本文關(guān)鍵詞：水蝕過程中地表糙度變化及侵蝕響應(yīng)

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【摘要】：坡耕地上的地表糙度SSR(Soil Surface Roughness)是降水和人為耕作、管理下形成的一種微地形。當(dāng)耕作方式一定時,隨著降雨特征的變化,糙度值也在發(fā)生相應(yīng)變化,而這種變化必然與土壤侵蝕結(jié)果密切相關(guān)。為了深入理解地表糙度在水蝕不同階段的變化情況和地表糙度與徑流的相互作用及其侵蝕響應(yīng),本文采用室內(nèi)人工模擬降雨,測量了人工鋤耕、人工掏挖、等高耕作和直型坡4種耕作措施分別在60、90、120 mm/h雨強(qiáng)和5、10、15、20、25°坡度下,雨前、雨后地表糙度以及地表糙度的變化率。研究了分段降雨條件下濺蝕、片蝕、細(xì)溝侵蝕3個侵蝕階段地表糙度的演變過程;連續(xù)降雨條件下地表糙度的變化及影響因素分析;雨前初始地表糙度對徑流的影響以及徑流對地表糙度變化的反作用;地表糙度與土壤侵蝕的響應(yīng)規(guī)律。并得到了以下主要結(jié)論:(1)分段降雨條件下,在濺蝕和片蝕階段,各措施的地表糙度變化趨勢比較相似,人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作均是雨后糙度小于雨前糙度。在同雨強(qiáng)同坡度條件下,初始地表糙度越大的耕作措施,其雨后SSR減小幅度也越大。同措施同坡度下,雨強(qiáng)越大,雨后SSR減小幅度越大。同雨強(qiáng)同措施下,坡度越大,SSR減小幅度越小。而直型坡一直保持雨后糙度大于雨前糙度的變化趨勢。且其SSR增大幅度隨雨強(qiáng)和坡度的增大而增大。雖然濺蝕和片蝕階段各措施的糙度變化趨勢相似,但是其變化機(jī)理卻不一致。在細(xì)溝侵蝕階段人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作細(xì)溝侵蝕后的SSR較片蝕后仍有減小。細(xì)溝侵蝕程度越劇烈,其SSR減小幅度就越小。這是由于溝內(nèi)侵蝕對地表糙度有增大作用。細(xì)溝侵蝕作用越強(qiáng),溝內(nèi)對SSR的增大作用就越強(qiáng),就會削弱整個坡面SSR的減小趨勢。直型坡的SSR較片蝕后有顯著增大,且細(xì)溝侵蝕程度越大,SSR的增大幅度越大。人工鋤耕和人工掏挖的匯水網(wǎng)絡(luò)均可抽象為樹杈狀,且具有自相似性,但人工鋤耕的匯水網(wǎng)絡(luò)比人工掏挖稠密;而等高耕作的匯水網(wǎng)絡(luò)則可抽象為被縱向貫通的平行線型,不具有自相似性,呈自仿射性;直型坡的匯水網(wǎng)絡(luò)可抽象為網(wǎng)絡(luò)狀,也具有自相似性。(2)連續(xù)降雨條件下地表糙度的變化受到雨強(qiáng)、坡度和耕作措施的影響。雨前各措施地表糙度滿足等高耕作人工掏挖人工鋤耕直型坡。耕作措施對地表糙度的影響是決定性的、本質(zhì)性的。因此雨后雖然各措施地表糙度都發(fā)生了復(fù)雜的改變,但是各措施橫向之間地表糙度大小規(guī)律一直保持不變。在這一規(guī)律影響下,①雨前各耕作措施的地表高程概率密度曲線峰度大小為直型坡人工鋤耕人工掏挖等高耕作。直型坡和等高耕作的偏度均接近于0。人工鋤耕的偏度人工掏挖的偏度0。②各措施在各坡度均有雨前填洼量等高耕作人工掏挖人工鋤耕直型坡。③各雨強(qiáng)下均有人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作這3種措施的雨后地表糙度、雨后填洼量均比雨前有所減小。雨前地表糙度越大的耕作措施,其雨后地表糙度和填洼量減小幅度越大。而直型坡的雨后地表糙度和填洼量則比雨前有所增大。人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作這3種措施在細(xì)溝侵蝕產(chǎn)生之前坡度越大,各措施SSR減小幅度越大。細(xì)溝侵蝕產(chǎn)生后,各措施SSR減小幅度隨坡度增大而減小。直型坡的SSR一直隨坡度增大而增大。(3)雨前地表糙度對徑流具有顯著影響。雨前地表糙度與徑流的雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻力系數(shù)、匯流密度和徑流頻度均顯著相關(guān)。其中,雨前糙度與徑流阻力系數(shù)呈正相關(guān),與雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、匯流密度和徑流頻度均呈負(fù)相關(guān)。同時徑流對地表糙度在雨前雨后的變化也產(chǎn)生了反饋。人工鋤耕、人工掏挖和等高耕作的ΔSSR絕對值與徑流雷諾數(shù)、徑流剪切力、匯流密度和徑流頻度均呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)。直型坡的ΔSSR絕對值與徑流雷諾數(shù)、徑流剪切力、匯流密度和徑流頻度均呈線性正相關(guān)。(4)地表糙度對土壤侵蝕的影響表現(xiàn)在對產(chǎn)流時間、產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量的影響;對徑流泥沙過程線的影響;對土壤侵蝕強(qiáng)度的影響3個方面。各措施在同雨強(qiáng)下,產(chǎn)流時間隨地表糙度的增大而延長,隨坡度增大而縮短;同坡度下,產(chǎn)流時間隨地表糙度的增大而延長,隨雨強(qiáng)的增大而縮短;同一種耕作措施的產(chǎn)流時間隨雨強(qiáng)和坡度的增加而縮短。且雨強(qiáng)過大時,糙度對產(chǎn)流時間的影響會被削弱,各措施產(chǎn)流時間隨雨強(qiáng)繼續(xù)增大而逐步趨于相同。同雨強(qiáng)同坡度下,各措施的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨糙度的增大而減小。同雨強(qiáng)同措施下,產(chǎn)流量隨坡度的增大而增大,產(chǎn)沙量在臨界坡度以下隨坡度增大而增大,在臨界坡度以上,隨坡度增大而減小。同措施同坡度下,產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)的增大而增大。同雨強(qiáng)下,每2 min瞬時徑流量和產(chǎn)沙量大致為直型坡人工鋤耕人工掏挖等高耕作。各措施的瞬時徑流量和產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)的增大而增大。雨強(qiáng)越小,各措施徑流和產(chǎn)沙達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間越短。同雨強(qiáng)下,雨前糙度越大的耕作措施,徑流和產(chǎn)沙越不易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。各措施侵蝕強(qiáng)度滿足等高耕作人工掏挖人工鋤耕直型坡。同一耕作措施下的侵蝕強(qiáng)度隨雨強(qiáng)增大而增大。同雨強(qiáng)同措施情況下,侵蝕強(qiáng)度大部分情況下隨坡度的增大而增大。各措施的ΔSSR絕對值隨侵蝕強(qiáng)度的增大而減小。
【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】：2015
【分類號】：S157

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1230283