本文關(guān)鍵詞：陡坡地水蝕過程與泥沙搬運(yùn)機(jī)制

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【摘要】：坡面水蝕包括降雨擊濺和徑流沖刷引起土壤分離、泥沙輸移和沉積三個子過程。泥沙顆粒性質(zhì)與坡面水蝕過程密切相關(guān),然而,以往的研究有的將泥沙分散后測定單粒粒徑,也有的未經(jīng)分散直接測定泥沙的有效粒徑。導(dǎo)致研究結(jié)果缺乏可比性,水蝕過程中泥沙分選規(guī)律仍未定論,不同粒級泥沙顆粒搬運(yùn)機(jī)制仍有待深入探討。因此,本論文以黃土高原X土、黑壚土和黃綿土為研究對象,采用人工模擬降雨等技術(shù),研究降雨、徑流、土壤等因素對陡坡水蝕過程與泥沙搬運(yùn)機(jī)制的影響。主要結(jié)論如下:(1)闡明了降雨動能對陡坡侵蝕過程中泥沙顆粒分選的影響;揭示了不同降雨動能下各粒徑顆粒在水蝕過程中的主要搬運(yùn)形式及搬運(yùn)機(jī)制。利用不同孔徑鐵絲網(wǎng)覆蓋于表土上方5 cm處,通過改變雨滴直徑大小設(shè)置5種降雨動能(76 J m-2 h-1、90 J m-2 h-1、105 J m-2 h-1、160 J m-2h-1和270 J m-2 h-1、518 J m-2 h-1)。試驗(yàn)結(jié)果表明,降雨動能通過影響侵蝕過程進(jìn)而影響侵蝕泥沙的粒徑分布情況。存在使侵蝕泥沙中團(tuán)粒發(fā)生破壞的臨界降雨動能,在本試驗(yàn)中,這個臨界降雨動能為105 J m-2 h-1,當(dāng)大于臨界降雨動能時,降雨動能越大,團(tuán)粒破碎越嚴(yán)重,因此侵蝕泥沙中細(xì)顆粒富集現(xiàn)象越明顯。此外,侵蝕泥沙中包含團(tuán)粒和單粒,0.002 mm和0.05 mm顆粒通常以團(tuán)粒形式搬運(yùn),0.002 mm~0.05 mm顆粒通常以單粒形式搬運(yùn),降雨動能越大,各級泥沙以單粒形式搬運(yùn)的可能性越高。泥沙的主要搬運(yùn)機(jī)制包括懸移、躍移和滾動搬運(yùn)。當(dāng)降雨動能105 J m-2 h-1時,降雨動能越大,懸移/躍移搬運(yùn)所占的比例越高,相應(yīng)的,滾動搬運(yùn)所占的比例越低。因?yàn)榻涤陝幽茉酱?團(tuán)聚體被破壞越嚴(yán)重,釋放的小顆粒更多,細(xì)小的土壤顆粒更容易發(fā)生懸移和躍移。降雨歷時越長,懸移/躍移所占的比例越高,主要因?yàn)殡S著降雨歷時的增加,徑流的搬運(yùn)能力增大。(2)探明了地表覆蓋對泥沙顆粒分選的影響,明確了不同粒徑泥沙顆粒的在水蝕過程中的主要搬運(yùn)形式及其發(fā)生沉積或侵蝕的情況。通過在地表覆蓋秸稈,采用不同秸稈覆蓋量控制雨滴打擊和坡面水流的動能,系統(tǒng)研究了秸稈覆蓋下陡坡侵蝕過程中泥沙顆粒特征。試驗(yàn)結(jié)果表明,與裸土相比,秸稈覆蓋量為0.075kgm-2、0.15kgm-2、0.25kgm-2、0.35kgm-2和0.45kgm-2條件下的徑流系數(shù)分別減少了10.5%、20.5%、35.2%、68.8%和71.5%,分散前后泥沙中黏粒含量比值分別下降了6.5%,12.0%,18.7%,20.9%和29.7%。秸稈覆蓋量越低泥沙以單粒形式搬運(yùn)的可能性越大,因?yàn)楦采w量越高,雨滴和徑流能量削減越多,進(jìn)而降低泥沙中團(tuán)粒破碎的幾率。同時,通過研究黏粒、粉粒和沙粒的富集率(er=分散后侵蝕泥沙顆粒含量/分散后供試土樣顆粒含量)可揭示水蝕過程中不同粒級泥沙顆粒的富集現(xiàn)象。結(jié)果表明,各秸稈覆蓋量下,黏粒的富集率都小于1,說明對整個降雨侵蝕過程而言,黏粒易發(fā)生沉積,因?yàn)轲ち６嘁詧F(tuán)聚體的形式存在于土壤中,團(tuán)粒因?yàn)槠渥陨碣|(zhì)量較大,相比其他顆粒更難搬運(yùn)。各秸稈覆蓋量下,粉粒的富集率都大于1,說明對整個降雨侵蝕過程而言,粉粒容易被侵蝕,并表現(xiàn)為在侵蝕泥沙中發(fā)生富集。沙粒的富集率隨著秸稈覆蓋量的增加而減小,主要是因?yàn)榻涤旰蛷搅鞯膭兾g能力和搬運(yùn)能力隨著覆蓋量的增加而降低,沙粒由于自身密度大,在侵蝕過程中容易發(fā)生沉積。(3)揭示了土壤質(zhì)地對水蝕過程中泥沙顆粒粒徑分布的影響;明確了土壤質(zhì)地能通過影響細(xì)溝發(fā)育情況進(jìn)而影響顆粒的搬運(yùn)形式。按照土壤中黏粒含量遞減的規(guī)律選擇黃土高原四種典型的農(nóng)耕地土壤:X土、黑壚土、黃綿土(安塞)和黃綿土(綏德)作為研究對象,試驗(yàn)結(jié)果表明,黏粒含量越高的土壤,侵蝕泥沙的團(tuán)聚性越強(qiáng),泥沙中團(tuán)粒含量越高。細(xì)溝產(chǎn)生前,X土、黑壚土、黃綿土(安塞)和黃綿土(綏德)侵蝕泥沙分散前顆粒中數(shù)直徑分別為0.027mm、0.023mm、0.037mm和0.039mm;細(xì)溝產(chǎn)生后,相應(yīng)的中數(shù)直徑分別為0.040mm、0.029mm、0.040mm和0.044mm,即細(xì)溝產(chǎn)生后,四種土壤侵蝕泥沙顆粒粒徑增大,主要因?yàn)榧?xì)溝中股流的搬運(yùn)能力強(qiáng)于薄層水流,更多的大顆粒能被搬運(yùn)。黏粒含量越高的土壤,其土壤抗蝕性越強(qiáng),因而其產(chǎn)生的細(xì)溝寬深比越小,侵蝕泥沙中大顆粒含量增加的幅度隨著細(xì)溝寬深比增大而減小。黏粒含量相對較高的土壤其侵蝕泥沙表現(xiàn)出更強(qiáng)的分選性,呈現(xiàn)雙峰分布的特征;而黏粒含量相對較低的土壤其侵蝕泥沙分選性差,侵蝕泥沙顆粒粒徑分布與供試土壤顆粒粒徑分布相似。除此之外,大顆粒(包括沙粒和團(tuán)粒)含量越高的土壤,侵蝕泥沙以滾動方式搬運(yùn)的可能性越高,特別在陡坡條件下,大顆粒沿下坡向的分力更大因而更易發(fā)生滾動。綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)陡坡條件下泥沙顆粒粒徑呈雙峰分布,小粒徑泥沙和大粒徑泥沙較中間粒徑泥沙更容易被搬運(yùn),侵蝕力會影響峰值對應(yīng)的粒級。泥沙中包含單粒和團(tuán)粒,降雨侵蝕條件下團(tuán)粒受侵蝕力的作用主要以消散和機(jī)械破碎的形式發(fā)生不同程度的破壞,團(tuán)粒破壞越嚴(yán)重,黏粒釋放越多,泥沙中大粒徑顆粒含量越低。同時,基于懸移質(zhì)、躍移質(zhì)和接觸質(zhì)對不同粒級泥沙顆粒搬運(yùn)過程的分析,探明了不同粒徑泥沙的搬運(yùn)機(jī)制,發(fā)現(xiàn)陡坡條件下大粒徑泥沙以滾動方式搬運(yùn),小粒徑泥沙則以懸移/躍移方式搬運(yùn),但這兩種搬運(yùn)機(jī)制對中間粒徑泥沙的輸移效率均較低,結(jié)果闡明了懸移/躍移和滾動搬運(yùn)機(jī)制分別輸移不同粒級的泥沙顆粒,且各搬運(yùn)機(jī)制的相對貢獻(xiàn)率受到侵蝕內(nèi)外因耦合的影響,揭示了緩坡研究結(jié)果不適用于陡坡侵蝕環(huán)境的根本原因,即只考慮了泥沙的懸移/躍移搬運(yùn)機(jī)制而忽略了滾動搬運(yùn)機(jī)制。本研究結(jié)論將有助于揭示坡面水蝕過程的內(nèi)在規(guī)律,通過考慮滾動搬運(yùn)機(jī)制從而提高陡坡水蝕模型的預(yù)測精度。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S157.1

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本文編號：1262611