紫色土区玉米季横垄坡面细沟侵蚀过程研究

摘要

紫色土区细沟侵蚀作为坡耕地最严重的水蚀方式之一，严重阻碍着区域土壤可持续利用与农业的可持续发展。由于细沟形态不断演变，影响径流的水动力学特性，水流的动态变化将引起细沟侵蚀的演化。因此，本文以紫色土丘陵区坡耕地为对象，采用野外人工模拟降雨，开展不同雨强、坡度和生长期条件下，横垄坡面细沟侵蚀特征研究，揭示野外实地细沟形态演变及其主要影响因素，阐明玉米各生长期细沟流水动力学特性，建立细沟产流产沙与水动力学参数的耦合关系，以期为紫色土区坡耕地水土流失的有效防控及区域水蚀测报模型构建提供一定的理论依据。主要研究结果如下:
　　(1)随玉米生长期推进，细沟出现时间总体呈先增加后减少的趋势。横垄坡面细沟侵蚀多发生在跃垄或破垄后，苗期、拔节期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为10′59″和15′30″，其细沟侵蚀发育过程为跌坎、断续细沟（破垄）、细沟发育、细沟调整。2.0mm min-1降雨条件下，苗期细沟发育长、宽、深分别达77.62cm、6.25cm和4.04cm。苗期、拔节期、抽雄期及成熟期细沟形成对应的平均降雨量分别为35.17mm、48.91mm、81.63mm和65.82mm，抽雄期、成熟期细沟侵蚀发育过程为溅蚀坑、溅蚀坑贯穿（越垄）、细沟发育、细沟调整。
　　(2)玉米各生长期，15°与20°间的细沟产沙量均无显著差异。随雨强的增加，横垄坡面细沟产流量在各生长期均呈增加的趋势。随玉米生长期推进，横垄坡面雨前地表糙度(R1)整体呈衰退趋势。降雨后地表糙度最大变幅均出现在抽雄期，15°坡面，抽雄期的平均糙度变幅较苗期、拔节期和成熟期分别增加了2.63倍、1.74倍和3.21倍;20°坡面，抽雄期的平均糙度变幅较苗期、拔节期和成熟期分别增加了2.85倍、6.54倍和37.74倍。随玉米生长期的推进，叶面积指数、覆盖度均呈先增加后下降的趋势，抽雄期叶面积指数为2.34。各因素与细沟产流的灰关联度表现为雨强≥叶面积指数＞植被覆盖度＞坡度＞雨前地表糙度＞株高，与产沙的灰关联度表现为植被覆盖度＞叶面积指数＞株高＞雨前地表糙度＞雨强≥坡度。
　　(3)随玉米生长期推进，流速呈先减少后增加的趋势，平均径流整体呈下降趋势，径流剪切力、水流功率均呈先减小后增加的趋势。细沟流流态主要分布于“缓过渡流”区，抽雄期细沟流流态向“缓层流”区延伸，苗期和成熟期局部达到“缓紊流”区。抽雄期曼宁糙率系数n值较小，苗期相对较大。15°坡面，1.0mm min-1降雨条件下，各生长期细沟流流曼宁糙率系数n变化范围为0.088～0.16，Darcy-Weisbach阻力系数f变化范围为83.67～140.69。曼宁糙率系数n与Darcy-Weisbach阻力系数f变化趋势基本一致。
　　(4)玉米各生长期，细沟产流率均与单位水流功率耦合度最高。苗期，产流率与单位水流功率呈二次函数关系。拔节期，产流率与单位水流功率呈幂函数关系。抽雄期、成熟期，产流率与单位水流功均呈对数函数正相关。苗期，产沙率与单位水流功率耦合度较高，呈二次函数。拔节期，产沙率与各水动力学参数耦合度均较低。抽雄期、成熟期产沙率与单位能量耦合度较高，且均呈二次函数关系。玉米季横垄坡面细沟产流模型由雨强、流速、叶面积指数构成，产沙模型由流速、傅汝德数、Darcy-Weisbach阻力系数f构成。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 绪论

1 立题依据

2 国内外研究动态

2．1 细沟发育过程

2．2 细沟发育影响因素

2．3 细沟发育水动力学特征

3 研究内容与技术路线

3．1 研究内容

3．2 技术路线

第二章 玉米季横垄坡面细沟发育过程

1 材料与方法

1．1 研究区概况

1．2 供试材料

1．3 试验设计

1．4 测定项目及方法

1．5 数据处理

2 结果

2．1 细沟侵蚀发育时间

2．2 细沟发育过程中的形态演变

2．3 细沟产流产沙过程

3 讨论

4 小结

第三章 玉米季横垄坡面细沟侵蚀影响因素分析

1 材料与方法

1．1 研究区概况

1．2 供试材料

1．3 试验设计

1．4 测定项目及方法

1．5 数据处理

2 结果与分析

2．1 坡度对细沟侵蚀的影响

2．2 雨强对细沟侵蚀的影响

2．3 地表糙度对细沟侵蚀的影响

2．4 叶面积指数对细沟侵蚀的影响

2．5 细沟产流产沙与其影响因子的灰关联分析

3 讨论

4 小结

第四章 玉米季横垄坡面细沟流水动力学特性

1 材料与方法

1．1 研究区概况

1．2 供试材料

1．3 试验设计

1．4 测定项目及方法

1．5 数据处理

2 结果与分析

2．1 平均流速和径流深

2．2 细沟流流态

2．3 曼宁糙率与Darcy-Weisbach阻力系数

2．4 径流剪切力与水流功率

2．5 各水动力学要素之间的关系

3 讨论

4 小结

第五章 玉米季横垄坡面细沟产流产沙与水动学参数耦合分析

1 材料与方法

1．1 研究区概况

1．2 供试材料

1．3 试验设计

1．4 测定项目及方法

1．5 数据处理

2 结果与分析

2．1 细沟产流与水动力学参数耦合分析

2．2 细沟产沙与水动力学参数耦合分析

2．3 细沟产流产沙预测模型的建立

3 讨论

4 小结

第六章 全文主要结论与研究展望

1 全文主要结论

2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间参与学术交流活动