重力侵蚀驱动的黄土塬边沟坡产沙机制

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重力侵蚀是黄土高塬沟壑区土壤侵蚀的重要组成部分,重力侵蚀在沟道演化和小流域侵蚀产沙方面起到重要作用。由于重力侵蚀影响因素复杂,且具有随机性、突发性以及和与水力侵蚀相伴发生的特点,因而重力侵蚀一直是土壤侵蚀研究的薄弱环节。本文以重力侵蚀高发区黄土塬边沟坡为研究对象,采用模型试验的方法,揭示重力侵蚀发生发展规律,量化重力侵蚀在黄土塬边沟坡侵蚀产沙过程中的影响。对10组初始坡度为70°和80°、沟坡高度为1.0 m和1.5 m、次降雨量为60 mm、48mm和24 mm多因素组合的塬边沟坡重力侵蚀模型试验结果进行分析,完成以下工作:(1)提出了以重力侵蚀创面中心竖向剖面线的形状来定义创面类型的准则,据此将重力侵蚀创面划分为4类,即直线型、上凹弧型、下凹弧型和复合型,并统计得知直线型创面为最危险类型。本试验条件下,直线型、下凹弧型、上凹弧型和复合型重力侵蚀创面的出现频率分别为45%、26%、23%和6%,对应的重力侵蚀量分别占重力侵蚀总量的58%、16%、20%和6%。创面为直线型的最大重力侵蚀事件发生了6次,占最大重力侵蚀事件总侵蚀量的78%。敏感性分析表明创面为直线型的重力侵蚀,其体积对沟坡坡度和降雨强度的变化最敏感,敏感系数分别为4.5和3.7。(2)研究了塬边沟坡侵蚀过程中的沟坡坡度、塬边线后退速率和蚕食的缓坡面积的变化规律及其驱动机制,识别了沟坡后退的敏感因子。在本试验条件下,蚕食的缓坡面积既与重力侵蚀量相关也与水力侵蚀量相关,相关系数分别为0.93和0.71,其中重力侵蚀是缓坡被蚕食的主要驱动力。重力侵蚀是引起沟坡坡度变化的主要原因,在沟坡坡度下降大于5°的19场降雨中,有17场降雨的重力侵蚀量在沟坡土壤侵蚀量中占50%以上。降雨历时和降雨强度分别是影响沟坡坡度动态变化和塬边线后退速率最敏感的因素,敏感系数分别为2.2和4.0。(3)论证了重力侵蚀在塬边沟坡水土流失中的地位,分析了次降雨水文过程与重力侵蚀之间的响应机理。在本试验条件下,10组地形五场降雨后的重力侵蚀量占沟坡土壤侵蚀量的45%~83%,且重力侵蚀累计量随累计降雨量增加呈现对数函数增加。重力侵蚀发生后模型出口的径流含沙浓度是其发生前的2.9~19.2倍,典型重力侵蚀事件发生后1 min输沙体积比发生前1 min平均增加了38%。回归性分析结果表明沟坡水力侵蚀量(2与重力侵蚀体积均是模型出口输沙体积((9)的主要来源,并满足回归方程为:((9)=0.05+0.050+0.182(2(~2=0.56,P<0.001)。综上,建议在黄土塬边重力侵蚀活跃的区域,采用在塬面布设植被缓冲带、沟坡区实施灌草与排水措施、沟底建造淤地坝的方法来防治重力侵蚀。
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