坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及動(dòng)力學(xué)過(guò)程的坡長(zhǎng)效應(yīng)研究.pdf

1、坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究是揭示坡面侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理的突破點(diǎn)，是泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、土壤侵蝕和水土保持學(xué)中亟待解決的基礎(chǔ)問(wèn)題。探明不同土地利用方式下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及水動(dòng)力學(xué)過(guò)程的坡長(zhǎng)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(duì)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(cè)及治理提供一定的科學(xué)依據(jù)。
　　 本文在系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩大主攻問(wèn)題分十個(gè)章節(jié)進(jìn)行了探討和研究。第一個(gè)問(wèn)題主要探討了南方紅壤區(qū)坡耕地、經(jīng)濟(jì)林

2、地及裸坡地三種主要土地利用方式的土壤侵蝕強(qiáng)度及隨坡長(zhǎng)的變化特征;第二個(gè)問(wèn)題重點(diǎn)揭示了室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果與野外實(shí)地水土流失情況的差異性，并求解出換算系數(shù)。針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，設(shè)置5個(gè)不同的坡長(zhǎng)及5個(gè)不同的雨強(qiáng)，采用人工模擬降雨的方法(共降雨164場(chǎng)，其中有效降雨150場(chǎng))，探討三種土地利用方式下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及動(dòng)力學(xué)過(guò)程的坡長(zhǎng)效應(yīng)，以及水動(dòng)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(duì)比分析了三種土地利用方式下坡面侵蝕強(qiáng)度大小及隨坡長(zhǎng)的變化規(guī)律

3、。針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，對(duì)應(yīng)于野外裸坡試驗(yàn)，配以室內(nèi)裸坡地徑流侵蝕產(chǎn)沙及動(dòng)力學(xué)過(guò)程的坡長(zhǎng)效應(yīng)研究(室內(nèi)共降雨30場(chǎng)，其中有效降雨30場(chǎng))，將室內(nèi)外裸坡面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果乘以換算系數(shù)得到更加科學(xué)準(zhǔn)確的野外實(shí)地水土流失預(yù)測(cè)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(qiáng)度分析
　　 以經(jīng)濟(jì)林坡地、坡耕地、

4、裸坡地為對(duì)象，研究了三種土地利用方式下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程，在對(duì)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(qiáng)度從大到小排序?yàn)?坡耕地＞裸坡地＞經(jīng)濟(jì)林地;坡耕地隨雨強(qiáng)增大侵蝕模數(shù)增量最大增速最快，裸坡地次之，經(jīng)濟(jì)林地最小;雨強(qiáng)30～120mm/h時(shí)，侵蝕模數(shù)隨坡長(zhǎng)每延長(zhǎng)2m增速大小順序?yàn)槠赂兀韭闫碌兀窘?jīng)濟(jì)林地，雨強(qiáng)150mm/h時(shí)，其順序?yàn)榻?jīng)濟(jì)林地＞坡耕地＞裸坡地;雨強(qiáng)對(duì)于侵蝕模數(shù)的

5、影響均大于坡長(zhǎng)。
　　 2.坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙動(dòng)力學(xué)過(guò)程分析以坡面薄層水流流速為初始測(cè)量值，計(jì)算出表現(xiàn)徑流動(dòng)力學(xué)過(guò)程的參數(shù)，進(jìn)而分析了坡面薄層徑流的流態(tài)、徑流剪切力與坡長(zhǎng)的關(guān)系、徑流深與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系以及水動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)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(zhǎng)的延長(zhǎng)整體上呈增大趨勢(shì);土壤侵蝕模數(shù)與徑流深的關(guān)系可用冪函數(shù)進(jìn)行表達(dá)(R2＞0.85);坡長(zhǎng)2～10m，雨強(qiáng)30～150mm/h時(shí)，三種土地

6、利用方式下，坡面徑流紊動(dòng)性隨著雨強(qiáng)的增大及坡長(zhǎng)的延長(zhǎng)而增強(qiáng)，但均屬于層流范疇，且為緩流，只有雨強(qiáng)150mm/h時(shí)，裸坡地坡面徑流變?yōu)榧绷?裸坡地試驗(yàn)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(shuō)明徑流流態(tài)對(duì)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(duì)應(yīng)的侵蝕性降雨臨界雨強(qiáng)
　　 以雨強(qiáng)和坡長(zhǎng)為變量，研究了不同雨強(qiáng)下三種土地利用方式

7、坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的坡長(zhǎng)效應(yīng)，揭示了不同土地利用方式下坡面侵蝕性臨界雨強(qiáng)。結(jié)果表明:坡耕地由于人為擾動(dòng)影響，裸坡地由于表面土壤裸露，二者對(duì)于雨強(qiáng)的敏感程度大于經(jīng)濟(jì)林地，60mm/h雨強(qiáng)是坡耕地及裸坡地水土流失加劇的臨界雨強(qiáng)，當(dāng)雨強(qiáng)大于60mm/h時(shí)，應(yīng)要加大坡面水土保持防治力度;經(jīng)濟(jì)林地由于林冠截留、林下地表覆蓋等原因，當(dāng)雨強(qiáng)大于90mm/h時(shí)坡面水土流失量明顯增大，是水土保持需檢測(cè)的重點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)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(hù)與更新，以減少?gòu)搅鲗?duì)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(zhǎng)
　　 從水土保持措施布設(shè)的實(shí)用性思考，通過(guò)探討三種土地利用方式下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的坡長(zhǎng)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(zhǎng)。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(zhǎng)的延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，但坡長(zhǎng)每延長(zhǎng)相同長(zhǎng)度時(shí)，產(chǎn)流產(chǎn)沙量并非呈等差或等比趨勢(shì)增加，而是在坡長(zhǎng)延長(zhǎng)到

9、某個(gè)長(zhǎng)度時(shí)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(jì)林時(shí)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(dòng)力，強(qiáng)化降雨就地入滲或攔蓄的同時(shí)，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(lái)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、減少化肥用量及改善土壤水分狀況等;而對(duì)于裸露坡面的水土

10、流失治理，可以4～6m為步長(zhǎng)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(yàn)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(guò)程的人工模擬降雨試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析室內(nèi)與野外試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于野外實(shí)地試驗(yàn)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(yùn)用概率

11、統(tǒng)計(jì)的比值權(quán)重?cái)?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(diǎn)主要包括以下三個(gè)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(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果能否在實(shí)際中正確運(yùn)用是目前需攻克的難點(diǎn)，為此

12、，本文采用室內(nèi)外不同雨強(qiáng)和不同坡長(zhǎng)下的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)的比值權(quán)重計(jì)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(yàn)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(yàn)得出的產(chǎn)流模數(shù)及侵蝕模數(shù)乘以換算系數(shù)來(lái)客觀地預(yù)測(cè)野外實(shí)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(zhǎng)及雨強(qiáng)
　　 針對(duì)浙江省低丘緩坡主要以經(jīng)濟(jì)林地、坡耕地及裸坡地為主的利用特點(diǎn)，展開了

13、坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙隨坡長(zhǎng)變化規(guī)律的研究，應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)原理，探索水動(dòng)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(zhǎng)，水土保持需重點(diǎn)檢測(cè)的臨界雨強(qiáng)。
　　 3.揭示了坡長(zhǎng)增量相等時(shí)，產(chǎn)流產(chǎn)沙量的非等差增加的變化規(guī)律
　　 坡長(zhǎng)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(shí)用目的，開展了室內(nèi)外變坡長(zhǎng)的人工模擬降雨條件下的侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬試驗(yàn)，分析了坡面薄層徑流侵蝕產(chǎn)沙的坡長(zhǎng)效應(yīng)，揭示了坡長(zhǎng)每增