急陡黄土坡面土壤侵蚀过程研究

摘要

我国黄土高原地区坡陡沟深，地形复杂，近年来由于人为活动增加了很多＞25°的急陡边坡，成为了土壤侵蚀的潜在新源地，可能造成严重的土壤侵蚀。为探明降雨条件下急陡黄土坡面土壤侵蚀特征与机理，为我国黄土区土壤侵蚀预报和防治提供科学依据，同时丰富坡面土壤侵蚀理论。本文采用室内模拟降雨的方法，研究了 6 个坡度（25°、30°、35°、40°、45°和50°）和3个雨强（1.0 mm min-1、1.5 mm min-1和2.0 mm min-1）组合条件下急陡黄土坡面产流、产沙、水力学参数、侵蚀泥沙粒径组成等特征。主要研究结果如下： （1）急陡黄土坡面侵蚀产沙过程：产流开始后的前几分钟，产流速率迅速增加之后变化较为平稳，降雨强度对产流速率起主导作用，产流速率随着降雨强度的增大而增加，而且降雨强度越大增幅越大，总径流量随着降雨强度的增加而增加。每场降雨的产沙速率总体表现为同坡度下随雨强的增加而增大，同一雨强不同坡度条件下的产沙速率变化差异较大，坡度对产沙速率变化趋势的影响存在阈值效应，雨强对产沙速率的变化起主导作用；当坡度相同时，总侵蚀量随着降雨强度的增加呈指数型增加趋势，当降雨强度为1.0mm min-1和1.5mm min-1时，总侵蚀量随着坡度的增加呈先增加后减小的趋势，坡度为40～45°时存在峰值；当降雨强度为2.0 mm min-1时，坡度对总侵蚀量的影响较为复杂。 （2）急陡黄土坡面水力学参数变化特征：坡度相同时，流速随雨强的增加而增大；雨强相同时，坡度对薄层水流流速的影响存在临界效应（40°～45°），小于临界坡度，流速随坡度的增加而增大，大于临界坡度，流速随坡度增加而减小；各坡度条件下，坡面薄层水流的平均径流水深随降雨强度增加呈平稳增长趋势；相同雨强时，径流深随坡度的增大有减小趋势；黄土急陡坡坡面雷诺数（Re）整体较小（远小于580），试验条件下坡面薄层径流属于层流且水流处于层流中的失稳区；弗劳德数(Fr)大于0.8，薄层水流属于急流；阻力系数(f)随着降雨强度增加而增大，随着坡度的增加而减小；方差分析结果显示，雨强、坡度及二者交互作用对急陡坡坡面薄层水流水力学参数均有显著影响（p<0.01），但流速、弗劳德数和阻力系数的变化主要受坡度控制，而径流深和雷诺数的变化主要受雨强控制。 （3）急陡黄土坡面产沙速率与各水动力学参数之间的关系：当坡度相同时，径流剪切力、径流功率和过水断面单位能都会随着降雨强度的增加而增加，其中规律性最好的是径流功率，在同一降雨强度下，径流剪切力、径流功率和过水断面单位能随坡度的增加呈波动增加的趋势；急陡黄土坡面产沙速率与径流剪切力、径流功率与过水断面单位能均呈幂函数关系，就拟合优度而言，R2（ω）＞R2（τ）＞R2（E），因此本试验条件下径流功率是描述急陡黄土坡面径流侵蚀的最优水力学参数。 （4）急陡黄土坡面侵蚀泥沙颗粒特征：总体而言各场次降雨侵蚀泥沙颗粒中黏粒含量最少，细粉粒含量次之，粗粉粒和砂粒含量较多，坡度对各粒级泥沙的影响较为复杂，规律不明显，各粒级泥沙含量主要受降雨强度的控制，当坡度较小（≤35°）时，黏粒含量和细粉粒含量随着降雨强度的增大而增大，而粗粉粒含量和砂粒含量随着降雨强度的增大而减小；当坡度较大（＞35°）时，黏粒含量和细粉粒含量随着降雨强度的增大呈波动增加的趋势，而粗粉粒含量和砂粒含量随着降雨强度的增大呈波动减小的趋势；从整体趋势来看，每场试验过程中黏粒含量随产流历时的变化明显呈现两个阶段，第一个阶段是黏粒含量迅速增加阶段，第二个阶段是黏粒含量稳定或波动稳定阶段；整体而言降雨过程中优先搬运粒径较小的泥沙颗粒，黏粒和细粉粒多发生富集，粗粉粒和砂粒在侵蚀过程中没有发生明显的变化，与原始土壤组成相一致。

目录

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第一章 绪论

1.1研究目的意义

1.2国内外研究进展

第二章 研究内容及方法

2.1研究内容

2.2研究方法和技术路线

第三章 急陡黄土坡面土壤侵蚀产沙特征研究

3.1初始产流时间变化特征

3.2急陡黄土坡面产流变化特征

3.3产沙变化特征

3.4小结

第四章 急陡黄土坡面水力学参数特征研究

4.1急陡坡条件下流速变化特征

4.2急陡坡条件下水深变化特征

4.3急陡坡条件下坡面薄层流流态流型

4.4急陡坡条件下坡面流阻力规律

4.5小结

第五章 急陡黄土坡面土壤侵蚀水动力学特征研究

5.1急陡坡条件下水动力学参数变化特征

5.2急陡坡条件下产沙速率与各水动力学参数之间的关系

5.3小结

第六章 急陡黄土坡面土壤侵蚀泥沙颗粒分布特征研究

6.1侵蚀泥沙的颗粒组成

6.2侵蚀泥沙黏粒含量的变化规律

6.3侵蚀泥沙分选特性

6.4小结

第七章 结论

7.1主要研究结论

7.2研究展望

参考文献

致谢

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