雨与集中水流共同作用下，坡度对土壤侵蚀强度的影响依然最为显著，流量和雨强因二者之间不同组合强弱而影响不同，对土壤侵蚀强度的影响有交错现象。 (3)结合已有的河流泥沙输送模型，阐述了其与坡面细沟侵蚀泥沙输送的异同点。遵从分析坡面泥沙输送能力应该考虑水流和土壤双向因素的概念，结合(2)试验结果并在统计软件SAS的辅助下，本文利用多统计变量分析和评价了几个输沙能力模型在黄土高原黄绵土质区的适用性，并进一步针对黄土高原侵蚀的特性，建立了新的预测输沙能力的模型。 (4)采用黄绵土样进行了坡面(有细沟群体分布)(3m×8m)系列人工降雨试验。试验由5个坡度(8.75％，17.6％，26.8％，36.4％，46.6％)和3个雨强(50mmh-1、100mmh-1、150mmh-1)组成。分析了坡面侵蚀过程和机理，采用表面和亚表层分段布施稀土元素(REE，RareEarthElement)和ICP-MS分析法，测定了在整个降雨过程中片蚀量占总侵蚀量的比例为20％～30％；通过REE示踪和ICP-MS分析法计算值与实测值进行比较，结果表明其精度可以满足土壤侵蚀研究要求。 (5)坡面降雨侵蚀过程中不同的水动力条件下，细沟发育的临界坡长随坡度的增加而向上发展，坡度对其影响比流量的影响显著。径流达到临界坡长时，具备了临界剪切力、临界溪流功率和剥蚀紧密粘结颗粒的临界能量，同时对应有临界流量和临界速度。坡面降雨侵蚀过程中细沟侵蚀相当活跃，结合(2)的结果，影响水蚀过程的各因子中，坡度的影响占首位。 (6)对坡面范围内(坡长为8米)产沙和输沙过程进行了分析研究，根据小区试验细沟分布特点，不同的水动力条件，有不同的临界坡长，细沟群分布的长度不同，细沟流和片流交替变换。如果有足够的坡长，细沟群分布从上到下呈周期性出现，薄层水和细沟群有交替周期性相互转化规律。不同的总坡长，泥沙最终出坡面的方式可能不同，或以集中水流输送，或以片流输送，出现侵蚀能量和输送能量之间交替分配和转化以及总体依然维持动态平衡状态。 (7)针对黄土高原黄绵土质的特性，描述和分析了坡面细沟侵蚀和片流侵蚀的时空分布。试验坡面土壤侵蚀并不是WEPP等模型描述的细沟形态和分布状况，而呈分段性不规则沟网分布，是降雨过程中水土二相流自适应、互反馈动态演变发展的结果。 (8)为了区分片蚀和沟蚀的比例以及来自不同部位的数量，在坡面1cm厚度范围中不同的位置布设了3种稀土元素，在亚表层10cm厚度范围中不同的位置布设了6种稀土元素。 本研究的结果，此结果为进一步深入研究坡面侵蚀机理和建立适合中国黄土区的土壤侵蚀预报模型提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

第二章WEPP模型中细沟可蚀性参数估计误差的理论分析

第三章降雨和水流及其相互作用对坡面细沟产沙过程影响

第四章输沙能力模型比较和分析

第五章坡面片蚀和沟蚀动态及其鉴别

第六章坡面侵蚀产沙输沙过程研究

第七章结论和建议

参考文献

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