黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重、生态环境最脆弱的地区,水土流失不但造成当地生态环境恶化和农业生产力下降,还会因为侵蚀的大量泥沙淤积而堵塞下游河道,严重影响黄河安澜和生态安全。坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间,是黄土高原重要的流域组成单元,是小流域侵蚀产沙的主要源地,又是控制水土流失、恢复与重建生态环境的基本治理单元,因此对坡沟系统侵蚀产沙规律的探究,历来是黄土高原环境整治中理论性与实践性很强的重要科学命题。本试验利用水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室的黄土高原人工模拟降雨大厅和现有的坡沟系统概化模型设施,利用45mm/h、85mm/h、120mm/h等三种雨强进行坡沟系统侵蚀产沙试验,对试验过程中侵蚀沟的沟宽沟深、坡面径流流速、侵蚀产流产沙速率等数据进行测定、处理和分析,探讨了坡沟系统侵蚀产沙时空分布规律及其与侵蚀过程中径流水力学参数的时空响应关系。根据本试验研究,得出以下主要结果:(1)以往对坡沟系统的研究很少从空间和时间尺度上分析水力学参数的表现特征,更缺少其与侵蚀产沙空间分布的相关性分析,不足以揭示坡沟系统产沙的时空变异的真正原因,本研究在试验内容上具有创新性。(2)雨强相同时,坡沟侵蚀累积产流产沙量随着降雨历时的增大均呈幂函数增长趋势,且雨强越大,累积产流产沙量随降雨历时呈幂函数增大的趋势也就越明显;雨强不同时,坡沟侵蚀累积产流量会随着雨强的增大而增大,但其随雨强增大的速度并不会无限增加,而是会在降雨达到一定程度后逐渐减弱。(3)不同雨强条件下,雨强越大,径流雷诺数也就越大;雨强相同时,坡沟侵蚀过程中的坡面雷诺数,随着降雨历时的增加表现出先增大后趋于稳定的趋势。雷诺数是判别径流流态的重要依据,径流处于层流状态时,径流含沙率增长缓慢,径流处于紊流时,径流含沙率则增长迅速。从空间角度来看,同种雨强时,在坡5断面和沟1断面径流雷诺数和径流含沙率达到最大值,并沿坡面逐渐趋于稳定。(4)不同降雨强度下,径流弗洛德数从大到小依次是45mm/h>120mm/h>85mm/h,由此可见,随着降雨强度的增大,径流弗洛德数的变化情况比较复杂;雨强相同时,坡沟侵蚀过程中的坡面径流弗洛德数,随着降雨历时的增加表现出先增大后逐渐降低的变化趋势。弗洛德数是表征径流急缓状态的参数,径流处于缓流状态时,径流含沙率增长缓慢;径流处于急流状态时,径流含沙率则增长迅速。从空间角度来看,同种雨强时,弗洛德数在坡面表现出逐渐增大的趋势,在坡面和沟坡转折处迅速降低,出现一个极小值后进入沟坡部分又开始逐渐增大。(5)不同雨强条件下,雨强越大阻力系数越小;雨强相同时,坡沟侵蚀过程中的阻力系数随着降雨历时的增加先增大后降低最后逐渐趋于稳定。径流在沿坡面流动的过程中必然会受到阻力作用,径流所受阻力的大小关系到径流对土壤的有效侵蚀力。阻力系数增大,径流含沙率则相对稳定;阻力系数减小,则径流含沙率逐渐增加。从空间角度来看,同种雨强时,沟坡各断面阻力系数比坡面各断面阻力系数小,从整个坡沟系统来看,阻力系数沿坡面逐渐减小,只是在坡面和沟坡转折处突然增大,这主要是坡面和沟坡坡度变化影响的结果。