薄层水流作用下紫色土坡耕地细沟发生机制及其临界坡长研究

CORC > 成都山地灾害与环境研究所 > 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 > 山地表生过程与生态调控重点实验室

题名	薄层水流作用下紫色土坡耕地细沟发生机制及其临界坡长研究
作者	严冬春
学位类别	博士
答辩日期	2011-05-27
授予单位	中国科学院研究生院
授予地点	北京
导师	贺秀斌 ; 文安邦
关键词	细沟紫色土坡耕地薄层水流临界坡长
其他题名	Mechanism and slope length of rill initiation on purple soil slope land
学位专业	自然地理学
中文摘要	紫色土历来是西南地区农业发展的主要资源，土壤侵蚀导致的土壤退化日益严重，而关于紫色土细沟侵蚀的研究相对滞后，有必要查明紫色土细沟发生的机制及其临界坡长，为紫色土坡耕地细沟侵蚀防治提供科学依据和数据支撑。本研究在大量野外调查、观察认识紫色土坡面细沟发生过程的基础上，采用人工模拟降雨、微地貌扫描和7Be示踪技术相结合的技术手段；定量描述了紫色土坡面细沟发生过程坡面和细沟形态演变特征；构建了跌坑贯穿形成细沟的薄层水流集中模型，试验调查了薄层水流流速、流深、切应力与薄层水流集中度的关系；定量区分了降雨过程中片状侵蚀与细沟侵蚀量，分析了细沟剥蚀率与径流含沙量的关系；试验调查了紫色土坡耕地坡度、前期含水量以及不同前处理对细沟发生临界坡长的影响，揭示了横坡截流沟防治坡耕地细沟侵蚀机制。主要结论如下：（1）观察分析了坡面侵蚀发育过程中跌坎－跌坑－细沟的形态演变过程：跌坎的出现是薄层水流侵蚀的必然，以落差作为细沟发生的标准对于紫色土不合适；跌坑是细沟发育过程中至关重要的一环，跌坑的出现表明表层紫色土结构遭到破坏，跌坑的形成内因在于紫色土的异质性；跌坑出现以后坡面漫流在跌坑处集中，侵蚀动力发生质变，跌坑在股流作用下溯源侵蚀和下切坡面导致跌坑的贯穿，跌坑的贯穿标志着细沟的形成。因此，对于紫色坡面细沟发生机理的水动力模拟试验，应着眼于薄层水流作用下跌坑贯穿的水动力条件的探索。（2）跌坑的形成是土壤异质性和薄层水流动力的耦合作用形成，而跌坑对薄层水流的集中导致了薄层水流流速、流深和切应力的变化，进一步塑造了侵蚀坡面形态，最终导致了跌坑贯穿形成细沟。薄层水流集中后平均径流深、流速、切应力以及单宽径流动能EV’分别是径流集中前的倍、倍、倍和倍，可见集中后的薄层水流动力变化主要与有关，将定义为薄层水流集中度Kc；曼宁糙度系数随流速增大而减小，薄层水流区坡面曼宁糙度系数变化于0.014～0.026之间，沟道曼宁糙度系数变化于0.008～0.015；薄层水流流速和流深顺坡增大，在跌坑处集中后流速剧增，雨强越大流速越大、流深越小；径流切应力顺坡增大，在跌坑贯穿处由于跌坑集中薄层水流而切应力剧增；试验紫色土可蚀性参数K为0.144 s/m，跌坑贯穿的临界切应力为2.48Pa。（3）7Be示踪法能较好的定量区分细沟与片状侵蚀量，解决了传统试验中只能分别试验片状侵蚀与细沟侵蚀剥蚀率的问题。随着降雨历时的延长，细沟侵蚀量迅速增大，细沟剥蚀率随时间和径流含沙量均先增大后趋于平稳；Boltzmann分布函数拟合可决系数虽然略小于直线拟合结果，但在反映径流含沙量达到某一值时细沟剥蚀率趋于稳定这一现象的物理意义明确。方程中，C0代表的物理意义可以理解为细沟剥蚀率发生转折时的径流含沙量平衡点。（4）紫色土坡耕地细沟发生临界坡长随坡度的变化先减小后增大，在临界坡度处发生转折，紫色土细沟发生临界坡度约为35°；临界坡长随土壤前期含水量的变化先增大后减小，可能存在最大临界坡长对应的临界含水量，试验得到的临界含水量为19.5％；临界坡长与坡度和土壤前期含水量均呈二次抛物线关系，在平整坡面上土壤筛分对试验的影响并不显著；野外调查坡耕地横坡截流沟间距与试验调查的紫色土坡耕地细沟发生临界坡长相似，说明通过开挖横坡截流沟截短坡长可以有效的控制细沟侵蚀的发生。
英文摘要	Rill erosion is one of the main format on slope erosion, of which is one special erosion style between sheet erosion and gully erosion. The rate of soil erosion would be double increased, once rill erosion taken place. If there were some measures to cut the length of slope, for avoiding rill erosion occur, the amount of soil erosion would be decreased more. Nevertheless, the research about rill initiation on the purple soil slope is relative less, although the purple soil is the main land resource. In order to reveal the mechanism of rill initiation, this research adopt simulation rainfall, microtopography scan and 7Be tracing technique to discover the coupling relation between microtopoghy and hydrodynamic when the rill occurred. And the detailed results are displayed following:
语种	中文
公开日期	2013-01-30
内容类型	学位论文
源URL	[http://192.168.143.20:8080/handle/131551/4862]
专题	成都山地灾害与环境研究所_山地表生过程与生态调控重点实验室
推荐引用方式 GB/T 7714	严冬春. 薄层水流作用下紫色土坡耕地细沟发生机制及其临界坡长研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.