自由下渗和壤中流条件下黑土区坡面土壤侵蚀特征对比研究

发布时间：2018-12-07 12:05

【摘要】：阐明东北黑土区土壤侵蚀特征,可为黑土区土壤侵蚀防治和黑土资源持续利用提供重要的科学依据。本论文针对东北黑土区土壤侵蚀关键驱动因子研究的不足,采用野外调查、模拟降雨和模拟径流相结合的方法,对比研究了自由下渗和壤中流条件下黑土坡面土壤侵蚀特征,探究了自由下渗和壤中流条件下坡面侵蚀—沉积分布特征,分析了上方汇流汇沙对黑土坡面侵蚀—沉积过程的影响,揭示了两种近地表土壤水文条件下的坡面侵蚀水动力学机理。主要研究结论如下:(1)分析了自由下渗和壤中流条件下雨滴打击对黑土坡面侵蚀的影响。与无雨滴打击试验处理相比,有雨滴打击试验处理下的坡面侵蚀速率在自由下渗和壤中流条件下分别增加了2.7 7.0倍和1.7 3.4倍。自由下渗和壤中流条件下,雨滴打击对坡面侵蚀的贡献分别为72.7% 87.4%和42.4% 70.5%。在有/无雨滴打击处理下,壤中流对坡面侵蚀的贡献分别达到20.8% 69.3%和54.9% 85.5%,且无雨滴打击试验处理下壤中流对坡面侵蚀的贡献大于有雨滴打击试验处理下壤中流对坡面侵蚀的贡献。在有/无雨滴打击处理下,壤中流条件下的坡面平均流速、雷诺数和弗汝德数较自由下渗条件下分别增加了17.5% 33.5%、27.4% 58.4%和12.9% 25.9%;而壤中流条件下的Darcy-Weisbach阻力系数较自由下渗条件下减少了21.5% 37.1%。(2)研究了自由下渗和壤中流条件下降雨强度对黑土坡面侵蚀的影响。随着降雨强度的增加,两种近地表土壤水文条件下的坡面侵蚀速率均随之显著增大。壤中流条件下的坡面侵蚀率是自由下渗条件下的1.7 3.6倍。在50和100 mm h~(-1)降雨强度下,壤中流对坡面侵蚀的贡献分别为41.3% 72.4%和50.8% 69.3%。两种近地表土壤水文条件下,坡面平均流速、雷诺数和弗汝德数均随降雨强度的增加而明显增大,且不同降雨强度下,坡面径流雷诺数的变化比坡面平均流速的变化更加明显;而两种近地表土壤水文条件下Darcy-Weisbach阻力系数则随着降雨强度的增加而减小。与自由下渗条件相比,不同降雨强度下,壤中流条件下的坡面平均流速、雷诺数和弗汝德数分别增加了17.8% 28.5%、27.3% 42.6%和14.3% 23.1%,而壤中流条件下的Darcy-Weisbach阻力系数较自由下渗条件下减少了21.5% 29.9%。(3)剖析了自由下渗和壤中流条件下坡度对黑土坡面侵蚀的影响。两种近地表土壤水文条件下,坡面径流速率、侵蚀速率和径流含沙量均随坡度的增加而增大。在2.5°和5°处理下,壤中流对坡面侵蚀的贡献分别为41.3% 72.4%和50.8% 69.3%。两种近地表土壤水文条件下,坡面平均流速、雷诺数和弗汝德数均随着坡度的增加呈增大趋势,而Darcy-Weisbach阻力系数则呈减小趋势。(4)讨论了自由下渗和壤中流条件下坡面侵蚀—沉积分布特征。自由下渗条件下,在坡度为2.5°处理下,坡面侵蚀状态随坡长的增加由以侵蚀—搬运过程为主转为以侵蚀—沉积过程为主;当坡度增加到5°和10°时,随着降雨强度的增加,坡面侵蚀状态由以侵蚀—沉积过程为主转为以侵蚀—搬运过程为主。壤中流条件下,在2.5°处理下,随着降雨强度的增加,坡面侵蚀状态由以侵蚀—沉积过程为主转为以侵蚀—搬运过程为主。当坡度为5°时,坡面以侵蚀—搬运为主;且随着降雨强度的增加,坡面各坡段净侵蚀速率增大1.7 8.2倍。(5)揭示了自由下渗和壤中流条件下上方汇流汇沙与黑土坡面侵蚀—沉积过程。两种近地表土壤水文条件下,Sd和Sud均随降雨强度和坡度的增加而增大,但是Sd和Sud的增幅在不同近地表土壤水文条件下表现不同。在有雨滴打击的自由下渗条件下,上方汇流汇沙明显影响坡下方的侵蚀—沉积过程。在坡度为2.5°,与坡度为5°和降雨强度为50 mm h~(-1)条件下,随着上方汇流汇沙的增加,坡面侵蚀状态由侵蚀—搬运主导过程转变为侵蚀—沉积主导过程;而在5°和100 mm h~(-1)降雨强度下,随着上方汇流汇沙的增加,坡下方坡面侵蚀状态以侵蚀—搬运过程占主导地位。在无雨滴打击的自由下渗条件下,坡上方汇流汇沙导致坡面侵蚀状态以侵蚀—沉积过程为主。分别建立了自由下渗和壤中流条件下,上方汇流汇沙在坡下方试验土槽引起的侵蚀产沙量与上方汇流量和上方汇流含沙量的关系式。上方汇流汇沙对坡下方侵蚀产沙过程的影响程度受上方汇水流量及其含沙量、降雨强度和坡度的共同作用。同时,坡下方试验土槽接受坡上方汇流后增加了降雨强度和坡度对坡面侵蚀的影响。(6)揭示了自由下渗和壤中流条件下黑土坡面侵蚀的水动力学机理。分别建立了两种近地表土壤水文条件下坡面单宽侵蚀量与径流剪切力、水流功率和单位水流功率的关系式,发现壤中流条件下的临界径流剪切力、临界水流功率和临界单位水流功率较自由下渗条件下分别减小了10.3%、19.2%和14.7%。自由下渗和壤中流条件下,水流功率是最佳的水动力学参数。
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【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】：2017
【分类号】：S157.1

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