不同控制截排水布置方式下坡面产流—产沙过程的模拟研究

发布时间：2020-11-01 19:46

　　 坡面水土流失是坡面侵蚀的必然结果,而无论是在流域自然阶地形成的非连续性坡面或者开挖过程中形成的连续坡面,一定强度的降雨过程中,坡面土壤本身不同水流入渗率及土粒团聚结构特性会使坡面表现出不同径流变化规律及产流产沙相应机制,并造成土壤颗粒、泥沙沉淀搬运及携带氮磷养分输出相互制约影响的过程,而坡面截排水沟的布置形成的水系结构结合池、凼配套的蓄水体系,对于实现坡面侵蚀减少、水土流失控制及季节性农业用水调节效果已经有较成熟的示范验证,但在暴雨情况下坡面水系排水沉沙效果不佳仍然是坡面截排水布置的设计难题,本研究在认识自然水文系统的水流流动方式的基础上,为改善坡面水系分段拦蓄径流泥沙的调控效益,设计以改变坡面水流出流过程而布置的土槽模型坡面,以无截排水布置坡面(CK)为对照,借助人工模拟降雨试验,对比探究坡面集中汇流(T1)和分散分流(T2)两种不同的控制排水措施下的坡面产沙产流过程的影响机制和作用效果,发现截排沟的布置会通过分段截留、阶段性排水时间差改变坡面单位径流量过程变化,且在径流率变化过程中坡面不同粒级颗粒选择性搬运以保持坡面土壤微团粒结构实现坡面截流及拦沙效益,并最后表现在径流泥沙氮磷输出浓度减小及全量养分和有效性养分随径流泥沙流失特征的控污效果。同时通过交互性试验研究发现,汇流与分流不同的控制截排水效果随坡度的变化也表现出相异的变化规律,并在不同用地类型坡面存在不同对比关系,主要研究结果如下：(1)在坡耕地土壤坡面,T1、T2均能显著减缓径流变化率,相较CK消弱径流率在短时间内急剧增加,延缓增加历时至21min,降低径流增长速度31.16%～60.03%,增加径流率随径流历时变化的对数拟合系数(R20.85)实现径流过程的稳定分配,同时通过减小泥沙富集率变化范围显著消弱径流挟沙能力,减低土壤流失微团聚体变化的临界粒级(5um),具体表现为T1较T2不仅更能显著的减小微团聚体变化的临界粒级,泥沙富集率变化范围显著减小为0.576～1.563,保持大粒级微团聚体,这有利于全量养分流失量受坡度因子影响程度减小,但径流中养分如全氮及有效氮的平均输出浓度均表现为T1T2,说明T1有利于减小泥沙中各形态氮磷流失富集比,而T2有利于消弱径流各形态氮磷输出浓度随径流历时的变化波动程度及减小坡面径流养分的平均流失量。(2)由于土壤结构的改变和土壤抗蚀能力的提高,土粒在径流发生更多的沉积,荒草地产沙产流动态过程表现出不同的变化规律,在5°～10°坡面,T2在减弱因大粒级相对增加“粗骨粒”现象时,又不造成小粒级微团聚体的大量减少,T1、T2在于减小1000-50um粒级土粒的崩解迁移(11.31%,21.78%),且T2相较CK减小径流率51.72%、58.95%,减流效果较T1明显,当坡度增加到15°坡面呈现相反规律,由此可以表明,在荒草地坡面截排水方式对减流减沙机制的影响并不存在对应关系,其中T1有利于减小排水因子与坡度因子的交互效应对径流产生的影响,T2更有利于消减坡度与排水因子对产沙过程的影响,从而使T1坡面径流全量养分在随径流流失量相对较小,而有效性氮和有效磷的径流与泥沙中的平均流失总量在分流(T2)措施下较CK减小程度更大。(3)在有林地土壤坡面,T1、T2对土壤径流分配调节效果在5～10°的缓坡较明显,径流率与降雨历时拟合程度较高,而两种控制排水方式消减径流含沙率峰值的效果并不明显且两者之间不存在显著差异,在林地土粒本身较重条件下容易出现中小粒级微团聚体不同位置的差异性沉降,T1、T2排水因子使得坡面产流过程与产沙过程均会出现明显的一致性,但T1由于能保持土壤复粒及单粒的阶段的沉积和补充,有利于调节有效养分输出浓度变化。故为实现不同立地类型坡面水沙的稳定调控,要依据坡度和土地利用类型,合理选择不同截排水沟控制排水布置方式。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S157
【部分图文】：

３．３３．３．１?±糟设计与试验准备??为了实现坡面不同水流出流方式的室内模拟，Ｗ透明有机玻璃设计??２ｍｘｌｍｘ〇．４ｍ同样大小的可升降式止槽，Ｗ?ＰＶＣ板分别按照坡面集中出流＂Ｖ＂型??（Ｔ１）及分散出流的＂倒Ｖ＂型（Ｔ２）两种径流引导方式分别在两种±槽布置设计??排水管线，并Ｗ无措施±槽（ＣＫ）为作为对照，坡面模拟引排水沟断面尺寸按照??坡地降雨排水沟水力参数设计，水平沟间距根据等比例尺度设为６０ｃｍ，矩形断面??宽深比根据试验止壤容重设为１：１．５，参照陈渠昌１１１１坡地水平沟设计比尺（公式１）??确定断面尺寸，保持整个坡面控制沟道径流泥沙输送能力一致，单位±槽模型见??图１。??Ｈ?＝户。（化／?ｍ?－?／公）?（１）??１０００?ＢＩ?ｍ??式中；Ｐｍ一最大一次降雨量，ｍｍ；?炭定稳定入渗率，ｍｎｖｈ－１；?Ｓ一７＿Ｋ平沟间??距，ｍ；??Ｂ—水平沟宽度，ｍ；?Ｉｍ——降雨强度，ｍｍ．ｈ－ｉ；?Ｋ—常数，取１．００。??

?０?１０?２０?３０?４０?日?０?６０??图４－ｌａ．５°坡耕地坡面在不同截排水?图４－化１０。坡耕地坡面在不同截排水??方式下的产流率动态变化?方式下的产流率动态变化??Ｆｉｇ．４－ｌａ．?Ｔｈｅ?ｄｙｎａｍｉｃ?ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｒｕｎｏｆｆ?Ｆｉｇ．４－ｌｂ．?Ｔｈｅ?ｄｙｎａｍｉｃ?ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｒｕｎｏｆｆ??ｒａ化?ｉｎ?ｔｈｅ?ｓｌｏｐｅ?ｏｆ?５°?ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ?ｌａｎｄ?ｒａｔｅ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｓｌｏｐｅ?ｏｆ?１０。ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ?ｌａｎｄ??ｗｉｔｈ?ｔｈｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｒａｉｎａｇｅ?ｐａｔｔｅｒｎ?ｗｉ化化ｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｒａｉｎ过ｇｅ?ｐａＵｅｍｓ??１３??

?〇?１〇?２０?３０?４０?５０?６０??图４－２ａ．不同截排水方式下５°坡耕地坡面?图４－化．不同截排水方式下１０°坡耕地坡面??的含沙量含动态变化?的含沙量动态蛮化??Ｆｉｇ．?４－２ａ．Ｔｈｅ?ｄｙｎａｍｉｃ?ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｓｅｄｉｍｅｎｔ?Ｆｉｇ．?４－２ｂＴｈｅ?ｄｙｎａｍｉｃ?ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?ｓｅｄｉｍｅｎｔ??ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｓｌｏｐｅ?ｏｆ?５°ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ?ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｓｌｏｐｅ?ｏｆ?１０°ｃｕｌｔｉｖａｔｅｄ??ｌａｎｄ?ｗｉ化化ｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｒａｉｎａｇｅ?ｐａｔｔｅｒｎｓ?ｌａｎｄ?ｗｋｈ?化ｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｒａｉｎａｇｅ?ｐａｔｔｅｒｎｓ??对比不同截排水方式对坡面的水沙过程的影响可ｗ发现，坡面不同截排水方??式均能有效降低径流含沙量，在拦截径流减缓径流速度时，有效坡长减少，一方??面使大颗粒无法达到搬运速度，同时较小粒径的王壤颗粒在排水沟前回水带大量??沉积，且其减沙效益随着坡度的增大越来越明显。在含沙量达峰值后，在汇流与??１５??
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 吴淑芳;吴普特;冯浩;李敏;;标准坡面人工草地减流减沙效应及其坡面流水力学机理研究[J];北京林业大学学报;2007年03期

2 程冬兵;左长清;蔡崇法;;不同下垫面每次降雨水土流失特征及影响因素分析[J];草业学报;2007年05期

3 吴凤至;史志华;方怒放;岳本江;;不同降雨条件下侵蚀泥沙黏粒含量的变化规律[J];环境科学;2012年07期

4 成小英;李世杰;;长江中下游典型湖泊富营养化演变过程及其特征分析[J];科学通报;2006年07期

5 向华,刘青泉,李家春;地表条件对坡面产流的影响[J];水动力学研究与进展(A辑);2004年06期

6 唐政洪,蔡强国,许峰,朱远达;不同尺度条件下的土壤侵蚀实验监测及模型研究[J];水科学进展;2002年06期

7 李光录;吴发启;庞小明;赵小风;;泥沙输移与坡面降雨和径流能量的关系[J];水科学进展;2008年06期

8 张文杰;陈云敏;凌道盛;;库岸边坡渗流及稳定性分析[J];水利学报;2005年12期

9 王康;张仁铎;周祖昊;安田裕;;多孔介质中非均匀流动模式示踪试验与弥散限制聚合分形模拟的应用[J];水利学报;2007年06期

10 尹忠东;左长清;苟江涛;贾俊姝;;川中紫色土区小流域土地利用与土壤流失关系[J];水利学报;2011年03期

相关硕士学位论文 前2条

1 罗在波;PAM对紫色土坡地氮素迁移淋失的控制效应[D];西南大学;2008年

2 吴凤至;坡面侵蚀过程中泥沙颗粒特性研究[D];华中农业大学;2012年

本文编号：2866004