【摘要】：我國黃土地區(qū)是全球土壤侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域,并導(dǎo)致黃河成為時刻對下游兩岸具有危險的世界著名“懸河”。黃土地區(qū)嚴(yán)重的土壤侵蝕給當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展及黃河下游地區(qū)的安危造成嚴(yán)重影響和威脅。細(xì)溝侵蝕是黃土地區(qū)極其重要的侵蝕方式和嚴(yán)重侵蝕產(chǎn)沙的重要根源之一。細(xì)溝水流分離過程與輸沙過程是細(xì)溝侵蝕關(guān)鍵過程,其強(qiáng)烈程度直接影響著細(xì)溝侵蝕速率的大小。開展黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離輸沙過程研究可以深入揭示該區(qū)細(xì)溝侵蝕過程機(jī)理,深化對細(xì)溝侵蝕過程的認(rèn)識,有效實(shí)現(xiàn)細(xì)溝侵蝕過程模型的科學(xué)建立,并為黃土地區(qū)水土流失治理與生態(tài)建設(shè)提供重要科學(xué)依據(jù)。論文采用細(xì)溝水槽試驗(yàn)、細(xì)溝水槽與漏斗供土組合試驗(yàn)、土壤理化性質(zhì)測試的方法,以黃土地區(qū)5種不同土壤(楊凌粘黃土、長武黃綿土、安塞黃綿土、定邊沙黃土、神木沙黃土)為試驗(yàn)材料,在5個坡度(15.84%、21.26%、26.79%、32.49%、38.39%)、5個單寬流量(0.00156 m~2 s~(-1)、0.00200 m~2 s~(-1)、0.00244 m~2 s~(-1)、0.00289 m~2 s~(-1)、0.00333 m~2 s~(-1))、5個輸沙率(10%T_c、25%T_c、50%T_c、75%T_c、90%T_c)下,開展了黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離輸沙過程研究。分析研究了黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離能力、黃土地區(qū)細(xì)溝水流輸沙能力、黃土地區(qū)細(xì)溝可蝕性參數(shù)及細(xì)溝分離臨界動力、黃土地區(qū)細(xì)溝水流輸沙對分離的影響及貢獻(xiàn)、黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離過程方程。主要研究結(jié)論如下:1.揭示了黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離能力:(1)楊凌粘黃土、長武黃綿土、安塞黃綿土、定邊沙黃土、神木沙黃土細(xì)溝水流分離能力因子方程分別為不同的細(xì)溝水流分離能力與坡度和流量關(guān)系的二元冪函數(shù)方程(R~2:0.9685~0.9886,P0.01),坡度的冪指數(shù)介于0.9509~1.1322間,流量的冪指數(shù)介于1.1585~1.3247間。5種不同土壤細(xì)溝水流分離能力動力學(xué)方程分別為不同的細(xì)溝水流分離能力與水流功率關(guān)系的線性方程(R~2:0.9508~0.9770,P0.01)。(2)神木沙黃土細(xì)溝水流分離能力最大(2.2145 kg m~(-2) s~(-1)),其后依次為楊凌粘黃土(1.9320 kg m~(-2) s~(-1))、定邊沙黃土(1.6093 kg m~(-2) s~(-1))、安塞黃綿土(1.1189 kg m~(-2) s~(-1))、長武黃綿土(0.9435 kg m~(-2) s~(-1))。長武黃綿土、安塞黃綿土的細(xì)溝水流分離能力之間沒有顯著差異,但它們二者分別與楊凌粘黃土、定邊沙黃土、神木沙黃土有顯著差異。楊凌粘黃土的細(xì)溝水流分離能力分別與定邊沙黃土、神木沙黃土沒有顯著差異性。(3)黃土地區(qū)不同土壤細(xì)溝水流分離能力與土壤粘結(jié)力、粉粒級有效顆粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P0.01與P0.05),與土壤有效中值粒徑、砂粒級有效顆粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.05)。(4)基于對黃土地區(qū)5種不同土壤下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一聯(lián)合分析取得:黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離能力方程為細(xì)溝水流分離能力隨坡度、流量、土壤粘結(jié)力、土壤有效中值粒徑變化的四元冪函數(shù)方程(R~2=0.9748;NSE=0.9595;P0.01),以及細(xì)溝水流分離能力隨水流功率、土壤粘結(jié)力、土壤有效中值粒徑變化的三元冪函數(shù)方程(R~2=0.9712;NSE=0.9560;P0.01)。2.闡明了黃土地區(qū)細(xì)溝水流輸沙能力:(1)楊凌粘黃土、長武黃綿土、安塞黃綿土、定邊沙黃土、神木沙黃土細(xì)溝水流輸沙能力因子方程分別為不同的細(xì)溝水流分離能力與坡度和流量關(guān)系的二元冪函數(shù)方程(R~2:0.9486~0.9884,P0.01),坡度的冪指數(shù)介于0.3704~0.9209間,流量的冪指數(shù)介于0.9101~1.3469間。5種不同土壤細(xì)溝水流輸沙能力動力學(xué)方程分別為不同的細(xì)溝水流輸沙能力與水流功率關(guān)系的冪函數(shù)方程(R~2:0.8071~0.9484,P0.01)。(2)神木沙黃土輸沙能力最大(2.5733 kg m~(-1) s~(-1)),其后依次為定邊沙黃土(2.4066 kg m~(-1) s~(-1))、安塞黃綿土(1.8332 kg m~(-1) s~(-1))、長武黃綿土(1.8665kg m~(-1) s~(-1))、楊凌粘黃土(1.6039 kg m~(-1) s~(-1))。楊凌粘黃土、長武黃綿土、安塞黃綿土細(xì)溝水流輸沙能力之間沒有顯著差異性,定邊沙黃土、神木沙黃土之間沒有顯著的差異性,而前三者與后兩者之間具有顯著的差異性。(3)黃土地區(qū)不同土壤細(xì)溝水流輸沙能力與土壤粉粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P0.05),與土壤中值粒徑、砂粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.05)。(4)基于對黃土地區(qū)5種不同土壤下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一聯(lián)合分析取得:黃土地區(qū)細(xì)溝水流輸沙能力方程為細(xì)溝水流輸沙能力隨坡度、流量、土壤中值粒徑變化的三元冪函數(shù)方程(R~2=0.8544,NSE=0.8922,P0.01),以及細(xì)溝水流輸沙能力隨水流功率、土壤中值粒徑變化的二元冪函數(shù)方程(R~2=0.6882,NSE=0.7217,P0.01)。3.研究了黃土地區(qū)細(xì)溝可蝕性參數(shù)及細(xì)溝分離臨界動力:(1)神木沙黃土的細(xì)溝可蝕性參數(shù)最大(0.4005 s~2 m~(-2)),其后依次為楊凌粘黃土(0.3508 s~2 m~(-2))、定邊沙黃土(0.3014 s~2 m~(-2))、安塞黃綿土(0.2281 s~2 m~(-2))、長武黃綿土(0.1963 s~2 m~(-2))。除了楊凌粘黃土,其余土壤的細(xì)溝可蝕性參數(shù)按照土壤粒徑由細(xì)到粗、地理位置由南到北逐漸增大。(2)黃土地區(qū)不同土壤細(xì)溝可蝕性參數(shù)與土壤粘結(jié)力和粉粒級有效顆粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P0.01與P0.05),與土壤有效中值粒徑和砂粒級有效顆粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.05)。(3)長武黃綿土的細(xì)溝分離臨界水流功率最大(1.0352 W m~(-2)),其后依次為安塞黃綿土(0.9522 W m~(-2))、定邊沙黃土(0.5255 W m~(-2))、楊凌粘黃土(0.3549W m~(-2))、神木沙黃土(0.3326 W m~(-2))。除了楊凌粘黃土,其余土壤的細(xì)溝分離臨界水流功率按照土壤粒徑由細(xì)到粗、地理位置由南到北而逐漸減小。(4)黃土地區(qū)不同土壤細(xì)溝分離臨界水流功率與土壤粘結(jié)力、粉粒級有效顆粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P0.01與P0.05),與土壤有效中值粒徑、砂粒級有效顆粒含量顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P0.05)。4.界定了黃土地區(qū)細(xì)溝水流輸沙對分離的影響及貢獻(xiàn):(1)不同土壤、不同流量、不同坡度下,細(xì)溝水流分離率均隨水流輸沙率的增大而減小。細(xì)溝水流分離率與輸沙率之間的關(guān)系皆可以用負(fù)線性相關(guān)方程描述(R ~2:0.8797~0.9971,P0.05或0.01)。10%T_c、25%T_c、50%T_c、75%T_c、90%T_c(T_c:輸沙能力)5個輸沙率等級分別使細(xì)溝水流分離率減少了17.51%、32.56%、51.27%、66.15%、81.64%。(2)在位于研究區(qū)中部的典型黃土區(qū)安塞黃綿土條件下,黃土坡面細(xì)溝水流分離率對輸沙率與水流功率的綜合響應(yīng)關(guān)系為二元線性相關(guān)關(guān)系,分離率與輸沙率呈負(fù)相關(guān),與水流功率正相關(guān)。黃土坡面細(xì)溝水流輸沙率對細(xì)溝水流分離率影響的貢獻(xiàn)率為37.07%,水流功率對細(xì)溝水流分離率影響的貢獻(xiàn)率為58.24%。水流功率的貢獻(xiàn)是輸沙率貢獻(xiàn)的1.6倍。(3)統(tǒng)一聯(lián)合分析黃土地區(qū)5種不同土壤在不同坡度、不同流量、不同輸沙率下的試驗(yàn)觀測結(jié)果表明,黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離率對輸沙率與水流功率的綜合響應(yīng)關(guān)系可用二元線性方程很好地描述。黃土地區(qū)細(xì)溝水流輸沙率對細(xì)溝水流分離率影響的貢獻(xiàn)率為31.26%,水流功率對細(xì)溝水流分離率影響的貢獻(xiàn)率為55.44%,水流功率的貢獻(xiàn)是輸沙率貢獻(xiàn)的1.8倍。5.建立了黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離過程方程及黃土坡面細(xì)溝水流分離過程方程:(1)在位于研究區(qū)中部的典型黃土區(qū)安塞黃綿土1種土壤條件下研究建立了黃土坡面細(xì)溝水流分離過程方程:黃土坡面細(xì)溝水流分離過程方程是細(xì)溝水流分離率(D_r)對細(xì)溝水流分離能力(D_c)、細(xì)溝水流輸沙能力差缺率(1-G/T_c)響應(yīng)的二元冪函數(shù)方程:D_r=0.8099D_c~(1.0258)(1-G/T_c)~(0.6616)(R~2=0.9730;P0.01;n=125)。該方程建模同時也考慮在缺乏黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離過程方程時對黃土地區(qū)的各地黃土坡面細(xì)溝水流分離率近似模擬。(2)基于對黃土地區(qū)5種不同土壤條件下的試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一聯(lián)合分析,建立了黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離過程方程:黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離過程方程是細(xì)溝水流分離率對細(xì)溝水流分離能力、細(xì)溝水流輸沙能力差缺率響應(yīng)的二元冪函數(shù)方程:D_r=0.8427D_c~(0.9867)(1-G/T_c)~(0.6426)(R~2=0.9488;P0.01;n=145)。該方程建�？紤]的是對本研究條件范圍的黃土地區(qū)各地不同土壤細(xì)溝水流分離率模擬。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S157.1
【圖文】：

采樣點(diǎn)分布圖

黃土高原地區(qū)馬蘭黃土水平分帶圖（劉東生1996）

28 黃土地區(qū)細(xì)溝水流分離輸沙過程研究試驗(yàn)水流經(jīng)水管流入溢流槽，溢流槽中間隔有穿孔的擋板，以保證水流經(jīng)溢流槽流到水槽的穩(wěn)定性。試驗(yàn)過程中要使貯水桶中的水流有少許外溢，保證流入水槽中的水流為恒定流，每場試驗(yàn)開始前進(jìn)行流量的率定。供土裝置包括供土漏斗和導(dǎo)土斜槽兩部分。其中供土漏斗用支架置于細(xì)溝水槽上端正上方，由裝土漏斗、馬達(dá)、滾軸（送土槽輪）、變頻器等組成。通過電動馬達(dá)帶動送土槽輪轉(zhuǎn)動，經(jīng)旋轉(zhuǎn)的送土槽輪將土壤從漏斗中送出。通過調(diào)節(jié)變頻器來改變送土槽輪轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生不同的供土速率，最終達(dá)到控制細(xì)溝水流輸沙率的目的。導(dǎo)土斜槽由 PVC板槽壁和紗網(wǎng)槽底組成，其主要作用是強(qiáng)化水流攜沙飽和度、弱化供土筑壩堵水現(xiàn)象及水流紊動性，以防止漏斗口下落的土壤在水槽上堆積，讓水流能快速、均衡地帶走下落土壤顆粒。

本文編號：2766324