坡面微地貌发育过程及其与侵蚀产沙响应关系研究

摘要

坡面微地貌发育过程不仅与产流产沙过程相互作用，还反映了侵蚀的强度及变化过程。研究地貌发育过程与侵蚀产沙过程之间的响应关系，对于进一步探明水蚀机理、开展水土流失预测有重要意义。本文基于室内模拟降雨试验，利用三维激光扫描仪获取连续降雨过程中坡面变化的地形数据，对两种下垫面(黄土坡面与覆沙坡面)条件下的微地貌发育及其与侵蚀产沙之间的响应关系进行了研究，并通过坡面地形量化，分析了侵蚀过程与地貌过程的演变特征，构建了坡面地形因子与侵蚀产沙因子间的响应关系。
　　本研究主要内容包括：⑴黄土坡面每次产流量均是先急剧上升然后稳定，1、1.5、2mm/min降雨强度下的稳定产流量分别约10、13、23L/min，随着降雨强度的增大，稳定期的径流量波动越大；不同降雨强度条件下的覆沙坡面连续降雨的第一次产流过程中的产流量先增加后减小到一定值稳定，随着降雨强度的增大，这种趋势更加明显，1、1.5、2mm/min降雨强度下稳定时段产流量约6.5、15、21L/min，最大产流量分别为12.32、21.34、37.97L／min，后续几次径流过程基本一致，说明了第一次降雨之后．坡面覆沙不再对后续降雨过程中径流量变化产生影响。⑵黄土坡面产沙过程中产沙量都会很快上升到一个明显峰值，1mm/min降雨强度下各次序降雨产沙量都只有一个明显峰值，1.5和2mm/min降雨强度第一次降雨产沙量有多个峰值，即产沙量值不断起伏波动；随着连续降雨次数的增加，产沙最峰值减少，两个降雨强度下最后一次降雨产沙量部仅只有一个峰值。覆沙坡面的产沙过程相对简单，各降雨强度下的产沙主要反映在第一次降雨产沙过程，1mm/min和1.5mm/min降雨强度下第一次产沙量多次起伏后保持稳定，2mm/min时产沙量急剧上升下降，最后趋于稳定；后三次降雨的产沙量波动较小，特别是到第三、第叫次时，产沙量值很快趋于稳定。随着降雨强度的增加，黄土坡而上径流对泥沙的中值粒径分选作用越明显，坡面覆沙后，产沙中值粒径分选不再明显。⑶随着降雨强度的增大，坡面侵蚀耗能增大，第一次侵蚀能耗大于后续三次；平均每干克产沙消耗降雨能量大于消耗径流能量，随着降雨强度的增大，消耗降雨能量与消耗径流能量的比值减小；1.5和2mm/min降雨强度下覆沙坡面的径流能量侵蚀贡献大于黄土坡面，覆沙条件下径流的侵蚀效率增加。⑷相同降雨强度下覆沙坡面的微地形变化剧烈程度远大于黄土坡面，黄土坡面上的微地形变化下部剧烈，上部次之，中部变化不明显，且上下没有连通，而覆沙坡面都连通。黄土坡面和覆沙坡面都呈现出降雨强度小时坡度等级的面积百分数不断起伏变化，降雨强度大时坡度等级的面积百分数变化趋势简单。随着降雨次数的增加，坡面地形因子值总体增大，但有一定起伏，且越到后续的场次降雨对地形因子值改变越小；除1.5mm/min降雨强度黄土坡面外，其余坡面上部和下部分别至少出现一个坡度峰值。⑸所有地形因子与次降雨产沙中值粒径不相关，除坡向变率外，其余地形因子与产流量、侵蚀量都显著相关。地形因子间重复信息量较小，地形因子对地貌的完整表达近似等同于单一因子对地貌表达之和。地形因子对产流量、产沙量、能耗的响应关系式中，整体上对应确定系数R2的值产沙量>能耗>径流量，即地形因子响应侵蚀因子的密切程度依次是产沙量、能耗、径流量。

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1.绪论

1.1研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.3存在问题

1.4研究目的

1.5研究内容与技术路线

2材料与方法

2.1试验材料

2.2试验设计

2.3数据收集及处理

2.4坡面DEM构建

3降雨过程中的产流产沙规律

3.1产流产沙过程

3.2坡面侵蚀过程中的能量消耗

3.3产沙粒径特征

3.4小结

4坡面微地貌因子提取与识别

4.1坡面地形因子的概念及算法

4.2地形因子筛选

4.3坡面坡谱特征

4.4小结

5地貌形态发育与侵蚀产沙的响应关系

5.1微地貌发育特征及时空变化过程

5.2地形因子与侵蚀产沙因子响应关系

5.3小结

6结论与展望

6.1主要结论

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录