紫色土坡耕地不同微地形的径流能量特征研究

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紫色土坡耕地土壤侵蚀问题突出,而地表起伏是影响坡面水蚀的重要因素。水力侵蚀本质是一个复杂的能量转换过程,对不同微地形的能量特征研究有助于明确微地形地表起伏的侵蚀机理。因此,本文以紫色土坡耕地为研究对象,通过野外人工模拟降雨试验,研究了在60、90和120 mm/h降雨强度下,7种地表不同微地形起伏形式下(平坡CK、间隔凸起AM、连续凸起CM、间隔凹陷AD、连续凹陷CD、凹凸相间AMD及凹凸相连CMD)的径流能量特征、径流水力特性及径流能量参数与侵蚀量之间的响应关系,分析不同地表微地形对径流能量及能耗的影响,从径流能量的角度评价不同微地形的水土保持效益,以期进一步明确微尺度水土保持措施在减少土壤侵蚀中的作用,为紫色土区坡耕地的水土流失治理提供理论指导。主要结果如下:(1)地表微地形对径流能量存在增加和削减两方面的作用,其中凹陷主要表现为削减径流能量,而凸起则可能同时增加或削减径流能量。不同的地表起伏形式下径流能量大小依次为AM>CK>AD>AMD>CM>CD>CMD;60 mm/h雨强下各措施径流能量削减率表现为CMD>CD>CM>AD>AMD>AM的规律,90 mm/h与120 mm/h雨强下则为CD>CMD>AMD>CM>AD>AM,且随着雨强的增大,各措施的径流能量削减率均呈减小趋势。说明雨强对径流的影响大于微地形对径流的影响,大雨强下各地表微地形措施间的径流无显著性差异。各地表微地形措施径流能量的分布特征与水深分布特征保持一致,说明径流位能占据径流能量的主导地位。同时,径流能量与土壤侵蚀速率线性正相关,3种雨强下的决定系数在0.70~0.87之间,小雨强下径流能量与侵蚀强度相关性更高。(2)通过分析各不同地表微地形措施的水动力学参数及侵蚀能耗,发现除径流剪切力外,随雨强增大,径流流速、雷诺数、弗劳德数、水流功率及侵蚀能耗均随之增大,但增速趋缓并逐渐与平坡的水力特性接近。3种雨强下,各措施径流流速的分布规律与弗劳德数一致(AM>AD>AMD>CMD>CD>CM),其余参数的大小规律有所区别。对于间隔分布的凸起/凹陷微地形而言,径流流速、雷诺数、弗劳德数及水流功率均呈现出AM>AD>AMD的规律,但连续分布的凸起/凹陷微地形的相关参数大小无明显规律。此外,通过拟合各措施不同能量参数与土壤侵蚀速率的关系,发现侵蚀能耗与土壤侵蚀速率的拟合效果最好,各措施造成侵蚀的临界水流功率大小依次为AM>CK>AMD>AD>CMD>CD>CM。(3)对比分析不同地表微地形措施的减流减沙率,地表凹陷对产流、产沙有着明显的抑制作用,但凸起同时存在促进和抑制2种作用。减沙率和减流率的变化规律不同,随雨强增大各措施减流效益明显变差,除AMD外其余各措施的减流率在小雨强变为大雨强时的降幅在30%左右。减沙率依据措施的不同呈现两极分化,随雨强增大,CD、CM措施减沙效益越明显,3种雨强下的减沙率均在80%以上,其余各措施减沙效益越不明显。90与120 mm/h雨强下各措施的减流率、减沙率及径流挟沙力呈现相同的大小规律,但与60 mm/h雨强下有较大区别。并建立了径流能量与减流率、减沙率及径流挟沙力的经验数学模型,径流能量与减流率、减沙率线性负相关,相同雨强下径流能量与减流率可以相互转换,径流能量与减沙率的经验方程决定系数在0.7-1之间,径流能量与径流挟沙力的经验方程为二次函数,决定系数在0.74-0.83之间。总之,AM具有最大的径流能量及径流挟沙力,且径流水力特性参数最接近于对照组CK,也是唯一一个促进产流产沙,增加侵蚀的微地形地表起伏形式。其余各组均具有不同程度的减流减沙效益,其中CD减流减沙综合效益最佳。
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