近饱和土壤细沟侵蚀过程及力学机制
发布时间：2021-03-08 23:18
自然条件下,连续的阴雨天气会使耕作层土壤处于浸泡状态,即使是坡耕地土壤也会由于犁底层或弱透水岩层的存在使耕层出现近地表水流（壤中流）,使土壤含水量处于田间持水量与饱和含水量之间的近饱和状态。处于近饱和状态的土壤由于侵蚀敏感性的增强会导致更强烈的侵蚀危害,值得进一步研究。细沟侵蚀作为土壤坡面侵蚀的主要形式之一,是侵蚀泥沙输送的关键途径,国内外学者对其进行了深入的研究与探讨,但对其形成近饱和坡面后侵蚀过程的研究较少关注,更没有系统的理论体系与完善的研究方法。鉴于此,本研究采用室内水流模拟冲刷试验的方法,通过构建土槽供水装置模拟土壤持续处于近饱和状态,系统地研究了近饱和土壤细沟剥蚀过程、输沙过程、侵蚀过程特征,进一步建立了相关过程模型并对比了其与非饱和状态土壤（土壤含水量处于田间持水量以下,土壤颗粒在毛管力或水合作用下处于吸持状态）之间的差异,在此基础上通过WEPP模型中土壤侵蚀产沙数学模型理论,揭示了近饱和与非饱和土壤侵蚀过程中径流与土体之间相互作用的力学机理,明确了近饱和土壤颗粒受力机理及其侵蚀过程中泥沙分布分选、搬运机制。本研究主要得出以下几点结果:（1）近饱和土壤细沟剥蚀率随水流含沙...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
细沟侵蚀（左图来源于百度图片，右图来源于项目实施点实景拍摄）
西南大学博士学位论文182.6材料与方法2.6.1试验材料供试土壤采于重庆市北碚区龙凤溪某坡耕地（29°48′39′′N，106°25′27′′E）（图2-2），属沙溪庙组灰棕紫泥。该地区属亚热带湿润气候，年平均气温18.2℃，年平均降水量1105mm，分布不均匀，大部分降水集中在夏季，占年降水量的70%。试验前对农业活动进行调查，细沟侵蚀多发生在研究区范围内的坡耕地。因此室内模拟冲刷试验填土容重以研究区坡耕地表层土壤容重均值作为参考值，约为1.3gm-3。土壤颗粒组成采用MS2000激光粒度分析仪（英国马尔文公司生产，粒级精度0.01-2000um）分析，粘粒含量13.00%（<0.002mm），粉粒含量33.91%(0.05-0.002mm)，砂粒含量53.09%(>0.05mm)，属于砂壤土，供试土壤基础物理性质见表2-1。正式试验前，将晾晒好的土壤中的草根、石块等进行清除后过10mm筛。2表2-1供试土壤基础理化性质.Table2-1Thephysicochemicalpropertiesofthetestsoil.土壤质地Textureclass粒径分布与百分含量Particlesizeclassification(mm)andfractionalcontent(%)pH有机质SOM（gkg-1）粘粒Clay(<0.002mm)粉粒Silt(0.002-0.05mm)细砂Finesand(0.05-0.25mm)粗砂Coarsesand(>0.25mm)砂壤土Sandyloam13.00±0.2433.91±1.0141.53±1.2511.56±0.197.96±0.023.23±0.04注：所提供的数据是基于三个重复试验的平均值±标准差。Note:Thepresenteddatarepresentthemean±thestandarddeviationandarebasedonthreereplicates.2.6.2试验设计及依据试验选在中国农业大学水利试验大厅进行，采用室内水流冲刷进行限定性细沟模拟实验，共设计3个流量（2、4和8Lmin-1）；4个坡度（5°、10°、15°和20°）；两种土壤状态（近饱和与非饱和状态）；8
西南大学博士学位论文20在隔槽钢板两侧涂上凡士林并黏上相同的供试土壤以尽可能减少因为土槽隔板产生的边界效应。随后在各条细沟土槽内部土工布上方均匀填入供试土壤，填土深度为20.0cm用以模拟耕作层，分4层装填并逐层打毛，填土容重控制在1.3gcm-3，每层填装完毕后均将土壤表面打毛以接近天然糙度。用防水记号笔在挡板上标记好填土位置，以保证重复试验填土的一致性。隔槽钢板侧土壤轻微突起，中间略低，使土壤表面呈浅“U”形，从而消除钢板对水流的导向作用。填土结束后（图2-3a）测定实际填土容重为1.28±0.02gcm-3。5图2-3试验土槽示意图.Fig.2-3Diagrammaticsketchofthetestflume.6图2-4犁底层布设示意图及典型设计图.Fig.2-4Typicalloadingdiagramsofpowpanlayer.2.6.4试验过程与步骤2.6.4.1近饱和状态处理过程近饱和状态处理包系统括一套与土槽相连的供水装置，其工作原理与Huang等[139]学者提出的一致，弱透水层内布设的每根PVC渗流管都连接有一个垂直向的供水管（图2-5）[38]，供水管高度与供试土壤填入高度平齐，依据“U型管”原理，使得当供水管内充满水时，水位a①②①②底部PVC渗流管bab
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of slope gradient on the subsurface water flow velocity of sand layer profile[J]. HAN Zhen,CHEN Xiao-yan,HUANG Yu-han,LUO Bang-lin,XING Hang,HUANG Yong-chao. Journal of Mountain Science. 2020(03)
[2]含岩屑紫色土水分扩散规律[J]. 李江文,冉卓灵,韩珍,曾蔓漫,魏朝富. 水土保持学报. 2020(01)
[3]含水率对非饱和砂土抗剪强度影响试验研究[J]. 曹志翔,韩宪东,赵素华,宋新伟,龚超凡. 河南理工大学学报(自然科学版). 2019(05)
[4]褐土和棕壤坡耕地细沟侵蚀过程及侵蚀产沙特征[J]. 吕刚,刘雅卓,陈鸿,李海茹,傅昕阳,汤家喜,苏畅. 水土保持学报. 2019(03)
[5]陕北子洲“7·26”暴雨后坡耕地细沟侵蚀及其影响因素分析[J]. 王颢霖,焦菊英,唐柄哲,陈一先,白雷超,王楠,张意奉. 农业工程学报. 2019(11)
[6]基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究[J]. 吴淑芳,刘勃洋,雷琪,孙立全,郭慧莉,冯喆,钱阔. 农业工程学报. 2019(09)
[7]径流驱动土壤分离过程的影响因素及机制研究进展[J]. 张冠华,胡甲均. 水科学进展. 2019(02)
[8]黄土丘陵沟壑区不同植被类型次降雨产流产沙特征[J]. 朱燕琴,赵志斌,齐广平,康燕霞. 草地学报. 2019(01)
[9]基于无量纲水流强度指标的坡面流输沙能力计算方法[J]. 高晨烨,张宽地,杨明义. 农业工程学报. 2018(17)
[10]坡长对离石黄土坡面径流含沙量影响的模拟降雨研究[J]. 姚璟,付兴涛. 应用基础与工程科学学报. 2018(03)
博士论文
[1]黑土区坡耕地土壤侵蚀对土壤有机碳流失的影响研究[D]. 姜义亮.西北农林科技大学 2019
[2]融冻深度影响下黑土坡耕地土壤侵蚀机理与模型研究[D]. 陈超.中国农业大学 2019
[3]高海拔寒区融冻坡面水动力特征与侵蚀过程研究[D]. 班云云.中国农业大学 2019
[4]径流-渗流耦合作用下降雨型滑坡稳定性分析研究[D]. 张岩岩.重庆大学 2018
[5]基于不同侵蚀动力因子的浅沟侵蚀过程与浅沟水流数值模拟[D]. 徐锡蒙.西北农林科技大学 2018
[6]黄土地区细沟水流分离输沙过程研究[D]. 申楠.西北农林科技大学 2018
[7]土壤入渗与优先流测量方法研究[D]. 张婧.中国农业大学 2017
[8]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[D]. 卢嘉.西北农林科技大学 2017
[9]陡坡地水蚀过程与泥沙搬运机制[D]. 王玲.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心 2016
[10]化学物质对土壤团聚体稳定性及其它物理性状的影响[D]. 徐爽.西北农林科技大学 2015
硕士论文
[1]饱和与非饱和黄绵土细沟侵蚀特征对比研究[D]. 邢行.西南大学 2019
[2]不同工程堆积体坡面水蚀过程及泥沙颗粒搬运机制研究[D]. 杨帅.中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心) 2018
[3]基于正交设计的细沟侵蚀室内模拟试验研究[D]. 李军鹏.兰州大学 2016
[4]紫色土侵蚀细沟输沙、剥蚀过程及与黄绵土的对比研究[D]. 黄钰涵.西南大学 2016
[5]紫色土细沟侵蚀输沙能力研究[D]. 丁琳桥.西南大学 2016
[6]紫色土细沟侵蚀水动力学特征及与黄绵土对比研究[D]. 罗帮林.西南大学 2016
[7]降雨驱动下侵蚀泥沙颗粒分选特征及搬运机制[D]. 王剑.华中农业大学 2015
[8]黄土细沟侵蚀径流水动力学特性研究[D]. 米宏星.西南大学 2015
[9]黄土细沟侵蚀过程冲刷试验研究[D]. 赵宇.西南大学 2015
[10]降雨诱发的滑坡作用机制研究[D]. 吴仁铣.中南大学 2013
本文编号：3071832
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
细沟侵蚀（左图来源于百度图片，右图来源于项目实施点实景拍摄）
西南大学博士学位论文182.6材料与方法2.6.1试验材料供试土壤采于重庆市北碚区龙凤溪某坡耕地（29°48′39′′N，106°25′27′′E）（图2-2），属沙溪庙组灰棕紫泥。该地区属亚热带湿润气候，年平均气温18.2℃，年平均降水量1105mm，分布不均匀，大部分降水集中在夏季，占年降水量的70%。试验前对农业活动进行调查，细沟侵蚀多发生在研究区范围内的坡耕地。因此室内模拟冲刷试验填土容重以研究区坡耕地表层土壤容重均值作为参考值，约为1.3gm-3。土壤颗粒组成采用MS2000激光粒度分析仪（英国马尔文公司生产，粒级精度0.01-2000um）分析，粘粒含量13.00%（<0.002mm），粉粒含量33.91%(0.05-0.002mm)，砂粒含量53.09%(>0.05mm)，属于砂壤土，供试土壤基础物理性质见表2-1。正式试验前，将晾晒好的土壤中的草根、石块等进行清除后过10mm筛。2表2-1供试土壤基础理化性质.Table2-1Thephysicochemicalpropertiesofthetestsoil.土壤质地Textureclass粒径分布与百分含量Particlesizeclassification(mm)andfractionalcontent(%)pH有机质SOM（gkg-1）粘粒Clay(<0.002mm)粉粒Silt(0.002-0.05mm)细砂Finesand(0.05-0.25mm)粗砂Coarsesand(>0.25mm)砂壤土Sandyloam13.00±0.2433.91±1.0141.53±1.2511.56±0.197.96±0.023.23±0.04注：所提供的数据是基于三个重复试验的平均值±标准差。Note:Thepresenteddatarepresentthemean±thestandarddeviationandarebasedonthreereplicates.2.6.2试验设计及依据试验选在中国农业大学水利试验大厅进行，采用室内水流冲刷进行限定性细沟模拟实验，共设计3个流量（2、4和8Lmin-1）；4个坡度（5°、10°、15°和20°）；两种土壤状态（近饱和与非饱和状态）；8
西南大学博士学位论文20在隔槽钢板两侧涂上凡士林并黏上相同的供试土壤以尽可能减少因为土槽隔板产生的边界效应。随后在各条细沟土槽内部土工布上方均匀填入供试土壤，填土深度为20.0cm用以模拟耕作层，分4层装填并逐层打毛，填土容重控制在1.3gcm-3，每层填装完毕后均将土壤表面打毛以接近天然糙度。用防水记号笔在挡板上标记好填土位置，以保证重复试验填土的一致性。隔槽钢板侧土壤轻微突起，中间略低，使土壤表面呈浅“U”形，从而消除钢板对水流的导向作用。填土结束后（图2-3a）测定实际填土容重为1.28±0.02gcm-3。5图2-3试验土槽示意图.Fig.2-3Diagrammaticsketchofthetestflume.6图2-4犁底层布设示意图及典型设计图.Fig.2-4Typicalloadingdiagramsofpowpanlayer.2.6.4试验过程与步骤2.6.4.1近饱和状态处理过程近饱和状态处理包系统括一套与土槽相连的供水装置，其工作原理与Huang等[139]学者提出的一致，弱透水层内布设的每根PVC渗流管都连接有一个垂直向的供水管（图2-5）[38]，供水管高度与供试土壤填入高度平齐，依据“U型管”原理，使得当供水管内充满水时，水位a①②①②底部PVC渗流管bab
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of slope gradient on the subsurface water flow velocity of sand layer profile[J]. HAN Zhen,CHEN Xiao-yan,HUANG Yu-han,LUO Bang-lin,XING Hang,HUANG Yong-chao. Journal of Mountain Science. 2020(03)
[2]含岩屑紫色土水分扩散规律[J]. 李江文,冉卓灵,韩珍,曾蔓漫,魏朝富. 水土保持学报. 2020(01)
[3]含水率对非饱和砂土抗剪强度影响试验研究[J]. 曹志翔,韩宪东,赵素华,宋新伟,龚超凡. 河南理工大学学报(自然科学版). 2019(05)
[4]褐土和棕壤坡耕地细沟侵蚀过程及侵蚀产沙特征[J]. 吕刚,刘雅卓,陈鸿,李海茹,傅昕阳,汤家喜,苏畅. 水土保持学报. 2019(03)
[5]陕北子洲“7·26”暴雨后坡耕地细沟侵蚀及其影响因素分析[J]. 王颢霖,焦菊英,唐柄哲,陈一先,白雷超,王楠,张意奉. 农业工程学报. 2019(11)
[6]基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究[J]. 吴淑芳,刘勃洋,雷琪,孙立全,郭慧莉,冯喆,钱阔. 农业工程学报. 2019(09)
[7]径流驱动土壤分离过程的影响因素及机制研究进展[J]. 张冠华,胡甲均. 水科学进展. 2019(02)
[8]黄土丘陵沟壑区不同植被类型次降雨产流产沙特征[J]. 朱燕琴,赵志斌,齐广平,康燕霞. 草地学报. 2019(01)
[9]基于无量纲水流强度指标的坡面流输沙能力计算方法[J]. 高晨烨,张宽地,杨明义. 农业工程学报. 2018(17)
[10]坡长对离石黄土坡面径流含沙量影响的模拟降雨研究[J]. 姚璟,付兴涛. 应用基础与工程科学学报. 2018(03)
博士论文
[1]黑土区坡耕地土壤侵蚀对土壤有机碳流失的影响研究[D]. 姜义亮.西北农林科技大学 2019
[2]融冻深度影响下黑土坡耕地土壤侵蚀机理与模型研究[D]. 陈超.中国农业大学 2019
[3]高海拔寒区融冻坡面水动力特征与侵蚀过程研究[D]. 班云云.中国农业大学 2019
[4]径流-渗流耦合作用下降雨型滑坡稳定性分析研究[D]. 张岩岩.重庆大学 2018
[5]基于不同侵蚀动力因子的浅沟侵蚀过程与浅沟水流数值模拟[D]. 徐锡蒙.西北农林科技大学 2018
[6]黄土地区细沟水流分离输沙过程研究[D]. 申楠.西北农林科技大学 2018
[7]土壤入渗与优先流测量方法研究[D]. 张婧.中国农业大学 2017
[8]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[D]. 卢嘉.西北农林科技大学 2017
[9]陡坡地水蚀过程与泥沙搬运机制[D]. 王玲.中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心 2016
[10]化学物质对土壤团聚体稳定性及其它物理性状的影响[D]. 徐爽.西北农林科技大学 2015
硕士论文
[1]饱和与非饱和黄绵土细沟侵蚀特征对比研究[D]. 邢行.西南大学 2019
[2]不同工程堆积体坡面水蚀过程及泥沙颗粒搬运机制研究[D]. 杨帅.中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心) 2018
[3]基于正交设计的细沟侵蚀室内模拟试验研究[D]. 李军鹏.兰州大学 2016
[4]紫色土侵蚀细沟输沙、剥蚀过程及与黄绵土的对比研究[D]. 黄钰涵.西南大学 2016
[5]紫色土细沟侵蚀输沙能力研究[D]. 丁琳桥.西南大学 2016
[6]紫色土细沟侵蚀水动力学特征及与黄绵土对比研究[D]. 罗帮林.西南大学 2016
[7]降雨驱动下侵蚀泥沙颗粒分选特征及搬运机制[D]. 王剑.华中农业大学 2015
[8]黄土细沟侵蚀径流水动力学特性研究[D]. 米宏星.西南大学 2015
[9]黄土细沟侵蚀过程冲刷试验研究[D]. 赵宇.西南大学 2015
[10]降雨诱发的滑坡作用机制研究[D]. 吴仁铣.中南大学 2013
本文编号：3071832
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