我国主要侵蚀土壤溅蚀和片蚀特征与机理研究

发布时间：2018-01-14 00:23

  本文关键词：我国主要侵蚀土壤溅蚀和片蚀特征与机理研究　出处：《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)》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：对比研究不同土壤的溅蚀和片蚀特征,可为侵蚀预报模型构建提供重要的理论依据,其对坡面侵蚀防治也具有重要的指导意义。本论文针对我国主要侵蚀土壤溅蚀和片蚀特征的对比研究相对薄弱的现实,以我国三个主要水蚀区(西北黄土高原地区、东北黑土区和南方红壤区)的典型侵蚀土壤黄绵土、黑土和红壤为研究对象,基于相同的试验方法,对比分析了三种主要侵蚀土壤的溅蚀和片蚀特征,量化了溅蚀对片蚀的贡献,探究了片蚀的水动力学机理,构建了适用于我国主要水蚀区的溅蚀和片蚀预报模型。主要研究结论如下:(1)对比分析了三种主要侵蚀土壤溅蚀特征。试验条件下黄土、黑土和红壤坡面不同方向溅蚀量(向上坡、向下坡,侧向)、净溅蚀量(向下坡-向上坡)和总溅蚀量(向上坡+向下坡+左侧+右侧)均随降雨强度和降雨能量的增加而增大。当降雨强度由50 mm h 1增加到100 mm h 1时,黄土、黑土和红壤坡面总溅蚀量分别增加了0.2~14.2,1.9~10.9和1.1~11.3倍。次降雨坡面向上坡,向下坡和侧向溅蚀量分别占总溅蚀量的14.1%~14.7%,32.8%~33.3%和26.0%~26.3%。三种主要侵蚀土壤不同方向溅蚀量,净溅蚀量和总溅蚀量大小关系为:黑土最大,红壤次之,黄土最小。坡面不同方向土壤溅蚀量,净溅蚀量和总溅蚀量在坡面产流前后表现出较大的差异性,坡面产流前,三种主要侵蚀土壤干土溅蚀量均显著高于湿土溅蚀量;而坡面产流后,前期土壤含水量对黑土和红壤的影响表现出三种现象,即干、湿土的溅蚀量之间没有显著性差异,干土溅蚀量显著高于湿土溅蚀量,湿土溅蚀量显著高于干土溅蚀量。(2)阐明了三种主要侵蚀土壤坡面片蚀特征。三种主要侵蚀土壤坡面片蚀量均随降雨强度,降雨能量和前期土壤含水量的增加而增大。当降雨强度由50 mm h 1增加为100 mm h 1时,黄土、黑土和红壤坡面片蚀量分别增加了8.3~19.3,15.0~68.8和5.1~36.9倍。随着前期土壤含水量的增加,黑土和红壤坡面片蚀量分别增加了1.4~9.0和1.2~15.8倍。干土条件下,红壤坡面的片蚀量高于黑土坡面。湿土条件下,三种土壤片蚀量的大小关系受降雨强度和降雨能量的影响。50 mm h 1降雨强度下或100 mm h 1降雨强度而降雨能量小于8.52 J m 2 mm 1时,三种土壤片蚀量大小关系为:红壤最大,黄土次之,黑土最小;100 mm h 1降雨强度下,当降雨能量高于8.52 J m 2 mm 1时,黄土坡面片蚀量最大,红壤次之,黑土最小。(3)量化了溅蚀对片蚀的贡献。三种主要侵蚀土壤总溅蚀量对片蚀量的贡献受降雨特性和前期土壤含水量的综合影响。黄土向上坡,向下坡,侧向,净溅蚀量和总溅蚀量与片蚀量的比值平均值分别为0.2,0.4,0.3,0.2和1.2;黑土向上坡,向下坡,侧向,净溅蚀量和总溅蚀量与片蚀量的比值平均值分别为1.1,2.4,1.9,1.3和7.3;红壤向上坡,向下坡,侧向,净溅蚀量和总溅蚀量与片蚀量的比值平均值分别为0.4,0.9,0.9,0.5和3.1。干土条件下,黑土总溅蚀量对片蚀量的贡献高于红壤。湿土条件下,当降雨强度为50 mm h 1时,三种主要侵蚀土壤总溅蚀量对片蚀量的贡献为黑土最大,黄土次之,红壤最小;而当降雨强度为100 mm h 1,降雨能量小于12.85 J m 2 mm 1时,三种主要侵蚀土壤总溅蚀量对片蚀量的贡献为黑土最大,红壤次之,黄土最小。当降雨能量高于12.85 J m 2mm 1时,三种主要侵蚀土壤之间总溅蚀量对片蚀量的贡献差异较小。(4)探究了片蚀的水动力学机理。对于三种主要侵蚀土壤,随降雨强度、降雨能量和前期土壤含水量的增加,径流流速和雷诺数显著增加,弗汝德数无明显变化,Darcy-Weisbach阻力系数显著减小。三种土壤临界径流剪切力、临界水流功率、临界单位水流功率大小关系为,黑土最大,红壤次之,黄土最小。对于三种主要侵蚀土壤,径流流速是最佳的水力学参数,而径流剪切力是最佳的水动力学参数。(5)构建了溅蚀和片蚀预报模型,其模型有效性系数ENS分别达到0.82和0.85,表明模型具有较高的预报精度。
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本文编号：1421222