黄土丘陵区不同水土保持措施组合的土壤侵蚀效应模拟研究

摘要

黄土高原是世界上水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一，而坡面侵蚀和水土流失过程是其中极为重要的一环。为了防控土壤侵蚀，恢复坡面植被，在该地区实施了多种整地和坡改梯措施，但其深层次水土保持机理尚不清楚。本研究以此为背景，基于WEPP模型等定量手段和模拟方法，系统研究整地工程措施和植被措施对土壤侵蚀的调控作用，旨在为水土保持措施优化提供理论依据和科技支撑，结果表明： （1）选取柠条坡面小区为研究对象，对WEPP模型进行了敏感性分析，得出径流量对有效水力传导系数比较敏感，土壤侵蚀量对细沟间可蚀性和有效水力传导系数较为敏感。并通过实测径流值进行率定得到有效水力传导系数值为12.2 mm/h，细沟间可蚀性参数值6.995×106kg? s? m-4，其余参数采用模型默认参数值。本研究借助WEPP模型模拟不同坡度的径流产沙规律发现，径流量和产沙量随坡度增加而增加。坡度达到20°时，径流量随坡度增加保持稳定，产沙量增加趋势渐缓。 （2）工程整地措施是控制土壤侵蚀的重要途径，本研究将水平阶整地措施作为研究对象，分析不同台宽的水平阶对径流泥沙的调控效果发现，与坡面小区对比，二阶和三阶水平阶随台宽增加对地表径流调控率分别从 6.5%增加到 61.2%，从 10.1%增加到69.7%；二阶水平阶在中（1.0 mm/min）、大（1.5 mm/min）雨强下，台面宽度大于1.5 m时产沙量小于坡面，泥沙调控率从 1.1%增加到68.8%，三阶水平阶泥沙调控率从 1.4%增加到82.3%。 根据单位台宽减沙量提出水平阶的最优台宽。以坡长为10 m的实际径流小区为例，小雨强（0.5 mm/min）时，二阶和三阶水平阶的台面宽度达到1.5 m和1.0m时即可发挥优良的水土保持效益，其单位台宽减沙量最大，分别为0.13 kg/m3和0.12 kg/m3；遭遇中雨强（1.0 mm/min）时，台宽1.5 m的三阶水平阶效果最佳，其最大单位台宽减沙量为0.17 kg/m3；大雨强（1.5 mm/min）时，台宽2.0m的三阶水平阶效益最好，其最大单位台宽减沙量为0.30 kg/m3。 （3）植被是控制水土流失的关键。本研究探讨了坡面植被的径流产沙规律以及植被盖度、植被分布对土壤侵蚀的影响进行了分析，其主要结论如下：坡面径流产沙规律受雨强有显著影响，降雨初期，径流产沙量均有明显增加，随着时间的推移，径流量和含沙量表现出不同的趋势，0.5mm/min雨强的径流稳定时间早于1.0 mm/min雨强，且1.0 mm/min雨强的径流量远远大于0.5mm/min雨强。含沙量在0.5 mm/min雨强下的稳定时间是从30 min开始，而在1.0 mm/min雨强下的含沙量在10 min到30 min区间，含沙量保持较为稳定，而在30 min以后含沙量又有明显的增加，说明植被在降雨前期可以减缓土壤侵蚀发生。 借助WEPP模型比较柠条与长芒草在不同坡位处的土壤流失，发现有植被覆盖处的坡面土壤流失量变化差异不大，当植被分布在下坡位时坡面土壤流失量最少。不同雨强下，草本长芒草坡面对泥沙的拦截率始终高于灌木柠条坡面，拦截率范围分别为57%—96%和36%—90%。但在中雨强（1.0 mm/min）和大雨强（1.5 mm/min）条件下，当植被盖度小于 20%或大于 80%时，长芒草坡面产沙量高于柠条坡面产沙量；盖度在 40%—60%时，长芒草坡面产沙量小于柠条坡面。植被盖度和坡位对坡面侵蚀产沙的作用呈现出此消彼长的趋势。坡位和植被盖度分别对坡面侵蚀产沙量有极显著的影响（P<0.001）；其交互作用对草本长芒草坡面侵蚀产沙作用有显著影响（P< 0.01），对灌木柠条坡面侵蚀产沙作用无显著影响。植被配比可以有效控制土壤侵蚀。模拟结果显示：长芒草分布在坡面下部相较于分布在坡面上部产沙量较小，且当柠条和长芒草配比为1:2时产沙量最小。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 研究进展

1.3 存在的问题

第二章 研究内容和方法

2.1 研究内容与技术路线

2.2 研究区概概况

2.3 研究方法

第三章 WEPP模型率定及适用性评价

3.1 WEPP模型介绍

3.2 WEPP模型参数率定

3.3 坡度对坡面径流产沙的影响分析

3.4 WEPP模型在水平阶小区适用性评价

3.5 小结

第四章 基于泥沙调控的水平阶结构优化

4.1 水平阶台面宽度对侵蚀的调控作用

4.2 水平阶不同单位台宽的侵蚀调控效益对比

4.3 小结

第五章 植被措施对土壤侵蚀特征分析

5.1 植被对坡面径流产沙的规律研究

5.2 基于WEPP模型模拟植被对土壤侵蚀的响应

5.3 基于WEPP模型模拟优化植被配置

5.4 小结

第六章 结论及展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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