人工模拟降雨条件下覆被坡面水沙过程及土壤侵蚀动力学特性分析

发布时间：2020-04-28 23:59

【摘要】：土壤侵蚀是当前世界性的环境问题之一。世界各国都存在着不同程度的土壤侵蚀,但中国却是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一。永定河上游流域地处半干旱半湿润的蒙古高原与华北平原过渡地带,是我国半干旱半湿润生态系统的典型区域,该区域植被状况较差,大部分地区降水量偏少且时空分布极不均匀,存在着山地植被破坏、水源涵养功能差、河水含沙量大、地表水资源功能性短缺等问题,土壤侵蚀状况较为严重,极大地影响了该区域的生态系统平衡。因此,开展土壤侵蚀--水沙过程及其机制研究对永定河上游生态系统恢复重建和生态环境良性建设十分必要。本研究以永定河上游典型区域--清水河流域为研究区域,采用室内人工模拟降雨的研究方法,系统分析清水河流域不同覆被条件(灌草、纯灌、纯草、裸坡)和不同雨强条件(30mm/h、45mm/h、60mm/h、75mm/h、90mm/h)下的坡面水沙运移过程及其水动力学特征,进而剖析坡面土壤侵蚀的响应机制及其内在机理,以为永定河上游流域的水土流失规律研究提供理论基础,为永定河上游流域生态系统恢复和绿色发展提供理论依据。研究的主要结论如下:(1)分析了不同雨强、不同覆被条件下坡面产流产沙过程。各实验条件下坡面产流率随时间变化均呈现先增加后趋于稳定的趋势,坡面产沙率随时间呈现出先增加后减少的趋势;同一覆被不同雨强条件下,径流率、产沙率均随雨强增大而增加;同一雨强不同覆被条件下,灌草组的径流率、产沙率最低,其次为纯草、纯灌、裸坡;每种覆被条件下坡面流累积产沙量与累积产流量均呈良好的正相关关系。(2)分析了不同雨强、不同覆被条件下坡面流水力学参数变化规律。植被覆盖对坡面流具有良好的减速效益,各覆被条件的减速效益为:纯灌纯草灌草;不同覆被下坡面平均径流深大小顺序为:纯草灌草纯灌裸坡;不同覆被条件下坡面流的径流雷诺数范围为2.25-42.65,均为层流;弗劳德数值范围为0.20-0.88,均属于缓流;相关分析结果表明曼宁糙率系数、阻力系数均与产沙量有着良好的负相关关系。(3)分析了不同雨强、不同覆被条件下坡面流侵蚀动力学机理。每种覆被条件下,随着雨强增大,各侵蚀动力学参数均会随之增加。不同覆被条件下坡面平均径流剪切力的大小为:纯灌纯草灌草裸坡;平均径流功率的大小为:灌草纯草纯灌裸坡;平均单位径流功率的大小为:裸坡灌草纯草纯灌;平均断面单位能量大小顺序为:纯灌纯草灌草裸坡。每种覆被条件下的各侵蚀动力学参数均与对应条件下的产沙量呈良好的线性相关。因此,该区域土壤侵蚀受到降雨强度和覆被情况的影响,降雨强度越大侵蚀越剧烈,而植被覆盖能有效地减缓土壤侵蚀。
【图文】：

２．研究区概况与研究方法究区概况与研究方法逡逑究区概况逡逑礼区位于河北省西北部，隶属张家口市，位于半干旱半湿润的蒙古高原与华逡逑过渡地带（４０°邋４７＇邋－４１°邋１７＇邋Ｎ，１１４°邋１７＇邋＿１１５°逦Ｅ），，地势西北高东南逡逑面积达２３３４邋ｋｍ２，海拔范围为８１３－２１７４ｍ，气候类型为大陆性季风气候。年平逡逑量为４６５．邋４邋ｍｍ，其中６－９月的降水量占全年降水的四分之三，降水时空分布逡逑是河北省降水量最少的地区之？。境内的清水河属于永定河水系洋河段的源逡逑，年径流总量达１．００６９亿ｍ３。境内土壤类型以栗钙土、褐土和棕壤为主。植逡逑有阔叶林、针阔混交林、落叶针叶林、常绿针叶林、灌木丛和草甸，其中灌逡逑榛子、荆条和沙棘为主，草本以苔草、狗尾草和绣线菊为主。逡逑

随着降雨的继续进行，土壤含水量逐渐达到饱和，至此入渗能力趋于稳定不再下降，逡逑因此产生稳定的坡面流。逡逑不同覆被在不同雨强条件下坡面产流过程线如图３．１所示。由图可以看出，每场逡逑实验条件下的产流率随着降雨历时的变化趋势都非常相似，均在刚开始阶段产流率很逡逑低，随着降雨历时的增加，产流率逐渐增大，在一段时间后，产流率逐渐趋于稳定。逡逑这是由于土壤含水量此时到达一个饱和的状态，土壤入渗稳定，因此坡面的产流率此逡逑时也达到相对稳定的状态。但是不同降雨条件会对产流到达稳定时间有显著影响。由逡逑图中可以看出，随着降雨强度的增加，产流率会更快地达到稳定状态，且随着降雨强逡逑度增加，坡面产流率也在变大。逡逑经统计，在裸坡条件下，降雨强度为３０ｍｍ／ｈ、４５ｍｍ／ｈ、６０ｍｍ／ｈ、７５ｍｍ／ｈ、９０ｍｍ／ｈ逡逑对应的坡面流稳定产流率分别为：３６７．１３ｍｌ／ｍｉｎ、４５４．０８邋ｍｌ／ｍｉｎ、９６０．２４邋ｍｌ／ｍｉｎ、１０３６．１０逡逑ｍｌ／ｍｉｎ、１３８１．８８邋ｍｌ／ｍｉｎ，相比３０ｍｍ／ｈ的情况，其稳定产流率分别增加了邋２３．６８％、逡逑１６１．５５％、１８２．２２°／。、２７６．４０％。在灌草条件下
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S157

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本文编号：2644005