解冻期覆沙黄土坡面侵蚀动力过程试验研究

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黄土高原生态环境脆弱,水土流失严重,给当地人们正常的生产生活造成巨大危害,并且不利于黄河下游生态环境的可持续发展。长期以来针对黄土高原风蚀水蚀的复合侵蚀已经做了大量研究,风蚀水蚀交错带是黄土高原土壤侵蚀最为剧烈的地区,然而在春季解冻期降水量较少的情况下该地区土壤侵蚀情况依旧严重。目前对于黄土高原受冻融侵蚀区域和覆沙黄土区重叠部分土壤侵蚀的研究有待进一步的深入。本文以风蚀水蚀复合区的风沙土和陕北黄土为研究对象,通过室内模拟冻融和放水冲刷试验,分析未冻黄土坡面、未冻覆沙坡面、冻结黄土坡面和冻结覆沙坡面等坡面的产流产沙特征、泥沙颗粒分选特征以及侵蚀动力学特性及其参数的时空变化特征,研究不同坡面侵蚀产沙对侵蚀动力学特性的响应,建立土壤剥蚀率与侵蚀动力参数之间的相关关系,为解冻期覆沙黄土坡面侵蚀模型的参数率定提供参考。主要结论如下:(1)明确了解冻期覆沙黄土坡面侵蚀产沙过程及其变化特征。未冻黄土坡面的初始产流时间在0.53~0.66 min之间,未冻覆沙坡面的初始产流时间在1.8~4.18 min之间,坡面覆沙对坡面的初始产流时间具有延长作用。冻结黄土坡面相比于未冻黄土坡面的初始产流时间减少37.91%~49.49%,冻结覆沙坡面相比于未冻覆沙坡面的初始产流时间减少61.88%~81.75%,土壤冻结会缩短初始产流时间。冻结坡面的产流量和产沙量峰值均大于未冻坡面。不同坡面累积产流量均随着产流历时的延长而增大,冻结坡面的斜率大于未冻坡面。黄土坡面的产沙率随产流历时的延长变化趋势较为平稳,冻结黄土坡面的产沙率始终大于未冻黄土坡面。不同坡面的累积产沙量均随着累积产流量的增加而逐渐增加,两者之间呈幂函数关系,累积产流量和累计产沙量的拟合系数R2均在0.9以上。(2)分析了不同类型坡面对泥沙颗粒富集程度的影响,定量阐明了冲刷过程中泥沙输移从滚动向悬移/跃移转化规律。不同坡面的黏粒含量较少,在侵蚀过程中粗粉粒是侵蚀泥沙颗粒的主要搬运形式。黄土坡而黏粒、细粉粒和粗粉粒的富集率均大于1,侵蚀颗粒以细颗粒为主;覆沙坡面细粉粒和粗粉粒的富集率均小于1,而砂粒的富集率均大于1,土壤冻结对黄土坡而黏粒、细粉粒、粗粉粒和砂粒的富集状况没有显著影响,坡面覆沙是影响侵蚀泥沙颗粒富集率的主要因素。黄土坡面不同时间段侵蚀泥沙颗粒搬运率最低时所对应的泥沙粒径为0.149 mm,侵蚀泥沙颗粒呈单峰分布,黄土坡面侵蚀泥沙颗粒以悬移/跃移方式搬运为主,占总侵蚀泥沙颗粒的90%以上。覆沙坡面不同时间段侵蚀泥沙颗粒搬运率最低时所对应的泥沙粒径为0.068~0.085 mm,侵蚀泥沙颗粒呈双峰分布。在0~6 min,覆沙坡面的侵蚀泥沙颗粒以滚动的搬运方式为主,约占总侵蚀泥沙颗粒的60%左右;6~15 min侵蚀泥沙颗粒以悬移/跃移的搬运方式为主,约占总侵蚀泥沙颗粒的60%左右。(3)阐明了解冻期覆沙黄土坡面主要水动力参数的时空变化特征,分析了各水动力参数间的相关关系及其主导因素。冻结坡面的水流状态均为层流,未冻坡面的水流流型均为急流。不同坡面的径流流速随产流历时的延长呈减小的趋势。未冻坡面的径流流速整体上大于冻结坡面,冻结坡面径流流速随产流历时的减小趋势较为明显,覆沙坡面径流流速随产流历时的变化波动较为剧烈。阻力系数与雷诺数呈幂函数的正相关关系(f=aReb),与弗劳德数存在f=1.66Fr-2的理论关系;对比各水动力参数间的拟合系数发现,在基本参数中径流深是影响不同坡面径流流态流型、径流剪切力和阻力的主导因素。(4)构建了解冻期覆沙黄土坡面主要能量参数与基本水力学参数的关系,定量分析了不同类型坡面的能耗差异。径流功率与径流流速呈幂函数递减的关系,与径流深呈幂函数递增的关系,在基本水力参数中径流深是影响坡面径流功率的主导因素。单位径流功率与径流流速存在P=0.208V的线性理论关系,与径流深呈幂函数递减的关系。不同坡面的径流能耗的变化范围在1.01~4.36 J/min之间,冻结黄土坡面的径流能耗与冻结覆沙坡面无明显差异。未冻坡面径流能耗的在各断面的贡献率极差较大(8%~24%),冻结坡面径流能耗的在各断面的贡献率极差较小(2%~5%)。(5)建立了土壤剥蚀率与侵蚀动力参数间的灰色关联关系,构建了不同坡面基于侵蚀动力参数的侵蚀产沙方程。基于灰色关联理论得出,黄土坡面的径流深和径流剪切力与土壤剥蚀率的关联度较高,覆沙坡面的径流功率与土壤剥蚀率的关联度较高,径流深、径流剪切力和径流功率是与坡面土壤侵蚀率发展趋势较接近的因素。针对黄土坡面和覆沙坡面分别用径流深和径流功率与土壤剥蚀率建立方程,回归分析表明,土壤剥蚀率与侵蚀动力参数均呈正相关的线性函数关系,土壤剥蚀率均随着侵蚀动力参数的增大而增大。
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