黄土坡面细沟发育与形态特征研究

发布时间：2020-07-14 21:31

【摘要】：坡面细沟发育不但造成严重的土壤流失,且其塑造的侵蚀形态对坡面径流侵蚀动力机制有重要影响,反过来又对坡面侵蚀过程产生影响。因此,研究坡面细沟发育与形态特征对揭示坡面土壤侵蚀本质有重要意义,也为侵蚀预报模型建立提供理论依据。本论文基于模拟降雨试验与野外监测相结合的试验方法,研究了黄土坡面细沟网发育过程,量化了细沟形态特征,分析了细沟侵蚀与形态特征的关系,构建了坡面细沟侵蚀预报方程,剖析了降雨和地形因子对细沟侵蚀及其形态特征的影响,基于雨滴打击对细沟侵蚀的作用贡献修正了WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型的侵蚀泥沙连续方程,构建了坡面侵蚀预报过程模型。主要研究结论如下:(1)分析了黄土坡面细沟网发育过程。以跌坎作为细沟发生的标志,分析了跌坎宽度和深度的变化,跌坎宽度多为2~8 cm,平均值为5.0 cm,跌坎深度多为2~6 cm,平均值为4.4 cm。基于细沟分布密度、细沟间距离、细沟分叉数和合并点数等指标,定量分析了坡面细沟网发育特征,并与野外细沟网发育特征进行了对比。细沟网发育过程中,细沟分布密度、细沟间距离、细沟分叉数和合并点数平均值分别为4.0条m 2、38.6 cm、1.5条m 2和1.1个m 2。在时间尺度上,随着细沟网的发育,细沟分布密度基本表现为先增加后减小的变化趋势,细沟间距离则逐渐减小,细沟分叉数和合并点数基本呈增加的趋势;在空间分布上,细沟分布密度、细沟分叉数和合并点数总体表现为随着坡长的增加呈先增加后减小的变化,而细沟间距离基本呈先减小后增加的趋势。模拟试验条件下的细沟网发育特征与野外细沟网发育特征基本类似。(2)量化了黄土坡面细沟形态特征。选取细沟倾斜度、细沟密度、细沟割裂度和细沟复杂度等细沟形态特征指标,剖析了黄土坡面细沟形态特征的时空变化,提出了最佳细沟形态特征指标。细沟倾斜度、细沟密度、细沟割裂度和细沟复杂度随细沟网的发育基本呈增加的趋势,细沟倾斜度多介于15°~25°,细沟复杂度小于1.5,细沟割裂度的增加幅度明显大于细沟密度的增加幅度。随着坡长的增加,细沟倾斜度总体呈现波动减小的变化趋势,细沟密度和细沟割裂度皆呈先增加后减小的变化,细沟复杂度的变化趋势不明显。细沟割裂度是表征坡面细沟网发育的最佳形态特征指标,基于细沟割裂度指标所构建的细沟侵蚀预报方程具有较高的预报精度。(3)剖析了雨滴打击对黄土坡面细沟侵蚀及其形态特征的影响。消除雨滴打击,细沟侵蚀量可减少20.2%~38.6%,坡面侵蚀量可减少28.1%~47.7%,且细沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献率增加。随着降雨强度的增加,雨滴打击对细沟侵蚀的作用增加。同时,雨滴打击也间接影响坡面细沟形态,具体表现为消除雨滴打击,细沟宽度和深度的变异程度减小,细沟沟槽更为规则;细沟密度、细沟割裂度、细沟倾斜度和细沟宽深比皆减小;说明消除雨滴打击作用可使坡面破碎程度、细沟侵蚀强度以及细沟在水平方向的延展性等减小。(4)探究了黄土坡面细沟侵蚀水动力学机制对雨滴打击作用的响应。消除雨滴打击,细沟水流流速、雷诺数和弗汝德数分别减小33.3%~47.6%、23.0%~51.2%和34.7%~51.3%,而Darcy-Weisbach阻力系数则显著增加。分别建立了单宽细沟侵蚀量与细沟水流剪切力、水流功率、单位水流功率的关系式,发现消除雨滴打击,临界细沟水流剪切力、临界水流功率和临界单位水流功率分别减小38.2%、85.3%和80.6%。细沟水流流速是表征细沟发育及其形态特征的最佳水力学参数,而水流功率是最佳的水动力学参数。(5)修正了WEPP模型的侵蚀泥沙连续方程,构建了黄土坡面侵蚀预报过程模型。基于雨滴打击对细沟侵蚀的作用贡献,修正了WEPP模型侵蚀泥沙连续方程中的细沟侵蚀模块,即当细沟发育以剥离为主时,在WEPP细沟侵蚀模块中嵌入了降雨强度参数,充分体现了降雨对细沟侵蚀的影响作用。构建了黄土坡面侵蚀预报过程模型,且模型具有较高的预报精度,模型有效性系数达0.89。
【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】：S157.1

【参考文献】