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我国黄土区是全球土壤侵蚀最严重地区,并造成黄河成为时刻威胁下游地区的著名“悬河”。黄土区坡面片蚀分布面积最大,驱动其发生发展的片流是该区严重侵蚀产沙的重要根源。1999年国家实施退耕还林还草工程以来,黄土区坡面产生了大量的草地植被,黄河泥沙发生了剧减,草地坡面占优势的土壤侵蚀形式已属于片蚀。阐明黄土区草地坡面片蚀动力学过程,可以深入认识草地植被在坡面片蚀过程中的重要作用,以及草地坡面片蚀动力学机理,为草地坡面片蚀动力学过程模型的建立奠定重要基础,促进草地侵蚀过程研究及坡面片蚀理论进一步发展,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,在不同降雨强度及不同坡度(降雨强度:0.7 mm/min、1.0 mm/min、1.5 mm/min、2.0 mm/min、2.5 mm/min;坡度:7°、10°、15°、20°、25°)完全组合下,开展了黄土区草地坡面片蚀动力学过程试验研究,分析研究了黄土区草地坡面片流径流过程、黄土区草地坡面片蚀产沙过程、黄土区草地坡面片流水力学特征、黄土区草地坡面片蚀过程动力学机理研究。主要结论如下: 1. 分析了黄土区草地坡面片流径流过程。不同雨强及不同坡度下,草地坡面片流径流率随降雨历时变化特征基本相似,皆在降雨产流开始阶段先不断增加,产流一段时间后转为基本保持不变,可用幂函数方程描述;不同坡度下,草地坡面片流径流深随雨强增大而增大,可用线性方程描述;不同雨强下,草地坡面片流径流深随坡度增大而轻微减小,可用线性及对数方程描述;草地坡面片流径流因子方程为片流径流深随雨强及坡度变化的二元幂函数方程,片流径流深与雨强正相关,与坡度负相关,雨强的影响远大于坡度的影响。 2. 揭示了黄土区草地坡面片蚀产沙过程。(1)不同雨强及不同坡度下,草地坡面片蚀率随降雨历时变化特征基本相似,皆在降雨产流开始阶段先不断增加,产流一段时间后转为基本保持不变,片蚀率变化的波动性2个最大雨强及2个最大坡度下明显大于3个小雨强及3个小坡度下,草地坡面片蚀率随降雨过程变化皆可用幂函数方程描述;不同坡度下,草地坡面片蚀模数随雨强增大而增大,可用幂函数及对数方程描述;不同雨强下,草地坡面片蚀模数随坡度增大而增大,可用对数方程描述;草地坡面片蚀因子方程为片蚀模数随雨强及坡度变化的二元幂函数方程,片蚀模数与雨强和坡度均正相关,雨强的影响大于坡度的影响。(2)不同雨强及不同坡度下,草地坡面片流径流含沙量随降雨历时变化趋势总体基本相似,总体在降雨产流早期阶段随降雨历时延长增大较快,之后转为相对稳定,变化过程中总体波动性较大,草地坡面片流径流含沙量随降雨过程变化皆能用幂函数方程描述;不同坡度下,草地坡面片流径流含沙量随雨强增大先增大后减小,可用抛物线方程描述;不同雨强下,草地坡面片流径流含沙量随坡度增大而增大,可用对数方程描述;草地坡面片流径流含沙量随雨强及坡度变化可用二元对数方程描述,与雨强和坡度均正相关,坡度的影响远大于雨强的影响;草地坡面片流含沙量与雨强及坡度皆呈正相关关系表明雨强及坡度对侵蚀产沙的促进作用大于对产流的促进作用。 3. 研究了黄土区草地坡面片流水力学特征。(1)不同雨强及不同坡度下,随降雨历时延长,草地坡面片流流速皆在降雨产流开始阶段先不断增加,产流一段时间后继续保持小幅度增加或转为基本保持不变,可用幂函数方程描述,片流阻力系数总体上在降雨产流开始阶段先增加或处于高值状态,之后转为缓慢降低或基本不变,片流雷诺数皆在降雨产流开始阶段先不断增加,产流一段时间后转为基本保持不变,可用幂函数方程描述,片流佛汝德数总体上皆呈缓慢上升或基本不变;(2)草地坡面片流各水力学参数随雨强及坡度的变化,流速可用二元幂函数方程描述,与雨强和坡度均正相关,坡度的影响大于雨强的影响,水流阻力系数可用二元指数函数方程描述,与雨强正相关,与坡度负相关,雨强的影响远大于坡度的影响,雷诺数可用二元幂函数方程描述,与雨强正相关,与坡度负相关,雨强的影响远大于坡度的影响,佛汝德数可用二元线性方程描述,与雨强负相关,与坡度正相关,雨强的影响大于坡度的影响;(3)不同雨强及不同坡度下,草地坡面次产流片流雷诺数变化在4.515—24.042间,佛汝德数变化在2.374—7.137间,试验条件下,草地坡面片流流型皆属于层流,流态皆属于急流。 4. 阐明了黄土区草地坡面片蚀过程动力学机理。(1)不同雨强及不同坡度下,草地坡面片蚀率随流速、水流切应力、水流功率、单位水流功率、断面单位能量的增大而皆增大,除随水流切应力增大变化用对数方程描述外,随其余水动力学参数的增大变化皆可分别用不同的幂函数方程描述;(2)水流功率是与黄土区草地坡面片蚀率关系最密切的水动力学参数,黄土区草地坡面片蚀率对水动力学参数的最佳响应方程是片蚀率随水流功率变化的幂函数方程;(3)不同雨强及不同坡度下,草地坡面片蚀率对水流功率及雨滴动能的综合响应、水流功率及雨滴终点速度的综合响应、水流功率及雨滴中数直径的综合响应皆可分别用不同的二元幂函数方程描述,各方程中片蚀率与水流功率、雨滴动能、雨滴终点速度、雨滴中数直径均成正相关,水流功率的影响分别大于雨滴动能、雨滴终点速度、雨滴中数直径的影响;(4)水流功率与雨滴动能组合是与黄土区草地坡面片蚀率关系最密切的水动力学及降雨参数,是描述试验条件下黄土区草地坡面片蚀动力学过程最好的动力学指标,黄土区草地坡面片蚀动力学过程的发生发展根源于水流功率和雨滴动能的共同动力作用;试验条件下,黄土区草地坡面片蚀动力学方程是片蚀率(Di)对水流功率(ω)及雨滴动能(KE)综合响应的二元幂函数方程: Di=0.221ω0.831 KE0.416。