陡坡地水蚀过程与泥沙搬运机制

发布时间：2017-12-07 14:03

  本文关键词：陡坡地水蚀过程与泥沙搬运机制

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【摘要】：坡面水蚀包括降雨击溅和径流冲刷引起土壤分离、泥沙输移和沉积三个子过程。泥沙颗粒性质与坡面水蚀过程密切相关,然而,以往的研究有的将泥沙分散后测定单粒粒径,也有的未经分散直接测定泥沙的有效粒径。导致研究结果缺乏可比性,水蚀过程中泥沙分选规律仍未定论,不同粒级泥沙颗粒搬运机制仍有待深入探讨。因此,本论文以黄土高原X土、黑垆土和黄绵土为研究对象,采用人工模拟降雨等技术,研究降雨、径流、土壤等因素对陡坡水蚀过程与泥沙搬运机制的影响。主要结论如下:(1)阐明了降雨动能对陡坡侵蚀过程中泥沙颗粒分选的影响;揭示了不同降雨动能下各粒径颗粒在水蚀过程中的主要搬运形式及搬运机制。利用不同孔径铁丝网覆盖于表土上方5 cm处,通过改变雨滴直径大小设置5种降雨动能(76 J m-2 h-1、90 J m-2 h-1、105 J m-2 h-1、160 J m-2h-1和270 J m-2 h-1、518 J m-2 h-1)。试验结果表明,降雨动能通过影响侵蚀过程进而影响侵蚀泥沙的粒径分布情况。存在使侵蚀泥沙中团粒发生破坏的临界降雨动能,在本试验中,这个临界降雨动能为105 J m-2 h-1,当大于临界降雨动能时,降雨动能越大,团粒破碎越严重,因此侵蚀泥沙中细颗粒富集现象越明显。此外,侵蚀泥沙中包含团粒和单粒,0.002 mm和0.05 mm颗粒通常以团粒形式搬运,0.002 mm~0.05 mm颗粒通常以单粒形式搬运,降雨动能越大,各级泥沙以单粒形式搬运的可能性越高。泥沙的主要搬运机制包括悬移、跃移和滚动搬运。当降雨动能105 J m-2 h-1时,降雨动能越大,悬移/跃移搬运所占的比例越高,相应的,滚动搬运所占的比例越低。因为降雨动能越大,团聚体被破坏越严重,释放的小颗粒更多,细小的土壤颗粒更容易发生悬移和跃移。降雨历时越长,悬移/跃移所占的比例越高,主要因为随着降雨历时的增加,径流的搬运能力增大。(2)探明了地表覆盖对泥沙颗粒分选的影响,明确了不同粒径泥沙颗粒的在水蚀过程中的主要搬运形式及其发生沉积或侵蚀的情况。通过在地表覆盖秸秆,采用不同秸秆覆盖量控制雨滴打击和坡面水流的动能,系统研究了秸秆覆盖下陡坡侵蚀过程中泥沙颗粒特征。试验结果表明,与裸土相比,秸秆覆盖量为0.075kgm-2、0.15kgm-2、0.25kgm-2、0.35kgm-2和0.45kgm-2条件下的径流系数分别减少了10.5%、20.5%、35.2%、68.8%和71.5%,分散前后泥沙中黏粒含量比值分别下降了6.5%,12.0%,18.7%,20.9%和29.7%。秸秆覆盖量越低泥沙以单粒形式搬运的可能性越大,因为覆盖量越高,雨滴和径流能量削减越多,进而降低泥沙中团粒破碎的几率。同时,通过研究黏粒、粉粒和沙粒的富集率(er=分散后侵蚀泥沙颗粒含量/分散后供试土样颗粒含量)可揭示水蚀过程中不同粒级泥沙颗粒的富集现象。结果表明,各秸秆覆盖量下,黏粒的富集率都小于1,说明对整个降雨侵蚀过程而言,黏粒易发生沉积,因为黏粒多以团聚体的形式存在于土壤中,团粒因为其自身质量较大,相比其他颗粒更难搬运。各秸秆覆盖量下,粉粒的富集率都大于1,说明对整个降雨侵蚀过程而言,粉粒容易被侵蚀,并表现为在侵蚀泥沙中发生富集。沙粒的富集率随着秸秆覆盖量的增加而减小,主要是因为降雨和径流的剥蚀能力和搬运能力随着覆盖量的增加而降低,沙粒由于自身密度大,在侵蚀过程中容易发生沉积。(3)揭示了土壤质地对水蚀过程中泥沙颗粒粒径分布的影响;明确了土壤质地能通过影响细沟发育情况进而影响颗粒的搬运形式。按照土壤中黏粒含量递减的规律选择黄土高原四种典型的农耕地土壤:X土、黑垆土、黄绵土(安塞)和黄绵土(绥德)作为研究对象,试验结果表明,黏粒含量越高的土壤,侵蚀泥沙的团聚性越强,泥沙中团粒含量越高。细沟产生前,X土、黑垆土、黄绵土(安塞)和黄绵土(绥德)侵蚀泥沙分散前颗粒中数直径分别为0.027mm、0.023mm、0.037mm和0.039mm;细沟产生后,相应的中数直径分别为0.040mm、0.029mm、0.040mm和0.044mm,即细沟产生后,四种土壤侵蚀泥沙颗粒粒径增大,主要因为细沟中股流的搬运能力强于薄层水流,更多的大颗粒能被搬运。黏粒含量越高的土壤,其土壤抗蚀性越强,因而其产生的细沟宽深比越小,侵蚀泥沙中大颗粒含量增加的幅度随着细沟宽深比增大而减小。黏粒含量相对较高的土壤其侵蚀泥沙表现出更强的分选性,呈现双峰分布的特征;而黏粒含量相对较低的土壤其侵蚀泥沙分选性差,侵蚀泥沙颗粒粒径分布与供试土壤颗粒粒径分布相似。除此之外,大颗粒(包括沙粒和团粒)含量越高的土壤,侵蚀泥沙以滚动方式搬运的可能性越高,特别在陡坡条件下,大颗粒沿下坡向的分力更大因而更易发生滚动。综上所述,本研究发现陡坡条件下泥沙颗粒粒径呈双峰分布,小粒径泥沙和大粒径泥沙较中间粒径泥沙更容易被搬运,侵蚀力会影响峰值对应的粒级。泥沙中包含单粒和团粒,降雨侵蚀条件下团粒受侵蚀力的作用主要以消散和机械破碎的形式发生不同程度的破坏,团粒破坏越严重,黏粒释放越多,泥沙中大粒径颗粒含量越低。同时,基于悬移质、跃移质和接触质对不同粒级泥沙颗粒搬运过程的分析,探明了不同粒径泥沙的搬运机制,发现陡坡条件下大粒径泥沙以滚动方式搬运,小粒径泥沙则以悬移/跃移方式搬运,但这两种搬运机制对中间粒径泥沙的输移效率均较低,结果阐明了悬移/跃移和滚动搬运机制分别输移不同粒级的泥沙颗粒,且各搬运机制的相对贡献率受到侵蚀内外因耦合的影响,揭示了缓坡研究结果不适用于陡坡侵蚀环境的根本原因,即只考虑了泥沙的悬移/跃移搬运机制而忽略了滚动搬运机制。本研究结论将有助于揭示坡面水蚀过程的内在规律,通过考虑滚动搬运机制从而提高陡坡水蚀模型的预测精度。
【学位授予单位】：中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157.1

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本文编号：1262611