水蚀过程中地表糙度变化及侵蚀响应

发布时间：2017-11-26 15:29

  本文关键词：水蚀过程中地表糙度变化及侵蚀响应

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【摘要】：坡耕地上的地表糙度SSR(Soil Surface Roughness)是降水和人为耕作、管理下形成的一种微地形。当耕作方式一定时,随着降雨特征的变化,糙度值也在发生相应变化,而这种变化必然与土壤侵蚀结果密切相关。为了深入理解地表糙度在水蚀不同阶段的变化情况和地表糙度与径流的相互作用及其侵蚀响应,本文采用室内人工模拟降雨,测量了人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和直型坡4种耕作措施分别在60、90、120 mm/h雨强和5、10、15、20、25°坡度下,雨前、雨后地表糙度以及地表糙度的变化率。研究了分段降雨条件下溅蚀、片蚀、细沟侵蚀3个侵蚀阶段地表糙度的演变过程;连续降雨条件下地表糙度的变化及影响因素分析;雨前初始地表糙度对径流的影响以及径流对地表糙度变化的反作用;地表糙度与土壤侵蚀的响应规律。并得到了以下主要结论:(1)分段降雨条件下,在溅蚀和片蚀阶段,各措施的地表糙度变化趋势比较相似,人工锄耕、人工掏挖和等高耕作均是雨后糙度小于雨前糙度。在同雨强同坡度条件下,初始地表糙度越大的耕作措施,其雨后SSR减小幅度也越大。同措施同坡度下,雨强越大,雨后SSR减小幅度越大。同雨强同措施下,坡度越大,SSR减小幅度越小。而直型坡一直保持雨后糙度大于雨前糙度的变化趋势。且其SSR增大幅度随雨强和坡度的增大而增大。虽然溅蚀和片蚀阶段各措施的糙度变化趋势相似,但是其变化机理却不一致。在细沟侵蚀阶段人工锄耕、人工掏挖和等高耕作细沟侵蚀后的SSR较片蚀后仍有减小。细沟侵蚀程度越剧烈,其SSR减小幅度就越小。这是由于沟内侵蚀对地表糙度有增大作用。细沟侵蚀作用越强,沟内对SSR的增大作用就越强,就会削弱整个坡面SSR的减小趋势。直型坡的SSR较片蚀后有显著增大,且细沟侵蚀程度越大,SSR的增大幅度越大。人工锄耕和人工掏挖的汇水网络均可抽象为树杈状,且具有自相似性,但人工锄耕的汇水网络比人工掏挖稠密;而等高耕作的汇水网络则可抽象为被纵向贯通的平行线型,不具有自相似性,呈自仿射性;直型坡的汇水网络可抽象为网络状,也具有自相似性。(2)连续降雨条件下地表糙度的变化受到雨强、坡度和耕作措施的影响。雨前各措施地表糙度满足等高耕作人工掏挖人工锄耕直型坡。耕作措施对地表糙度的影响是决定性的、本质性的。因此雨后虽然各措施地表糙度都发生了复杂的改变,但是各措施横向之间地表糙度大小规律一直保持不变。在这一规律影响下,①雨前各耕作措施的地表高程概率密度曲线峰度大小为直型坡人工锄耕人工掏挖等高耕作。直型坡和等高耕作的偏度均接近于0。人工锄耕的偏度人工掏挖的偏度0。②各措施在各坡度均有雨前填洼量等高耕作人工掏挖人工锄耕直型坡。③各雨强下均有人工锄耕、人工掏挖和等高耕作这3种措施的雨后地表糙度、雨后填洼量均比雨前有所减小。雨前地表糙度越大的耕作措施,其雨后地表糙度和填洼量减小幅度越大。而直型坡的雨后地表糙度和填洼量则比雨前有所增大。人工锄耕、人工掏挖和等高耕作这3种措施在细沟侵蚀产生之前坡度越大,各措施SSR减小幅度越大。细沟侵蚀产生后,各措施SSR减小幅度随坡度增大而减小。直型坡的SSR一直随坡度增大而增大。(3)雨前地表糙度对径流具有显著影响。雨前地表糙度与径流的雷诺数、弗劳德数、阻力系数、汇流密度和径流频度均显著相关。其中,雨前糙度与径流阻力系数呈正相关,与雷诺数、弗劳德数、汇流密度和径流频度均呈负相关。同时径流对地表糙度在雨前雨后的变化也产生了反馈。人工锄耕、人工掏挖和等高耕作的ΔSSR绝对值与径流雷诺数、径流剪切力、汇流密度和径流频度均呈幂函数负相关。直型坡的ΔSSR绝对值与径流雷诺数、径流剪切力、汇流密度和径流频度均呈线性正相关。(4)地表糙度对土壤侵蚀的影响表现在对产流时间、产流量、产沙量的影响;对径流泥沙过程线的影响;对土壤侵蚀强度的影响3个方面。各措施在同雨强下,产流时间随地表糙度的增大而延长,随坡度增大而缩短;同坡度下,产流时间随地表糙度的增大而延长,随雨强的增大而缩短;同一种耕作措施的产流时间随雨强和坡度的增加而缩短。且雨强过大时,糙度对产流时间的影响会被削弱,各措施产流时间随雨强继续增大而逐步趋于相同。同雨强同坡度下,各措施的产流量和产沙量随糙度的增大而减小。同雨强同措施下,产流量随坡度的增大而增大,产沙量在临界坡度以下随坡度增大而增大,在临界坡度以上,随坡度增大而减小。同措施同坡度下,产流量和产沙量随雨强的增大而增大。同雨强下,每2 min瞬时径流量和产沙量大致为直型坡人工锄耕人工掏挖等高耕作。各措施的瞬时径流量和产沙量随雨强的增大而增大。雨强越小,各措施径流和产沙达到稳定状态所需的时间越短。同雨强下,雨前糙度越大的耕作措施,径流和产沙越不易达到稳定状态。各措施侵蚀强度满足等高耕作人工掏挖人工锄耕直型坡。同一耕作措施下的侵蚀强度随雨强增大而增大。同雨强同措施情况下,侵蚀强度大部分情况下随坡度的增大而增大。各措施的ΔSSR绝对值随侵蚀强度的增大而减小。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S157

【参考文献】

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本文编号：1230283