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黄土坡地地表糙度特征及其对入渗、产流产沙的影响研究

赵龙山  
【摘要】:在坡耕地上,地表糙度是由耕作及日常管理活动形成的地表起伏,由于它对土壤入渗、坡面产流与产沙具有一定的影响,故它是当前坡地水文学和土壤侵蚀学研究的热点问题之一。本研究在总结前人研究成果的基础上,选择人们在农业生产中普遍采用的掏挖(又称点种)、等高耕作等主要耕作措施在坡耕地上形成的地表糙度为研究对象,通过室内人工模拟降雨试验的研究方法,综合应用土壤侵蚀学、数学、土壤学、水文学和三维激光扫描技术、GIS技术等理论知识、技术和方法对地表糙度特征及其在水蚀过程中的作用进行了研究。研究内容包括:地表糙度的特征,地表糙度对坡面入渗过程的影响、地表糙度对坡面产流和产沙的影响、粗糙坡面产流曲线模拟等。主要结果如下:1.与整平坡面相比,耕作措施改变了地表土壤的空间结构,增加了地表糙度的空间异质性。锄耕、掏挖和等高耕作措施下地表糙度具有多分形特征,分形维数D分别为2.79、2.72和2.87,渡越长度L分别为1.09、1.03和1.01。地表糙度越大的坡面,分形维数和空间变异性也越大,渡越长度却越小。2.初始地表糙度特征对降雨侵蚀作用下地表糙度的变化方向(增大或减小)和变化幅度具有影响。在粗糙坡面,地表糙度随着累计降雨量的增加而降低,二者呈显著的幂函数关系(P0.05)。地表糙度在前20 mm累计降雨量内的累计变化量最大,约占总变化量的20%-40%。随着降雨历时的延长,后续降雨侵蚀作用对地表糙度大小的影响能力降低,但是对空间特征的影响仍然较大;其次,地表糙度具有空间变异性,故它的变化与其所在坡位密切相关。在不同坡位上,地表糙度的形态特征具有一定差异,这种差异会造成地表糙度对降雨和径流侵蚀作用的响应不同,从而导致它具有不同的变化特征和规律。3.地表糙度对入渗锋面变化的影响较大。在粗糙坡面上,垂直于坡面的方向上入渗呈现从非均匀到均匀过渡的变化特征。但是,随着入渗锋面深度的增加,影响减小,故与整平坡面相比,在粗糙坡面上入渗率随着深度的增加降低较明显。总体而言,粗糙坡面上降雨入渗率较整平坡面平均提高10%以上。4.地表糙度对坡面产流、产沙过程具有影响。与整平坡面相比,粗糙坡面上径流产生时间平均晚10 min左右。在产流初始阶段,粗糙坡面上径流量较整平坡面低。但是,随着降雨历时的延长,粗糙坡面与整平坡面之间、粗糙坡面之间径流量差异降低。对于坡面侵蚀产沙也具有与径流量相似的特征。可见,糙度大小对径流产沙的影响与降雨历时有关。此外,坡度和降雨强度对地表糙度影响坡面产流、产沙的能力具有消减作用。5.来自粗糙坡面上泥沙中粗颗粒(50μm)含量较整平坡面低。随着降雨历时的延长,粗糙坡面与整平坡面泥沙中粗颗粒含量都降低,细颗粒的含量增加。对比整平坡面与粗糙坡面泥沙颗粒分布的变化发现,在降雨过程中粗糙坡面泥沙中细颗粒的含量变化较整平坡面明显。此外,降雨强度,上方来水与来沙会降低地表糙度对泥沙颗粒分布的影响能力。6.在耕作条件下,凸地和洼地是地表糙度的基本构成元素。在产流过程中,洼地积水造成径流延缓,凸地通过分散径流,延长径流路径的方式延缓径流。本研究以洼地和凸地为例,建立了以降雨强度I,平均流速vm和洼地积水时间TPi等为主要参数建立坡面产流计算模型。对模拟结果与实测结果进行比较分析表明,该模型能够较好的反映糙度对坡面产流的影响,为人们深入理解地表糙度影响坡面产流机理提供了新的方法。


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