黄土区地貌与植被格局的侵蚀动力过程试验研究

摘要

深化植被空间配置方式对坡沟系统侵蚀输沙调轮机制研究，是了解流域侵蚀产沙、调控泥沙来源的基础性关键问题。坡沟系统作为流域的基本组成部分，其侵蚀输沙过程的产生发展是土壤侵蚀动力机理研究的核心问题，同时也是流域水土流失防治的关键。随着土壤侵蚀研究不断发展，揭示坡沟系统水蚀过杠的发生发展机理，阐明怕被措施对坡沟系统水蚀过程的调控机理， 提出合理的调控方法，成为目前土壤侵蚀研究关注的焦点问题。 本研究以地貌形态简单的单元坡沟系统为研究对象，利用室内冲刷试验和间歇性降雨试验，结合三维激光扫描和微地貌分析技术.研究了不同植被配置下坡沟系统水蚀动力的变化过程。从水文、泥沙、微地貌等角度分析了坡沟系统中植被将同的水沙调控作用，阐明了不同植被格局下泥沙来源的变化，揭示了坡沟系统植被格同的侵蚀动力学作用机制，提出了低覆盖度下调控坡沟系统佼蚀的植被优化配置格局。本研究得出以下主要结论: (1)阐明了不同植被空间配置方式下坡沟系统侵蚀输沙特征与水动力参数的动态变化过程。裸坡条件下的径流流速呈现出极强的空间波动状态。径流阻力、径流剪切力和径流功率均随水力断面与坡顶距离的逐渐增加表现出先减小后增大的空间变化态势，导致坡沟系统侵蚀最为严重的部位出现在域面上部和沟道上部。沟道范围内的径流平均流速总体上大于坡面，而径流功率则恰恰相反。种植于坡面下部80%位置的草带对各水动力参数的影响最大，径流平均速度降幅22%，径流阻力增加5倍，径流剪切力和径流功率分别降低90%和92%.蓄水效益在减沙效益分别为12%和69%，能够较好的发挥直接拦沙的水土保持功效，侵蚀处于试验范围内最低水平。 (2)揭示了径流冲刷条件下坡沟系统植被空间配置对侵蚀输沙及水动力过程的作用机理。不同植被空间配置下的径流量和产沙量均表现出随着草带距坡顶位置的逐渐增加而呈现出先增加后减少的趋势；这与各水动力参数的变化特征基本一致，因此比植被通过调控水蚀动力过程实现了对径流和侵蚀产沙的调控作用，在此调控过程中，植被的空间配置方式改变了各个水动力参数的时空变化特征.从而对水动力过程起到了很大程度的调控作用。合理的植被空间配置位置通过增加下垫面地表轮流阻力和降低径流速度来有效减弱径流侵蚀，从而大大降低径流剪切力并削弱径流冲刷表层士壤的分离能力。因此，草带的使用能有效地削弱径流功率和减少径流沿坡面流动的潜在能量，极大程度地减少了土壤侵蚀，从而更好地调控水动力过程。 （3）定量阐明了降雨条件下不同植被格局坡沟系统径流侵蚀产沙和水动力参数的演变特征。一些植被空间配置方式能够在p＜0.05水平上显著影响坡沟系统的径流量和产沙量。植被布设于坡面下部要比布设于坡面上部具有更好的水沙调控作用，但将植被种植于坡面最底部并不会显著提升植被的蓄水减沙效益。在试验范围内，坡沟系统最合适的植被布设位置为坡面长度60%的位置，有效地抑制了坡沟系统中径流加速空间和泥沙侵蚀空间，削弱了径流侵蚀能量；同时能够有效调控径流含沙量，进一步减少径流剥蚀率，使得径流流速降低46%，径流量和产沙量分别减少7.35%和62.93%，直接拦沙功效优于蓄水减沙功效，水土保持功效达到最优。 （4）阐明了不同植被空间配置方式下坡沟系统侵蚀产沙来源的变化规律。裸坡坡面与沟道侵蚀产沙比例为3:5，沟道范围内的侵蚀产沙依然是整个坡沟系统的主要侵蚀产沙来源，径流对沟道的侵蚀作用强于坡面。不同植被空间配置方式下坡面与沟道的侵蚀产沙比例发生了一定程度的改变，基本都以沟道侵蚀产沙为主，体现了黄土高原地区“坡面产水、沟道产沙”的说法；坡面与沟道的侵蚀产沙比例的变化反映出植被空间配置方式的调控范围与作用强度的变化。裸坡沟道中部至下部是坡沟系统侵蚀产沙的主要来源部位，此区域侵蚀最为严重。当植被布设于坡面下部和中下部时，格局B条件下的整个沟道和格局C条件下的沟道中部、中下部是坡沟系统侵蚀产沙的主要来源部位，侵蚀发育程度有所缓解。随着草带布设位置逐渐向坡面中部、坡面中上部移动时，提供了更多的径流加速空间与泥沙侵蚀空间，空间范围已经超过临界值，侵蚀产沙的主要来源部位也随之逐渐向上移动，从沟道下部一直延伸至坡面中部，侵蚀范围逐渐扩大，导致侵蚀加剧，侵蚀产沙量达到试验范围内峰值。 （5）揭示了植被空间配置对坡沟系统侵蚀过程与侵蚀方式的调控机制。在侵蚀动力影响因素中，径流流速和径流含沙量即径流剪切力和径流挟沙力共同作用于坡沟系统土壤侵蚀产沙过程，径流流速占主导作用。植被空间配置通过对径流流速和径流含沙量的调控作用，控制着坡沟系统的细沟形成、发展和强度，尤其是对沟道范围内细沟侵蚀的调控作用更为强烈；这种调控作用不但改变了细沟侵蚀的发生位置和发育程度，更重要的是改变了主要侵蚀方式，由细沟侵蚀向面蚀（片蚀）转变，从而实现了植被对坡沟系统侵蚀输沙过程的调控。 （6）辨析了不同植被空间配置方式的水土保持功效，水沙调控效率、方式、调控范围以及动力调控途径。从水沙关系的角度考虑，不同植被格局的草带布设更具有直接拦沙的水土保持功效。从水蚀动力的角度考虑，草带对其坡面上方来水来沙和下方径流产沙的水蚀动力过程和侵蚀产沙过程分别发挥出缓流拦沙和滞流消能的水土保持功效，且这两种水土保持功效调控侵蚀的作用范围和作用强度与草带布设位置密切相关。草带位于坡面中下部，兼具较好的缓流拦沙和滞流消能的双重水土保持功效。依靠缓流拦沙的水土保持功效有效调控草带以上坡面范围内的侵蚀输沙过程，可以有效减缓坡面范围内的侵蚀强度。同时，依靠滞流消能的水土保持功效能够有效地抑制和减缓沟道范围内径流流速和“洪峰流量”的增长和发展，大幅度减缓坡面下部和沟道范围内的侵蚀程度，使得坡面下部和沟道的侵蚀产沙量大幅度减少。 （7）提出并确定了低覆盖度下调控坡沟系统侵蚀的植被优化配置格局，揭示植被空间配置方式对坡沟系统径流侵蚀产沙的调控作用机理。植被在坡沟系统中的相对位置指标与侵蚀产沙量之间满足二次幂函数关系。草带上边缘距坡顶的距离与下边缘距沟道底部的距离之比在0.571-1.200之间，为植被调控侵蚀最优布设区域，即为最佳植被配置空间方式。在此区域内布设植被，能够有效地发挥缓流拦沙和滞流消能的双重水土保持功效，调控范围可以达到坡面和沟道各个坡段，达到良好的减蚀效果。而远离该区域布设植被并不能充分发挥植被调控侵蚀的作用，且调控范围有限，甚至会加剧侵蚀。

目录

第一个书签之前