黄土地区细沟水流分离输沙过程研究

摘要

我国黄土地区是全球土壤侵蚀最严重的区域，并导致黄河成为时刻对下游两岸具有危险的世界著名“悬河”。黄土地区严重的土壤侵蚀给当地可持续发展及黄河下游地区的安危造成严重影响和威胁。细沟侵蚀是黄土地区极其重要的侵蚀方式和严重侵蚀产沙的重要根源之一。细沟水流分离过程与输沙过程是细沟侵蚀关键过程，其强烈程度直接影响着细沟侵蚀速率的大小。开展黄土地区细沟水流分离输沙过程研究可以深入揭示该区细沟侵蚀过程机理，深化对细沟侵蚀过程的认识，有效实现细沟侵蚀过程模型的科学建立，并为黄土地区水土流失治理与生态建设提供重要科学依据。 论文采用细沟水槽试验、细沟水槽与漏斗供土组合试验、土壤理化性质测试的方法，以黄土地区5种不同土壤（杨凌粘黄土、长武黄绵土、安塞黄绵土、定边沙黄土、神木沙黄土）为试验材料，在 5 个坡度（15.84%、21.26%、26.79%、32.49%、38.39%）、5个单宽流量（0.00156 m2s-1、0.00200 m2s-1、0.00244 m2s-1、0.00289 m2s-1、0.00333 m2s-1）、5个输沙率（10%Tc、25%Tc、50%Tc、75%Tc、90%Tc）下，开展了黄土地区细沟水流分离输沙过程研究。分析研究了黄土地区细沟水流分离能力、黄土地区细沟水流输沙能力、黄土地区细沟可蚀性参数及细沟分离临界动力、黄土地区细沟水流输沙对分离的影响及贡献、黄土地区细沟水流分离过程方程。主要研究结论如下： 1. 揭示了黄土地区细沟水流分离能力:（1）杨凌粘黄土、长武黄绵土、安塞黄绵土、定边沙黄土、神木沙黄土细沟水流分离能力因子方程分别为不同的细沟水流分离能力与坡度和流量关系的二元幂函数方程（R2: 0.9685～0.9886, P<0.01），坡度的幂指数介于0.9509～1.1322间，流量的幂指数介于1.1585～1.3247间。5种不同土壤细沟水流分离能力动力学方程分别为不同的细沟水流分离能力与水流功率关系的线性方程（R2:0.9508～0.9770,P<0.01）。（2）神木沙黄土细沟水流分离能力最大（2.2145 kg m-2s-1），其后依次为杨凌粘黄土（1.9320 kg m-2s-1）、定边沙黄土（1.6093 kg m-2s-1）、安塞黄绵土（1.1189 kg m-2s-1）、长武黄绵土（0.9435 kg m-2s-1）。长武黄绵土、安塞黄绵土的细沟水流分离能力之间没有显著差异，但它们二者分别与杨凌粘黄土、定边沙黄土、神木沙黄土有显著差异。杨凌粘黄土的细沟水流分离能力分别与定边沙黄土、神木沙黄土没有显著差异性。（3）黄土地区不同土壤细沟水流分离能力与土壤粘结力、粉粒级有效颗粒含量呈显著负相关关系（P<0.01 与 P＜0.05），与土壤有效中值粒径、砂粒级有效颗粒含量呈显著正相关关系（P＜0.05）。（4）基于对黄土地区 5 种不同土壤下的试验数据统一联合分析取得：黄土地区细沟水流分离能力方程为细沟水流分离能力随坡 度、流量、土壤粘结力、土壤有效中值粒径变化的四元幂函数方程（R2=0.9748;NSE=0.9595;P<0.01），以及细沟水流分离能力随水流功率、土壤粘结力、土壤有效中值粒径变化的三元幂函数方程（R2=0.9712;NSE=0.9560;P<0.01）。 2. 阐明了黄土地区细沟水流输沙能力:（1）杨凌粘黄土、长武黄绵土、安塞黄绵土、定边沙黄土、神木沙黄土细沟水流输沙能力因子方程分别为不同的细沟水流分离能力与坡度和流量关系的二元幂函数方程（R2: 0.9486～0.9884,P<0.01），坡度的幂指数介于0.3704～0.9209间，流量的幂指数介于0.9101～1.3469间。5种不同土壤细沟水流输沙能力动力学方程分别为不同的细沟水流输沙能力与水流功率关系的幂函数方程（R2:0.8071～0.9484,P<0.01）。（2）神木沙黄土输沙能力最大（2.5733 kg m-1s-1），其后依次为定边沙黄土（2.4066 kg m-1s-1）、安塞黄绵土（1.8332 kg m-1s-1）、长武黄绵土（1.8665 kg m-1s-1）、杨凌粘黄土（1.6039 kg m-1s-1）。杨凌粘黄土、长武黄绵土、安塞黄绵土细沟水流输沙能力之间没有显著差异性，定边沙黄土、神木沙黄土之间没有显著的差异性，而前三者与后两者之间具有显著的差异性。（3）黄土地区不同土壤细沟水流输沙能力与土壤粉粒含量呈显著负相关关系（P＜0.05），与土壤中值粒径、砂粒含量呈显著正相关关系（P＜0.05）。（4）基于对黄土地区 5 种不同土壤下的试验数据统一联合分析取得：黄土地区细沟水流输沙能力方程为细沟水流输沙能力随坡度、流量、土壤中值粒径变化的三元幂函数方程（R2=0.8544, NSE=0.8922, P<0.01），以及细沟水流输沙能力随水流功率、土壤中值粒径变化的二元幂函数方程（R2=0.6882, NSE=0.7217, P<0.01）。 3. 研究了黄土地区细沟可蚀性参数及细沟分离临界动力:（1）神木沙黄土的细沟可蚀性参数最大（0.4005 s2 m-2），其后依次为杨凌粘黄土（0.3508 s2 m-2）、定边沙黄土（0.3014 s2 m-2）、安塞黄绵土（0.2281 s2 m-2）、长武黄绵土（0.1963 s2 m-2）。除了杨凌粘黄土，其余土壤的细沟可蚀性参数按照土壤粒径由细到粗、地理位置由南到北逐渐增大。（2）黄土地区不同土壤细沟可蚀性参数与土壤粘结力和粉粒级有效颗粒含量呈显著负相关关系（P<0.01 与 P＜0.05），与土壤有效中值粒径和砂粒级有效颗粒含量呈显著正相关关系（P＜0.05）。（3）长武黄绵土的细沟分离临界水流功率最大（1.0352 W m-2），其后依次为安塞黄绵土（0.9522 W m-2）、定边沙黄土（0.5255 W m-2）、杨凌粘黄土（0.3549 W m-2）、神木沙黄土（0.3326 W m-2）。除了杨凌粘黄土，其余土壤的细沟分离临界水流功率按照土壤粒径由细到粗、地理位置由南到北而逐渐减小。（4）黄土地区不同土壤细沟分离临界水流功率与土壤粘结力、粉粒级有效颗粒含量呈显著正相关关系（P<0.01与P＜0.05），与土壤有效中值粒径、砂粒级有效颗粒含量显著负相关关系（P＜0.05）。 4. 界定了黄土地区细沟水流输沙对分离的影响及贡献:（1）不同土壤、不同流量、不同坡度下，细沟水流分离率均随水流输沙率的增大而减小。细沟水流分离率与输沙率之间的关系皆可以用负线性相关方程描述（R 2:0.8797～0.9971, P＜0.05或0.01）。10%Tc、25%Tc、50%Tc、75%Tc、90%Tc（Tc：输沙能力）5 个输沙率等级分别使细沟水流分离率减少了 17.51%、32.56%、51.27%、66.15%、81.64%。（2）在位于研究区中部的典型黄土区安塞黄绵土条件下，黄土坡面细沟水流分离率对输沙率与水流功率的综合响应关系为二元线性相关关系，分离率与输沙率呈负相关，与水流功率正相关。黄土坡面细沟水流输沙率对细沟水流分离率影响的贡献率为 37.07%，水流功率对细沟水流分离率影响的贡献率为58.24%。水流功率的贡献是输沙率贡献的1.6倍。（3）统一联合分析黄土地区5种不同土壤在不同坡度、不同流量、不同输沙率下的试验观测结果表明，黄土地区细沟水流分离率对输沙率与水流功率的综合响应关系可用二元线性方程很好地描述。黄土地区细沟水流输沙率对细沟水流分离率影响的贡献率为 31.26%，水流功率对细沟水流分离率影响的贡献率为55.44%，水流功率的贡献是输沙率贡献的1.8倍。 5. 建立了黄土地区细沟水流分离过程方程及黄土坡面细沟水流分离过程方程:（1）在位于研究区中部的典型黄土区安塞黄绵土1种土壤条件下研究建立了黄土坡面细沟水流分离过程方程：黄土坡面细沟水流分离过程方程是细沟水流分离率（Dr）对细沟水流分离能力（Dc)、细沟水流输沙能力差缺率(1-G/Tc)响应的二元幂函数方程：Dr =0.8099Dc1.0258 (1-G/Tc) 0.6616 (R2=0.9730;P<0.01;n=125)。该方程建模同时也考虑在缺乏黄土地区细沟水流分离过程方程时对黄土地区的各地黄土坡面细沟水流分离率近似模拟。（2）基于对黄土地区 5 种不同土壤条件下的试验观测数据进行统一联合分析，建立了黄土地区细沟水流分离过程方程：黄土地区细沟水流分离过程方程是细沟水流分离率对细沟水流分离能力、细沟水流输沙能力差缺率响应的二元幂函数方程：Dr= 0.8427Dc0.9867 （1-G/Tc）0.6426 (R2=0.9488; P<0.01; n=145)。该方程建模考虑的是对本研究条件范围的黄土地区各地不同土壤细沟水流分离率模拟。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究的目的意义

1.2国内外研究进展

第二章 研究目标、内容及方法

2.1研究目标与内容

2.2研究方案

第三章 黄土地区细沟水流分离能力研究

3.1不同土壤细沟水流分离能力与水力特性的关系

3.2不同土壤细沟水流分离能力差异性

3.3不同土壤细沟水流分离能力与土壤性质的关系

3.4黄土地区细沟水流分离能力方程

3.5小结

第四章 黄土地区细沟水流输沙能力研究

4.1 不同土壤细沟水流输沙能力与水力特性的关系

4.2不同土壤细沟水流输沙能力差异性

4.3不同土壤细沟水流输沙能力与土壤性质的关系

4.4黄土地区细沟水流输沙能力方程

4.5小结

第五章 黄土地区细沟可蚀性参数及细沟分离临界动力研究

5.1不同土壤细沟可蚀性参数与细沟分离临界动力计算

5.2不同土壤细沟可蚀性参数研究

5.3不同土壤细沟分离临界动力研究

5.4不同土壤细沟可蚀性参数与细沟分离临界动力的关系

5.5 WEPP模型对黄土地区细沟可蚀性参数与临界剪切力的模拟

5.6小结

第六章 黄土地区细沟水流输沙对分离的影响及贡献

6.1细沟水流输沙率对细沟水流分离率的影响

6.2黄土坡面细沟水流输沙率对细沟水流分离率影响的贡献

6.3黄土地区细沟水流输沙率对细沟水流分离率影响的贡献

6.4 小节

第七章 黄土地区细沟水流分离过程方程研究

7.1黄土坡面细沟水流分离过程方程

7.2黄土地区细沟水流分离过程方程

7.3小结

第八章 结论

8.1 主要研究结论

8.2有待于进一步加强的研究

参考文献

致谢

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