黄土高原是全球土壤侵蚀最严重地区,该区以往严重的土壤侵蚀造成当地生态环境恶化,并使黄河成为时刻威胁下游地区的世界著名“悬河”。1999年国家开始实施退耕还林(草)工程以来,黄土高原产生了广泛分布的覆盖度不等的草地,黄河泥沙发生剧减,黄土高原侵蚀强度显著减低,溅蚀片蚀过程已成为主要的坡面侵蚀过程(高盖度草被下更仅以片蚀为主)。黄土高原大面积低覆盖度草地坡面的存在及降水变率大的气候特征,必然会导致具有一定强度且不可忽视的大面积坡面溅蚀片蚀过程及其大量片流下泄汇集,进而对沟坡及沟道造成严重侵蚀,并对黄河泥沙产生影响。因此,针对黄土高原低覆盖度草地,开展黄土区草地坡面溅蚀片蚀动力学过程研究,可深入认识草地坡面溅蚀片蚀过程机理,深刻理解草被对溅蚀片蚀过程的调控作用,为草地侵蚀过程模型建立奠定基础,促进草地侵蚀过程研究及坡面侵蚀理论进一步发展,并为黄土区坡面水土保持与生态建设、黄河泥沙剧减原因分析与黄河健康管理提供重要科学依据。论文采用草地小区人工模拟降雨试验方法,在不同降雨强度(0.7 mm min-1、1.0 mm min-1 1.5 mm min-1、2.0 mm min-1、2.5 mm min-1)及不同坡度(7。、10。、15。、20。、25°)完全组合条件下,针对黄土高原低覆盖度草地,开展了黄土区草地坡面溅蚀片蚀动力学过程试验研究,分析研究了黄土区草地坡面溅蚀过程、黄土区草地坡面溅蚀过程动力学机理、黄土区草地坡面片流水力学性质对雨滴打击作用的响应、黄土区草地坡面片蚀对溅蚀及降雨片流动力的响应。主要结论如下:1.研究了黄土区草地坡面溅蚀过程。(1)不同雨强、不同坡度下,草地坡面溅蚀率随降雨过程的变化特征基本相似,整体皆随降雨历时延长先急剧减小,后逐渐趋于稳定,皆可用对数方程描述。(2)不同雨强下,草地坡面溅蚀率随坡度增加总体呈增大变化,可用幂函数描述。不同坡度下,草地坡面溅蚀率随雨强增加总体也呈增大变化,可用对数方程描述。(3)黄土区草地坡面溅蚀因子方程是草地坡面溅蚀率对雨强(Ⅰ)及坡度(S)变化响应的二元幂函数方程:Mr=0.005I1.037S0.566。不同雨强及不同坡度下,草地坡面溅蚀率与雨强和坡度皆呈正相关关系,雨强和坡度对草地坡面溅蚀率影响的贡献率分别为69.61%和25.20%。2.阐明了黄土区草地坡面溅蚀过程动力学机理。(1)不同坡度下,草地坡面溅蚀率随雨滴动能、雨滴终点速度、雨滴中数直径的增大分别表现为逐渐增大、先迅速增加后相对缓慢增加、先迅速增加后缓慢增加最后更缓慢增加或趋于稳定,皆可用对数方程描述。(2)不同坡度及雨强下,草地坡面溅蚀率随雨滴动能、雨滴终点速度和雨滴中数直径的变化分别可用幂函数方程、幂函数方程和对数方程描述。雨滴动能是与草地坡面溅蚀率关系最密切的降雨参数,是描述溅蚀率最好的降雨指标。草地坡面溅蚀率对降雨参数的最佳响应方程是溅蚀率(Mr)随雨滴动能(KE)变化的幂函数方程:Mr=7 ×10-5KE1.043。(3)不同坡度及雨强下,草地坡面溅蚀率对雨滴动能与片流水深、雨滴动能与片流流速、雨滴动能及片流水深与片流流速的综合响应关系可分别用二元幂函数方程、二元幂函数方程、三元幂函数方程描述。雨滴动能、片流水深与片流流速组合是与草地坡面溅蚀率关系最密切的降雨及水力学参数,是与草地坡面溅蚀率关系最密切的动力因子指标。黄土区草地坡面溅蚀过程动力学方程是草地坡面溅蚀率对雨滴动能、片流水深与片流流速综合响应的三元幂函数方程式:Mr=3×10-7KE1.3 09h-0.541V0.677。(4)不同坡度及雨强下,雨滴动能、片流水深及片流流速对草地坡面溅蚀率影响的贡献率分别为64.95%、11.33%和17.73%,表明草地坡面溅蚀率受雨滴动能影响最大,其次是片流流速,片流水深的影响相对最小。3.分析了黄土区草地坡面片流水力学性质对雨滴打击作用的响应特征。(1)不同坡度及雨强下,草地坡面绝大多数片流水力学参数(片流流速、水深、雷诺数、阻力系数、剪切力、水流功率)的大小都受到打击片流的降雨参数(雨滴动能、雨滴终点速度、雨滴中数直径)的影响,其中,雷诺数受影响最大,其次是剪切力,再次是水深、水流功率,流速、阻力系数受影响小。雨滴动能是与这些片流水力学参数关系最密切的降雨参数,是影响片流水力学参数大小的主要降雨雨滴特征参数。片流傅汝德数(表征流态急缓)、单位水流功率与打击片流的各降雨参数的相关关系皆极差,受降雨打击的影响极小。(2)不同坡度及雨强下,草地坡面绝大多数片流水力学参数(片流流速、水深、雷诺数、阻力系数、剪切力、水流功率)随打击片流的降雨参数(雨滴动能、雨滴终点速度、雨滴中数直径)的增大而皆增大,表明增加打击片流的降雨参数可加快片流流速,增大片流水深、紊动性、阻力、剪切力、水流功率。(3)不同坡度及雨强下,草地坡面片流流速、水深、雷诺数、阻力系数、剪切力、水流功率随雨滴动能的变化分别可用对数方程、幂函数方程、幂函数方程、指数方程、幂函数方程和幂函数方程描述。4.揭示了黄土区草地坡面片蚀对溅蚀及降雨片流动力的响应关系。(1)不同坡度、不同雨强下,草地坡面片蚀率随溅蚀率的增大而皆增大,可分别用幂函数方程、对数函数方程描述。不同坡度及雨强下,草地坡面片蚀率随溅蚀率的增大逐渐增大,草地坡面片蚀对溅蚀的响应方程是草地坡面片蚀率(Di)随溅蚀率(Mr)变化的幂函数方程:Di= 1.508Mr0.121。(2)不同坡度及雨强下,草地坡面片蚀率随水流剪切力与溅蚀率、片流水流功率与溅蚀率、片流单位水流功率与溅蚀率的响应关系皆可用二元幂函数方程描述。片流水流功率与溅蚀率为描述草地坡面片蚀率对片流水力学参数与溅蚀响应关系的最佳组合。草地坡面片蚀对片流水力学参数与溅蚀的最佳响应方程是草地坡面片蚀率(Di)对片流水流功率(ω)与溅蚀率(Mr)响应的二元幂函数方程:Di=1.514ω0.296Mr0.899。(3)不同雨强与坡度下,草地坡面片蚀率随水流功率及雨滴动能与溅蚀率、水流功率及雨滴终点速度与溅蚀率、水流功率及雨滴中数直径与溅蚀率的变化皆可用三元幂函数方程描述,草地坡面片蚀率与水流功率、各降雨参数、溅蚀率皆呈正相关关系。片流水流功率及雨滴动能与溅蚀率是描述草地坡面片蚀率对片流水力学参数及降雨参数与溅蚀响应关系的最佳组合。黄土区草地坡面片蚀方程是草地坡面片蚀率(Di)对片流水流功率(ω)及雨滴动能(KE)与溅蚀率(Mr)综合响应的三元幂函数方程:Di=0.297ω0.308KE0.197Mr0.753。