【摘要】：坡面細溝發(fā)育不但造成嚴重的土壤流失,且其塑造的侵蝕形態(tài)對坡面徑流侵蝕動力機制有重要影響,反過來又對坡面侵蝕過程產生影響。因此,研究坡面細溝發(fā)育與形態(tài)特征對揭示坡面土壤侵蝕本質有重要意義,也為侵蝕預報模型建立提供理論依據。本論文基于模擬降雨試驗與野外監(jiān)測相結合的試驗方法,研究了黃土坡面細溝網發(fā)育過程,量化了細溝形態(tài)特征,分析了細溝侵蝕與形態(tài)特征的關系,構建了坡面細溝侵蝕預報方程,剖析了降雨和地形因子對細溝侵蝕及其形態(tài)特征的影響,基于雨滴打擊對細溝侵蝕的作用貢獻修正了WEPP(Water Erosion Prediction Project)模型的侵蝕泥沙連續(xù)方程,構建了坡面侵蝕預報過程模型。主要研究結論如下:(1)分析了黃土坡面細溝網發(fā)育過程。以跌坎作為細溝發(fā)生的標志,分析了跌坎寬度和深度的變化,跌坎寬度多為2~8 cm,平均值為5.0 cm,跌坎深度多為2~6 cm,平均值為4.4 cm。基于細溝分布密度、細溝間距離、細溝分叉數和合并點數等指標,定量分析了坡面細溝網發(fā)育特征,并與野外細溝網發(fā)育特征進行了對比。細溝網發(fā)育過程中,細溝分布密度、細溝間距離、細溝分叉數和合并點數平均值分別為4.0條m 2、38.6 cm、1.5條m 2和1.1個m 2。在時間尺度上,隨著細溝網的發(fā)育,細溝分布密度基本表現(xiàn)為先增加后減小的變化趨勢,細溝間距離則逐漸減小,細溝分叉數和合并點數基本呈增加的趨勢;在空間分布上,細溝分布密度、細溝分叉數和合并點數總體表現(xiàn)為隨著坡長的增加呈先增加后減小的變化,而細溝間距離基本呈先減小后增加的趨勢。模擬試驗條件下的細溝網發(fā)育特征與野外細溝網發(fā)育特征基本類似。(2)量化了黃土坡面細溝形態(tài)特征。選取細溝傾斜度、細溝密度、細溝割裂度和細溝復雜度等細溝形態(tài)特征指標,剖析了黃土坡面細溝形態(tài)特征的時空變化,提出了最佳細溝形態(tài)特征指標。細溝傾斜度、細溝密度、細溝割裂度和細溝復雜度隨細溝網的發(fā)育基本呈增加的趨勢,細溝傾斜度多介于15°~25°,細溝復雜度小于1.5,細溝割裂度的增加幅度明顯大于細溝密度的增加幅度。隨著坡長的增加,細溝傾斜度總體呈現(xiàn)波動減小的變化趨勢,細溝密度和細溝割裂度皆呈先增加后減小的變化,細溝復雜度的變化趨勢不明顯。細溝割裂度是表征坡面細溝網發(fā)育的最佳形態(tài)特征指標,基于細溝割裂度指標所構建的細溝侵蝕預報方程具有較高的預報精度。(3)剖析了雨滴打擊對黃土坡面細溝侵蝕及其形態(tài)特征的影響。消除雨滴打擊,細溝侵蝕量可減少20.2%~38.6%,坡面侵蝕量可減少28.1%~47.7%,且細溝侵蝕對坡面侵蝕的貢獻率增加。隨著降雨強度的增加,雨滴打擊對細溝侵蝕的作用增加。同時,雨滴打擊也間接影響坡面細溝形態(tài),具體表現(xiàn)為消除雨滴打擊,細溝寬度和深度的變異程度減小,細溝溝槽更為規(guī)則;細溝密度、細溝割裂度、細溝傾斜度和細溝寬深比皆減小;說明消除雨滴打擊作用可使坡面破碎程度、細溝侵蝕強度以及細溝在水平方向的延展性等減小。(4)探究了黃土坡面細溝侵蝕水動力學機制對雨滴打擊作用的響應。消除雨滴打擊,細溝水流流速、雷諾數和弗汝德數分別減小33.3%~47.6%、23.0%~51.2%和34.7%~51.3%,而Darcy-Weisbach阻力系數則顯著增加。分別建立了單寬細溝侵蝕量與細溝水流剪切力、水流功率、單位水流功率的關系式,發(fā)現(xiàn)消除雨滴打擊,臨界細溝水流剪切力、臨界水流功率和臨界單位水流功率分別減小38.2%、85.3%和80.6%。細溝水流流速是表征細溝發(fā)育及其形態(tài)特征的最佳水力學參數,而水流功率是最佳的水動力學參數。(5)修正了WEPP模型的侵蝕泥沙連續(xù)方程,構建了黃土坡面侵蝕預報過程模型。基于雨滴打擊對細溝侵蝕的作用貢獻,修正了WEPP模型侵蝕泥沙連續(xù)方程中的細溝侵蝕模塊,即當細溝發(fā)育以剝離為主時,在WEPP細溝侵蝕模塊中嵌入了降雨強度參數,充分體現(xiàn)了降雨對細溝侵蝕的影響作用。構建了黃土坡面侵蝕預報過程模型,且模型具有較高的預報精度,模型有效性系數達0.89。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S157.1

【參考文獻】

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1 李君蘭;蔡強國;孫莉英;陳曉安;;細溝侵蝕影響因素和臨界條件研究進展[J];地理科學進展;2010年11期

2 鄭粉莉,康紹忠;黃土坡面不同侵蝕帶侵蝕產沙關系及其機理[J];地理學報;1998年05期

3 劉和平;王秀穎;劉寶元;;人工模擬降雨下細溝與細溝間流速的沿程分布[J];地理研究;2011年09期

4 楊具瑞;史正濤;曹叔尤;劉興年;;細溝侵蝕臨界坡度研究[J];干旱區(qū)資源與環(huán)境;2008年05期

5 王龍生;蔡強國;蔡崇法;孫莉英;;黃土坡面發(fā)育平穩(wěn)的細溝流水動力學特性[J];地理科學進展;2014年08期

6 ;RILL EROSION PROCESS AND RILL FLOW HYDRAULIC PARAMETERS[J];International Journal of Sediment Research;2004年02期

7 葉瑞卿;黃必志;袁希平;龍紹武;陳慶敏;樊心逵;;坡地草帶間距與水土保持效應研究[J];家畜生態(tài)學報;2008年03期

8 周鴻文,金雙彥,高亞軍,宋瑞鵬;坡面措施蓄水攔沙指標神經網絡模型研究[J];人民黃河;2005年05期

9 雷會珠,武春龍;黃土高原分形溝網研究[J];山地學報;2001年05期

10 嚴冬春;王一峰;文安邦;史忠林;龍翼;;紫色土坡耕地細溝發(fā)育的形態(tài)演變[J];山地學報;2011年04期

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1 白清俊;黃土坡面細溝侵蝕帶產流產沙模型研究[D];西北農林科技大學;1999年

本文編號：2755512