模拟降雨条件下花岗岩红壤坡面细沟侵蚀发育过程

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花岗岩红壤主要分布在我国南方高温多雨地区,崩岗侵蚀严重,是我国长江以南主要侵蚀土壤之一。细沟侵蚀造成崩岗区集水坡面表层土壤的侵蚀与流失,是崩岗区土壤侵蚀不断加重的开端,也是崩岗区坡面侵蚀的主要方式之一。本研究选取典型花岗岩红壤发育区福建长汀为研究区,以典型崩岗区集水坡面上未被侵蚀的花岗岩红壤表层土为研究对象。采用室内人工模拟降雨试验,设计10°、15°、20°三种不同坡度和70mm/h、100mm/h、130mm/h三种不同降雨强度进行间隔式连续降雨。对花岗岩红壤坡面细沟发生、发育及发展特性进行研究,剖析雨强和坡度因子对细沟侵蚀及其形态特征的影响,探究连续降雨下细沟的侵蚀形态特征及发展趋势。研究结果对于认识花岗岩红壤坡面细沟侵蚀过程与机理具有重要意义,也可为研究典型花岗岩发育地区崩岗的启动机理做铺垫。本研究得出的主要结论如下:(1)降雨强度和坡度对花岗岩红壤坡面细沟侵蚀的发育有显著影响。降雨强度主要影响花岗岩红壤坡面细沟侵蚀的发生、发育及发展态势。降雨强度越大,细沟越易发生、发育速度越快、发展趋势越严重,细沟溯源侵蚀速率最快可达3.74mm/min,细沟产沙量可达6.88kg/(m~2·h)。降雨强度对坡面产流产沙有较大影响,降雨强度越大,坡面产流所需时间越短,最短仅需21s,产流量越大,产沙率越高,径流含沙量越大,坡面产沙率和径流含沙量的波动越明显。坡度主要影响细沟的发育速度及侵蚀程度。坡度越大,细沟发育速度越快,侵蚀程度越严重。随着坡度的增加,最大产沙率区间提前,产沙峰值达到时间缩短。坡度为15°左右时,坡面细沟侵蚀产沙量最大,细沟发育速度最快,坡面侵蚀程度最为严重。(2)降雨强度和坡度对花岗岩红壤坡面侵蚀泥沙的分选有显著影响。随着降雨的进行,坡面径流对粗颗粒(>0.25mm)的搬运能力增强;降雨强度较小时,坡面径流优先搬运细颗粒(<0.05mm);降雨强度较大时,粗颗粒富集率较大,径流搬运大量粗颗粒。降雨强度较大时,坡度对侵蚀泥沙颗粒组成的影响显著。坡度越大,径流搬运的粗颗粒越多,径流的搬运能力越强。(3)细沟内径流的单位水流功率最大,对土体的剥蚀搬运能力最强,细沟侵蚀是坡面侵蚀产沙的主要来源,细沟贡献率达70.61%-89.33%。坡面下段的径流剪切力较大,细沟的发育基本从坡面下段开始。细沟启动的临界能量值在低坡度时介于266.5-432.2J/m~2之间,高坡度时介于241.1-313.7J/m~2之间。坡度越大,细沟所需的启动能量值越低;降雨强度越大,细沟所需的启动能量值越低。(4)通过对累积降雨量的分析发现,在累积降雨量达到400-600mm以下时,坡面侵蚀发育迅速,降雨强度较小的情况下也会发生少量细沟侵蚀,降雨强度较大时,坡面细沟侵蚀发育迅速,主要以溯源侵蚀和纵向侵蚀为主。累积降雨量在500mm左右至1000mm之间时,小雨强下坡面细沟侵蚀逐渐减弱,大雨强下坡面细沟侵蚀逐步由沟头快速前进转变为沟头缓慢前进,并且沟岸扩张和沟底下切作用明显增强。在累积降雨强达到1000mm之后,小雨强下的坡面细沟侵蚀彻底停止,坡面以稳定的面蚀为主;大雨强下的坡面细沟侵蚀继续发育,侵蚀速率保持稳定;当降雨强度更大时,细沟侵蚀会加速发育,溯源侵蚀、横向侵蚀、纵向侵蚀同时进行。
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