黄河中游多沙粗沙区坡面土壤侵蚀动力学过程试验研究

【摘要】： 地处黄河中游的多沙粗沙区是黄土高原侵蚀最严重的地区也是对黄河安全威胁最大的粗泥沙的主要来源地。但因黄河流域环境的多样性和区域环境组合的复杂性,使得一些跨学科的侵蚀产沙动力问题还存在很大的分歧。因此,研究该区的土壤侵蚀水文水力学特性及水动力学过程和机理,对于寻求有效治理对策、实现可持续发展具有重要的理论和实践意义。 本论文在分析以往野外调查观测资料的基础上,采用室内人工模拟降雨试验的方法,对不同坡度及不同雨强条件下的多沙粗沙区沙黄土坡面薄层水流侵蚀动力学过程进行了模拟试验研究,分析了坡面侵蚀产沙过程和机理、坡面薄层水流水力学特性和坡面下坡位侵蚀过程,取得的主要研究结果如下: 1.基于对沙黄土坡面侵蚀的产流过程、产沙过程、水沙关系的分析,研究了坡面侵蚀变化过程,主要结论如下:(1)坡面径流率随降雨过程的持续表现为先逐渐增大后逐步稳定的变化趋势,其相关关系可用对数函数描述;坡面径流深与降雨强度及坡度皆呈正相关关系,均可用幂函数描述;坡面径流深随雨强和坡度的变化可用二元线性方程描述,降雨强度对径流深的影响大于坡度的影响;(2)坡面侵蚀率随降雨历时的变化趋势可用对数线性组合方程描述,开始降雨后的4-5分钟左右,是侵蚀率随降雨过程变化的转折点;坡面侵蚀模数与降雨强度及坡度皆呈正相关关系,分别可用指数函数方程、对数函数方程描述;侵蚀模数随雨强和坡度的变化可用二元幂函数方程描述,坡度对侵蚀模数的影响略大于降雨强度的影响;(3)同坡度不同降雨强度、同雨强不同坡度、不同雨强及坡度条件下,坡面侵蚀模数都随坡面径流深的增加而增大,两者呈显著的正相关关系,分别可用幂函数方程、线性方程、线性方程来描述。 2.基于对坡面薄层水流流速、平均水深、雷诺数、佛汝德数及阻力系数的分析,探讨了坡面薄层水流水力学特性,主要结论如下:(1)坡面薄层水流流速变化过程表现为随径流历时的增加而增大,可用对数方程描述。降雨5分钟左右是流速随降雨过程变化的转折点,递增速率由快转慢。流速与雨强及坡度皆呈正相关关系;(2)坡面薄层水流的平均水深随降雨强度的增加整体呈平稳增长趋势,其变化过程均可用幂函数方程描述;平均水深随坡度的增加而减小,其变化趋势可用直线方程描述;平均水深随雨强和坡度的变化可用二元幂函数方程很好的描述;(3)雷诺数随降雨历时的持续呈递增趋势,雨强对雷诺数的影响较大,而坡度对雷诺数的影响并不显著,试验中薄层水流处于层流失稳状态;佛汝德数随降雨历时的增加而增大,坡度对佛汝德数的影响较雨强为显著,试验中薄层水流基本处于急流状态;(4)坡面薄层水流阻力系数随降雨过程的持续表现为先递减后逐渐趋于平稳的趋势。阻力系数与坡度呈负相关关系,但随雨强的变化趋势并不显著。平均阻力系数随坡度及雨强的递增而整体表现出递减的趋势,其相关关系可用二元幂函数方程描述。 3.基于对水流切应力、水流功率、单位水流功率及断面单位能量与坡面侵蚀模数相关关系的分析,阐明了坡面侵蚀过程的动力学机理,结论如下:坡面侵蚀模数与水流切应力、水流功率、单位水流功率及断面单位能量皆呈正相关关系,均可用线性方程描述。分析结果显示,断面单位能量是描述坡面侵蚀对水动力学参数响应关系最好的水动力学指标,对应的试验条件下的土壤可蚀性系数为3.1604g/cm,临界平均断面单位能量为0.0243cm。 4.基于对下坡位侵蚀过程的分析,探讨了坡面上坡位汇流输沙与下坡位产流对下坡位侵蚀的影响及其贡献,主要结论如下:(1)坡面下坡位侵蚀率随降雨过程的持续大小交错,上下波动,时段累积侵蚀模数随降雨过程的变化可用线性方程描述;(2)坡面下坡位侵蚀模数与雨强及坡度总体上均分别呈正相关关系,但存在着波动起伏和大小交错现象,皆可用对数函数方程描述。下坡位侵蚀模数随雨强和坡度的变化可用二元线性方程描述,雨强对下坡位侵蚀模数的影响远大于坡度的影响;(3)坡面下坡位侵蚀模数对坡面上坡位汇流和下坡位产流与坡面上坡位径流输沙的响应关系可用二元线性方程描述,其中前者与下坡位侵蚀成正相关关系,贡献率为56.9%,后者与下坡位侵蚀呈负相关关系,贡献率为25.4%,挟沙水流在坡面下坡位侵蚀过程中,水的作用显著大于沙的作用,水流含沙量越小,越容易引起下坡位侵蚀。采取水土保持措施减少坡面上坡位汇流,增加降雨就地入渗可以有效地改善坡面下坡位的土壤侵蚀。