坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及動力學(xué)過程的坡長效應(yīng)研究.pdf

1、坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及動力學(xué)過程的研究是揭示坡面侵蝕產(chǎn)沙機理的突破點，是泥沙運動力學(xué)、土壤侵蝕和水土保持學(xué)中亟待解決的基礎(chǔ)問題。探明不同土地利用方式下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及水動力學(xué)過程的坡長效應(yīng)，揭示室內(nèi)與野外產(chǎn)流模數(shù)及土壤侵蝕模數(shù)的對應(yīng)轉(zhuǎn)化規(guī)律，將為紅壤丘陵區(qū)坡面水土流失的預(yù)測及治理提供一定的科學(xué)依據(jù)。
　　 本文在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對兩大主攻問題分十個章節(jié)進行了探討和研究。第一個問題主要探討了南方紅壤區(qū)坡耕地、經(jīng)濟林

2、地及裸坡地三種主要土地利用方式的土壤侵蝕強度及隨坡長的變化特征;第二個問題重點揭示了室內(nèi)模擬試驗結(jié)果與野外實地水土流失情況的差異性，并求解出換算系數(shù)。針對第一個問題，設(shè)置5個不同的坡長及5個不同的雨強，采用人工模擬降雨的方法(共降雨164場，其中有效降雨150場)，探討三種土地利用方式下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及動力學(xué)過程的坡長效應(yīng)，以及水動力學(xué)參數(shù)與侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對比分析了三種土地利用方式下坡面侵蝕強度大小及隨坡長的變化規(guī)律

3、。針對第二個問題，對應(yīng)于野外裸坡試驗，配以室內(nèi)裸坡地徑流侵蝕產(chǎn)沙及動力學(xué)過程的坡長效應(yīng)研究(室內(nèi)共降雨30場，其中有效降雨30場)，將室內(nèi)外裸坡面試驗結(jié)果進行對比分析，求解出室內(nèi)與野外產(chǎn)流模數(shù)及土壤侵蝕模數(shù)的換算系數(shù)，以期通過室內(nèi)模擬試驗結(jié)果乘以換算系數(shù)得到更加科學(xué)準確的野外實地水土流失預(yù)測值，從而合理配置水土保持措施。主要得出如下研究結(jié)果:
　　 1.不同土地利用方式下坡面土壤侵蝕強度分析
　　 以經(jīng)濟林坡地、坡耕地、

4、裸坡地為對象，研究了三種土地利用方式下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙過程，在對比分析三種土地利用方式下坡面次降雨土壤侵蝕模數(shù)的基礎(chǔ)上，主要得出如下結(jié)論:相同降雨條件下坡面侵蝕強度從大到小排序為:坡耕地＞裸坡地＞經(jīng)濟林地;坡耕地隨雨強增大侵蝕模數(shù)增量最大增速最快，裸坡地次之，經(jīng)濟林地最小;雨強30～120mm/h時，侵蝕模數(shù)隨坡長每延長2m增速大小順序為坡耕地＞裸坡地＞經(jīng)濟林地，雨強150mm/h時，其順序為經(jīng)濟林地＞坡耕地＞裸坡地;雨強對于侵蝕模數(shù)的

5、影響均大于坡長。
　　 2.坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙動力學(xué)過程分析以坡面薄層水流流速為初始測量值，計算出表現(xiàn)徑流動力學(xué)過程的參數(shù)，進而分析了坡面薄層徑流的流態(tài)、徑流剪切力與坡長的關(guān)系、徑流深與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系以及水動力學(xué)參數(shù)對于坡面產(chǎn)沙量的影響效應(yīng)。結(jié)果表明:三種土地利用方式下坡面徑流剪切力隨坡長的延長整體上呈增大趨勢;土壤侵蝕模數(shù)與徑流深的關(guān)系可用冪函數(shù)進行表達(R2＞0.85);坡長2～10m，雨強30～150mm/h時，三種土地

6、利用方式下，坡面徑流紊動性隨著雨強的增大及坡長的延長而增強，但均屬于層流范疇，且為緩流，只有雨強150mm/h時，裸坡地坡面徑流變?yōu)榧绷?裸坡地試驗表明，徑流深、雷諾數(shù)、佛汝德數(shù)、剪切力及流速與產(chǎn)沙量在0.01水平上呈極顯著正相關(guān)，雷諾數(shù)與產(chǎn)沙量的相關(guān)性最大，說明徑流流態(tài)對于坡面薄層水流侵蝕力有顯著影響。
　　 3.紅壤區(qū)三種土地利用方式對應(yīng)的侵蝕性降雨臨界雨強
　　 以雨強和坡長為變量，研究了不同雨強下三種土地利用方式

7、坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的坡長效應(yīng)，揭示了不同土地利用方式下坡面侵蝕性臨界雨強。結(jié)果表明:坡耕地由于人為擾動影響，裸坡地由于表面土壤裸露，二者對于雨強的敏感程度大于經(jīng)濟林地，60mm/h雨強是坡耕地及裸坡地水土流失加劇的臨界雨強，當雨強大于60mm/h時，應(yīng)要加大坡面水土保持防治力度;經(jīng)濟林地由于林冠截留、林下地表覆蓋等原因，當雨強大于90mm/h時坡面水土流失量明顯增大，是水土保持需檢測的重點，應(yīng)加強該林地坡面排水設(shè)施的建設(shè)，且注意林下地表面

8、植被的維護與更新，以減少徑流對土表的直接擊濺及沖刷。
　　 4.紅壤區(qū)三種土地利用方式下坡面水土保持工程措施布設(shè)的臨界坡長
　　 從水土保持措施布設(shè)的實用性思考，通過探討三種土地利用方式下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的坡長效應(yīng)，揭示出不同土地利用方式的水土保持措施布設(shè)的臨界坡長。結(jié)果表明:三種土地利用方式下坡面徑流量及產(chǎn)沙量總體上均隨著坡長的延長呈增大趨勢，但坡長每延長相同長度時，產(chǎn)流產(chǎn)沙量并非呈等差或等比趨勢增加，而是在坡長延長到

9、某個長度時坡面水土流失量有緩解的現(xiàn)象，鑒于此，研究建議種植經(jīng)濟林時以4～6m為凈行間距，并設(shè)置水平溝或者水平階，截短徑流流線，能有效減緩坡面水土流失;在坡耕地坡面上，可每隔4m設(shè)置山坡截流溝，消減徑流沖刷動力，強化降雨就地入滲或攔蓄的同時，將水匯集于坡面蓄水工程用于灌溉農(nóng)田，也可以種植植物籬，一方面可防止水土流失導(dǎo)致的土壤粗化及土地生產(chǎn)力下降，還可以作為綠肥還田來增加土壤有機質(zhì)含量、減少化肥用量及改善土壤水分狀況等;而對于裸露坡面的水土

10、流失治理，可以4～6m為步長設(shè)置水土保持植被或者工程措施。
　　 5.室內(nèi)與野外土壤侵蝕模數(shù)與產(chǎn)流模數(shù)的換算系數(shù)求解
　　 在野外裸坡面侵蝕產(chǎn)沙試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，配以相似比例的室內(nèi)裸坡面侵蝕產(chǎn)沙過程的人工模擬降雨試驗，通過對比分析室內(nèi)與野外試驗數(shù)據(jù)，揭示出室內(nèi)外裸坡面產(chǎn)沙量及徑流量不按面積比例呈倍數(shù)的關(guān)系，室內(nèi)試驗結(jié)果遠大于野外實地試驗結(jié)果，二者存在一定的比例關(guān)系。鑒于此，本研究選用土壤侵蝕模數(shù)與產(chǎn)流模數(shù)為參數(shù)，運用概率

11、統(tǒng)計的比值權(quán)重數(shù)學(xué)分析方法，求解出了室內(nèi)與野外侵蝕模數(shù)與產(chǎn)流模數(shù)的換算系數(shù)，分別為0.86、0.63。
　　 本論文的創(chuàng)新點主要包括以下三個方面:
　　 1.求解出了室內(nèi)與野外產(chǎn)流模數(shù)及土壤侵蝕模數(shù)的換算系數(shù)，提出試驗條件下室內(nèi)的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)與野外的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)轉(zhuǎn)換的一種方法
　　 模型模擬試驗是侵蝕產(chǎn)沙研究的重要方法，室內(nèi)按一定比例尺縮小的物理模型試驗結(jié)果能否在實際中正確運用是目前需攻克的難點，為此

12、，本文采用室內(nèi)外不同雨強和不同坡長下的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)的比值權(quán)重計算法，求解出室內(nèi)與野外產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)的換算系數(shù)，提出試驗條件下室內(nèi)的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)與野外的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)轉(zhuǎn)換的一種方法，以期將室內(nèi)試驗得出的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)乘以換算系數(shù)來客觀地預(yù)測野外實際水土流失量。
　　 2.提出了不同土地利用方式下水土流失防治的臨界坡長及雨強
　　 針對浙江省低丘緩坡主要以經(jīng)濟林地、坡耕地及裸坡地為主的利用特點，展開了

13、坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙隨坡長變化規(guī)律的研究，應(yīng)用水動力學(xué)原理，探索水動力學(xué)特征值與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系，并提出了不同土地利用方式下水土保持措施布設(shè)的臨界坡長，水土保持需重點檢測的臨界雨強。
　　 3.揭示了坡長增量相等時，產(chǎn)流產(chǎn)沙量的非等差增加的變化規(guī)律
　　 坡長效應(yīng)研究是坡面水土保持工程措施布設(shè)的基礎(chǔ)，就此實用目的，開展了室內(nèi)外變坡長的人工模擬降雨條件下的侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬試驗，分析了坡面薄層徑流侵蝕產(chǎn)沙的坡長效應(yīng)，揭示了坡長每增