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黄土细沟侵蚀过程冲刷试验研究

赵宇  
【摘要】:黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重的区域之一,恶劣的气候及千沟万壑的地形不仅严重破坏了当地的生态环境,而且给黄河下游两岸造成严重威胁。细沟侵蚀是黄土高原极其重要的坡面侵蚀方式。细沟侵蚀是介于面蚀和沟蚀之间的一种侵蚀形式,有着不同于二者的侵蚀特性。细沟侵蚀造成严重的水土流失和土壤退化,尤其在黄土高原地区,已经逐渐成为制约农业可持续发展的主要环境问题之一。为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。他们所采用的方法存在若干不足:第一,受实验条件和方法的局限,前人试验细沟侵蚀中泥沙沿沟长的分布是在不同沟长条件下实验得到细沟出口处的含沙量,并在假定各次实验结果都一致的情况下,将各次不同沟长的结果合并,得到侵蚀产沙随沟长的变化规律,并以此为基础计算所有其他相关的侵蚀参数。实际上可能各次实验条件很难达到完全一致,不仅费时费力而且破坏了细沟侵蚀过程的连续性;第二,采用的土槽长度为8m,在小坡度下,8m长的细沟不足以让径流达到输沙能力。因此本研究采取连续的采样方法及12m长的土槽进行试验,提出了一种改进后模拟细沟侵蚀过程的方法,并与前人的结果进行对比以验证此方法的准确性。本研究采用土槽的规格为3 m×12 m,再将土槽分割为6个规格为0.1 m×12 m的限定性细沟。试验选择三个流量水平,2、4和8 L/min和五个坡度水平,5°、10°、15°、20°和25°,试验过程中同时采集细沟沟长为0.5 m、1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、10m及12m处的含沙水流样,用以分析细沟侵蚀过程,试验结果表明:1)细沟累积侵蚀泥沙量及水流含沙量与细沟沟长的关系可以用指数函数较好的拟合,累积侵蚀量与含沙量随沟长的增加而增加,而增加幅度逐渐变缓,最终达到极值。累积侵蚀量和含沙量的变化趋势在陡坡和大流量下更为明显,且两者极值随着坡度和流量的增大而增大。并且认为黄土细沟侵蚀累积侵蚀量与含沙量在20°-25。之间存在临界坡度。2)通过体积法测得累积侵蚀泥沙量与实测侵蚀泥沙总量的对比,验证了清水回填法测算侵蚀总量的准确性,通过体积法所得含沙量与实测含沙量对比,验证了清水回填法研究侵蚀泥沙沿程分布的准确性及适用性。3)剥蚀率随含沙量的增加呈线性减少,随细沟长度的增加呈指数下降,此规律在陡坡和大流量更加明显。本章同时指出剥蚀率是含沙量,细沟长度,坡度及流量的函数。并将所得数据与前人的结果进行对比,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了本文试验方法准确性,并说明改进后的方法估算剥蚀率准确性较高。4)本研究从土壤剥蚀率的基本定义出发,推导了计算土壤剥蚀率的解析方法,并且将计算得到的细沟水流剥蚀率与相应的试验值进行了对比,对比结果说明解析值与试验值具有高度的一致性,即论证了本章推导解析公式的准确性。为细沟侵蚀剥蚀率的估算提供了一种新的思路。5)水流输沙能力与细沟长度无关,随着坡度和流量的增加而增加,但是流量对于输沙能力的影响大于坡度;黄绵土细沟侵蚀临界沟长范围为17.91-4.41 m。分析了输沙能力与水流功率之间的关系,输沙能力随着水流功率的增大呈对数增加;6)输沙量随着沟长的增加而增加,随着流量和坡度的增加而提高,并且增加到峰值的速率提升;剥蚀率随着沟长的增加而下降,剥蚀率峰值随着流量和坡度的增加而提高,并且下降到最低值(0左右)的速率提升;输沙能力随着坡度和流量的增加而增加;并且输沙量的数值和剥蚀率的数值之和大致与输沙能力的数值相等,说明了当细沟下垫面土壤类型确定,在某一确定坡度和流量下,水流的输沙能力就确定,并且输沙能力其实是水流输沙最大潜力的表征值,在细沟起始段,这个“输沙最大潜力”将大部分能量用于泥沙的剥蚀作用,随着细沟沟长的增加,渐渐地能量从大部分用于剥蚀作用转化为半剥蚀半运输泥沙,到了细沟后半段,大部分能量被用于已剥蚀泥沙的运输。


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