黄土坡耕地地表粗糙度与作物根茎对坡面流侵蚀影响的水动力学研究
发布时间：2021-03-01 15:30
黄土高原是我国坡耕地主要分布区之一,坡耕地上的水土流失不但会导致耕层破坏、土壤养分流失,造成土地生产力下降,也会导致河流含沙量增大、污染物质跨地区传播等严重危害,因此,研究坡耕地上的土壤侵蚀规律以及地表状况对其的影响具有重要意义。坡耕地上的地表状况主要包括地表粗糙度以及作物覆盖,其中地表粗糙度是指由于人为耕作措施、土壤侵蚀等作用下导致地表呈现出高低起伏的微地形,是影响坡面径流的流速、流态和阻力特征的重要因素之一,并对产流产沙具有重要影响。作物是指人为种植在耕地上的农作物,同样是影响坡耕地土壤侵蚀的重要因子。本研究以粘沙床面上的人工模拟粗糙度、坡耕地上不同耕作措施（掏挖、锄耕、等高耕作）形成的地表粗糙度和三种常见作物（谷子、玉米、大豆）的农作物为研究对象,将无任何耕作措施和作物的平整坡面作为对照组,通过室内动床人工放水冲刷试验的研究方法,对人工模拟粗糙坡面和耕作措施坡面的粗糙度特征、作物坡面的根系特征、坡面径流产流时间、径流流速、径流流态、阻力特征以及侵蚀特性等进行了系统的研究。主要结论如下:（1）人工模拟粗糙坡面上的径流流速低于光滑坡面,且径流流速与地表粗糙度呈负相关关系,说明人工模拟...
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
试验土槽Figure2.1Theoverviewofexperimentalflume室内土槽试验的供水输水系统包括水泵、集水桶、玻璃转子流量计、消能池、稳
第二章研究内容与方法17玻璃转子流量计后向土槽前端的消能池中供水，通过消能池以及稳流池后进入试验土槽中，最后通过土槽末端的尾门出水。其中，水泵最大扬程为8.0m，最大流量为18000L/h，满足试验供水要求；试验采用的集水桶为大型塑料圆桶，且试验过程中不断有水流输入，能够保证试验过程中持续的水源供给；玻璃转子流量计采用VA10S系列管螺纹连接普通型流量计，测量范围为60-630L/h，使用温度区间为20-120℃，工作压力小于1.0MPa，该流量计的特点是拥有较高的测量精度、很好的互换性能和多种连接方式，根据流体的温度、黏度、压力和密度等物理量取得实际流量标尺，对示值进行修正，使之更接近实际流量；消能池和稳流前池为一个整体，由2mm厚的不锈钢薄板制作而成，尺寸为长1m，宽0.5m，深0.6m，中间用下部钻有梅花孔的薄板一分为二，消能池尺寸为长1m，宽0.3m，深0.6m，目的为削减水流能量，稳流池尺寸为长1m，宽0.2m，深0.6m，水流由梅花小孔进入稳流池后，水流表面平静，动能为零，以排除初始动能对试验的干扰，使水流自然、均匀地溢入土槽；试验土槽段为整个试验装置的主体，作为试验区域，通过对床面进行不同的处理，获取试验所需的各项数据资料；尾门主要是集中从试验土槽段末尾出来的水流，便于对产流产沙进行样本采集。试验主要设备示意图如图2.2所示。图2.2试验设备示意图Figure2.2Theexperimentalsetup2.3.2试验方案2.3.2.1室内粗糙度坡面冲刷试验室内粗糙度坡面冲刷试验是在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学资源与环境学院的水土保持与荒漠化防治工程实验室进行。试验分为两部分，一部分为定床条件下的人工模拟糙度坡面，即粘沙坡面。该坡面采用不同粒径范围的砂粒附着床面，砂粒
博士学位论文18附着床面的形成步骤为：先将砂粒（自然级配）通过震动筛筛分，使其分别为d=0.5~1.25、1.25~2.5、2.5~5和5~10mm的粒径范围；然后在床面内壁均匀平整地涂抹一层适当厚度的清漆，清漆涂抹量需根据所粘砂砾的粒径确定，保证砂砾能够牢固地粘在床面即可；最后在床面上分别将每一种粒径范围的砂砾均匀地分散在床面上，形成四种均匀凸起的微地形粗糙床面，并将未粘沙的光滑坡面作为对照组。床面形态如图2.3所示。图2.3人工模拟粗糙度坡面形态Figure2.3Thebedwithartificialsimulationofsurfaceroughness第二部分试验为动床条件下的有向粗糙度坡面，即耕作措施坡面。该试验选取了黄土高原坡耕地上常见的三种耕作措施，包括：掏挖（Manualdibbling,MD）、锄耕（Manualhoeing,MH）和等高耕作（Coutourdrilling,CD）。掏挖采用采用镢头掏挖地表，并保持坡面掏挖措施后的原始状态，掏挖深度为5cm左右，尺寸约为15×15cm，掏挖位置采用梅花型布设；锄耕为平整坡面上用锄头在坡面上人工锄挖，锄耕深度为3.5cm；等高耕作采用人拉铧犁的横坡耕作形成土垄和犁沟，垄高约为3.5cm，垄间距约为15cm。地表形态及具体的措施布设如图2.4所示。此外，坡面经过耕作措施处理后，在坡面上铺设农用不透水塑料薄膜，薄膜须尽量与地表起伏轮廓贴合，并用喷壶从坡面上端开始注水使之溢满所有低洼处直至从坡面下端出水口流出，记录总注水量和出水量，利用水量平衡法测定不同坡度下各耕作措施坡面的地表填洼量（DSC）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]黄土高原草地植被对土壤侵蚀影响研究进展[J]. 张琪琳,王占礼,王栋栋,刘俊娥. 地球科学进展. 2017(10)
[2]模拟降雨条件下坡度与地表糙度对径流产沙的影响[J]. 王添,任宗萍,李鹏,张辉,苏远逸,支再兴,马田田,孙倩. 水土保持学报. 2016(06)
[3]黄土高原小流域植被恢复的土壤侵蚀效应评估[J]. 赵文启,刘宇,罗明良,汪亚峰,吕一河. 水土保持学报. 2016(05)
[4]滦河上游7种典型林分类型水土保持功能[J]. 吴强,楚聪颖,张鹏,宋伟,元文革,陆贵巧,谷建才. 水土保持学报. 2015(05)
[5]黄土丘陵区坡面形态和植被组合的土壤侵蚀效应研究[J]. 陈利顶,贾福岩,汪亚峰. 地理科学. 2015(09)
[6]滇中高原不同植被的蓄水保土效应及对土壤有机碳的影响[J]. 吴晋霞,陈奇伯,王克勤,赵洋毅,佟志龙. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2015(04)
[7]玉米季土壤抗冲性变化特征及其影响因素分析[J]. 郑子成,张锡洲,李廷轩,金伟,林超文. 农业机械学报. 2014(09)
[8]陕北黄土沟壑区降雨入渗产流产沙模型与应用[J]. 宋孝玉,白鹏,王娟,史文娟,王全九. 灌溉排水学报. 2014(Z1)
[9]玉米生长期土壤抗剪强度变化特征及其影响因素[J]. 郑子成,张锡洲,李廷轩,金伟,林超文. 农业机械学报. 2014(05)
[10]人工模拟粗糙度对坡面流阻力的影响[J]. 翟艳宾,吴发启,张一,施明新,陈攀宇,焦瑞,王青. 灌溉排水学报. 2014(01)
博士论文
[1]黄土坡耕地地表粗糙度对入渗、产流及养分流失的影响研究[D]. 王林华.西北农林科技大学 2017
[2]黄土坡地地表糙度特征及其对入渗、产流产沙的影响研究[D]. 赵龙山.西北农林科技大学 2015
[3]黄土丘陵区植物根系强化土壤抗冲性机理及固土效应[D]. 李强.中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心） 2014
[4]植被护坡根系固土及坡面侵蚀机理研究[D]. 王华.西南交通大学 2010
[5]作物植被对坡耕地土壤侵蚀的影响研究[D]. 马璠.西北农林科技大学 2009
硕士论文
[1]种植大豆对黄土区土壤抗侵蚀能力的影响研究[D]. 王计磊.西北农林科技大学 2017
[2]黄土区典型草被生长过程中根系对土壤抗冲性影响的实验研究[D]. 覃淼.陕西师范大学 2016
[3]马铃薯对坡面土壤侵蚀的影响研究[D]. 刘志明.山西农业大学 2013
[4]坡面径流侵蚀过程试验研究[D]. 李雯.西安理工大学 2006
本文编号：3057680
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
试验土槽Figure2.1Theoverviewofexperimentalflume室内土槽试验的供水输水系统包括水泵、集水桶、玻璃转子流量计、消能池、稳
第二章研究内容与方法17玻璃转子流量计后向土槽前端的消能池中供水，通过消能池以及稳流池后进入试验土槽中，最后通过土槽末端的尾门出水。其中，水泵最大扬程为8.0m，最大流量为18000L/h，满足试验供水要求；试验采用的集水桶为大型塑料圆桶，且试验过程中不断有水流输入，能够保证试验过程中持续的水源供给；玻璃转子流量计采用VA10S系列管螺纹连接普通型流量计，测量范围为60-630L/h，使用温度区间为20-120℃，工作压力小于1.0MPa，该流量计的特点是拥有较高的测量精度、很好的互换性能和多种连接方式，根据流体的温度、黏度、压力和密度等物理量取得实际流量标尺，对示值进行修正，使之更接近实际流量；消能池和稳流前池为一个整体，由2mm厚的不锈钢薄板制作而成，尺寸为长1m，宽0.5m，深0.6m，中间用下部钻有梅花孔的薄板一分为二，消能池尺寸为长1m，宽0.3m，深0.6m，目的为削减水流能量，稳流池尺寸为长1m，宽0.2m，深0.6m，水流由梅花小孔进入稳流池后，水流表面平静，动能为零，以排除初始动能对试验的干扰，使水流自然、均匀地溢入土槽；试验土槽段为整个试验装置的主体，作为试验区域，通过对床面进行不同的处理，获取试验所需的各项数据资料；尾门主要是集中从试验土槽段末尾出来的水流，便于对产流产沙进行样本采集。试验主要设备示意图如图2.2所示。图2.2试验设备示意图Figure2.2Theexperimentalsetup2.3.2试验方案2.3.2.1室内粗糙度坡面冲刷试验室内粗糙度坡面冲刷试验是在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学资源与环境学院的水土保持与荒漠化防治工程实验室进行。试验分为两部分，一部分为定床条件下的人工模拟糙度坡面，即粘沙坡面。该坡面采用不同粒径范围的砂粒附着床面，砂粒
博士学位论文18附着床面的形成步骤为：先将砂粒（自然级配）通过震动筛筛分，使其分别为d=0.5~1.25、1.25~2.5、2.5~5和5~10mm的粒径范围；然后在床面内壁均匀平整地涂抹一层适当厚度的清漆，清漆涂抹量需根据所粘砂砾的粒径确定，保证砂砾能够牢固地粘在床面即可；最后在床面上分别将每一种粒径范围的砂砾均匀地分散在床面上，形成四种均匀凸起的微地形粗糙床面，并将未粘沙的光滑坡面作为对照组。床面形态如图2.3所示。图2.3人工模拟粗糙度坡面形态Figure2.3Thebedwithartificialsimulationofsurfaceroughness第二部分试验为动床条件下的有向粗糙度坡面，即耕作措施坡面。该试验选取了黄土高原坡耕地上常见的三种耕作措施，包括：掏挖（Manualdibbling,MD）、锄耕（Manualhoeing,MH）和等高耕作（Coutourdrilling,CD）。掏挖采用采用镢头掏挖地表，并保持坡面掏挖措施后的原始状态，掏挖深度为5cm左右，尺寸约为15×15cm，掏挖位置采用梅花型布设；锄耕为平整坡面上用锄头在坡面上人工锄挖，锄耕深度为3.5cm；等高耕作采用人拉铧犁的横坡耕作形成土垄和犁沟，垄高约为3.5cm，垄间距约为15cm。地表形态及具体的措施布设如图2.4所示。此外，坡面经过耕作措施处理后，在坡面上铺设农用不透水塑料薄膜，薄膜须尽量与地表起伏轮廓贴合，并用喷壶从坡面上端开始注水使之溢满所有低洼处直至从坡面下端出水口流出，记录总注水量和出水量，利用水量平衡法测定不同坡度下各耕作措施坡面的地表填洼量（DSC）。
【参考文献】：
期刊论文
[1]黄土高原草地植被对土壤侵蚀影响研究进展[J]. 张琪琳,王占礼,王栋栋,刘俊娥. 地球科学进展. 2017(10)
[2]模拟降雨条件下坡度与地表糙度对径流产沙的影响[J]. 王添,任宗萍,李鹏,张辉,苏远逸,支再兴,马田田,孙倩. 水土保持学报. 2016(06)
[3]黄土高原小流域植被恢复的土壤侵蚀效应评估[J]. 赵文启,刘宇,罗明良,汪亚峰,吕一河. 水土保持学报. 2016(05)
[4]滦河上游7种典型林分类型水土保持功能[J]. 吴强,楚聪颖,张鹏,宋伟,元文革,陆贵巧,谷建才. 水土保持学报. 2015(05)
[5]黄土丘陵区坡面形态和植被组合的土壤侵蚀效应研究[J]. 陈利顶,贾福岩,汪亚峰. 地理科学. 2015(09)
[6]滇中高原不同植被的蓄水保土效应及对土壤有机碳的影响[J]. 吴晋霞,陈奇伯,王克勤,赵洋毅,佟志龙. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2015(04)
[7]玉米季土壤抗冲性变化特征及其影响因素分析[J]. 郑子成,张锡洲,李廷轩,金伟,林超文. 农业机械学报. 2014(09)
[8]陕北黄土沟壑区降雨入渗产流产沙模型与应用[J]. 宋孝玉,白鹏,王娟,史文娟,王全九. 灌溉排水学报. 2014(Z1)
[9]玉米生长期土壤抗剪强度变化特征及其影响因素[J]. 郑子成,张锡洲,李廷轩,金伟,林超文. 农业机械学报. 2014(05)
[10]人工模拟粗糙度对坡面流阻力的影响[J]. 翟艳宾,吴发启,张一,施明新,陈攀宇,焦瑞,王青. 灌溉排水学报. 2014(01)
博士论文
[1]黄土坡耕地地表粗糙度对入渗、产流及养分流失的影响研究[D]. 王林华.西北农林科技大学 2017
[2]黄土坡地地表糙度特征及其对入渗、产流产沙的影响研究[D]. 赵龙山.西北农林科技大学 2015
[3]黄土丘陵区植物根系强化土壤抗冲性机理及固土效应[D]. 李强.中国科学院研究生院（教育部水土保持与生态环境研究中心） 2014
[4]植被护坡根系固土及坡面侵蚀机理研究[D]. 王华.西南交通大学 2010
[5]作物植被对坡耕地土壤侵蚀的影响研究[D]. 马璠.西北农林科技大学 2009
硕士论文
[1]种植大豆对黄土区土壤抗侵蚀能力的影响研究[D]. 王计磊.西北农林科技大学 2017
[2]黄土区典型草被生长过程中根系对土壤抗冲性影响的实验研究[D]. 覃淼.陕西师范大学 2016
[3]马铃薯对坡面土壤侵蚀的影响研究[D]. 刘志明.山西农业大学 2013
[4]坡面径流侵蚀过程试验研究[D]. 李雯.西安理工大学 2006
本文编号：3057680
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