基于模拟降雨试验的黄河下游河岸坡面侵蚀特征研究

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土壤侵蚀是我国所面临的严峻的生态环境问题之一,所造成的土壤退化、养分流失、河流污染等问题严重威胁了社会经济的可持续发展。河岸带作为河流和陆地的交错带,是河流生态系统与陆地生态系统之间进行物质传递、能量流通和信息交换的重要过度带,是生态学和地理学研究的热点。但近年来受人为活动的干扰,河岸带水土保持功能退化严重。研究河岸植被对坡面侵蚀过程的影响将为河岸带功能的管理和保护提供重要的科学依据。本文选取黄河下游河岸带为研究对象,采用野外模拟降雨试验研究了侵蚀动力条件(降雨)和地表条件(坡度、植被盖度)对坡面侵蚀过程的影响,揭示了河岸带坡面的产流产沙特征和水动力学机理。主要研究结论如下:(1)河岸坡面径流系数和侵蚀率随着降雨强度和坡度的增大而增大,随植被盖度的增大而减小。(2)河岸坡面侵蚀泥沙以粉粒为主。随着坡度增加,侵蚀泥沙中砂粒的含量逐渐增大,粉粒的含量逐渐减少。随着植被盖度的变化侵蚀泥沙粒径分布无显著改变。不同条件下,坡面侵蚀泥沙中细粉粒的富集率均>1。(3)降雨强度、坡度和植被盖度对河岸带坡面侵蚀产沙的影响贡献分别为23.6%、7.62%和45.98%。当坡度小于15°时,坡面产流产沙变化主要受到植被盖度的影响;当坡度大于15°时,坡面产流产沙变化的主导因素变为坡度因子。(4)河岸带坡面侵蚀水流的流态大部分均处于“层流-缓流区”。坡面水力学参数(雷诺数、弗劳德数、曼宁粗糙率以及阻力系数)均受降雨强度、坡度和植被盖度改变的影响但不呈现特定的函数关系。雷诺数与降雨强度极显著相关(p<0.01),曼宁粗糙率和阻力系数与植被盖度极显著相关(p<0.01)。(5)河岸带坡面径流剪切力、水流功率和单位水流功率均随着降雨强度和坡度的增大而增大,水流功率和单位水流功率随着植被盖度的增大而减小,但径流剪切力随着植被盖度的增大而增大。平均输沙率与径流剪切力、水流功率和单位水流功率呈正相关,在土壤侵蚀发生时均存在临界剪应力和临界功率。水流功率能较好的描述坡面侵蚀的动力过程。
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