不同下垫面条件的水土保持效益及机理研究-以南小河沟流域为例

• 作 者: 崔胜寓
• 机 构: 西安理工大学
• 出 处: 西安理工大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 下垫面 植被结构 水土保持 效益分析 土壤侵蚀 动力机制

黄土高塬沟壑区是黄土高塬地区地貌最典型、面积最大的一个区域，而南小河沟流域作为典型的黄土高塬沟壑区，近些年来成为国内外水土保持研究的重点区域。本文以南小河沟流域为研究区域，基于历史实测资料和人工降雨试验数据采用试验模拟和模型分析等数学分析方法，在定性分析草被冠层、根系等不同下垫面对坡面侵蚀影响的基础上，定量研究了其水土保持效益，并从水动力学角度探讨了不同下垫面的侵蚀动力学机制。主要结论如下：　　（1）在不同植被结构下垫面影响下产流和产沙量随着坡度和雨强表现出各自的变化规律，但总体来说相对于不同植被结构，不管是产流量还是输沙率，下垫面与水沙参数均表现出草被坡面＜根系坡面＜裸坡坡面的规律，这表明植被冠层和根系部分确实能够起到抑制侵蚀的作用，但是其效果各异。　　（2）南小河沟流域4种不同下垫面径流场在1975-1986年间的产沙情况为：随着植被度的增加，侵蚀情况得到了进一步缓解；就单一下垫面而言，在植被情况确定不变时，伴随着降雨量的增加，侵蚀强度也会相应增加；杨家沟与董庄沟之间的植被度与侵蚀产沙情形差别明显，相对于未治理流域（董庄沟）经过近几十年治理后杨家沟的侵蚀量明显较小。　　（3）总体而言，黑麦草冠层的减流效益高于根系部分，且不同试验条件下冠层和根系部分的减流贡献率比值均大于1；区别于减流效益，黑麦草的根系部分表现出更加明显的减沙作用，且不同试验条件下（试验坡面坡度；降雨强度）根系与冠层的减沙贡献率的比值始终大于1，表明黑麦草主要通过其根系部分抑制土壤侵蚀；通径分析结果表明，可将降雨强度、试验坡面坡度和产流量视为影响侵蚀产沙量的决策变量，且三者对侵蚀产沙量有正向的线性影响，总的来说，三个因子影响产沙量作用的大小顺序为产流量＞降雨强度＞试验坡面坡度；SPSS的分析与通径分析的理论基本相同，利用PS线性回归实现通径分析的方法可行，可以进行大范围的应用。　　（4）杨家沟小流域作为典型治理流域在1975-1986年其水土保持效益开始逐步显现，相对贴近度值呈增加趋势；而董庄沟小流域由于是未进行治理的原始流域其水土保持效益并没有杨家沟小流域那么明显，甚至出现了水土流失加剧的现象，且模型模拟结果符合流域调查情况，表明利用改进的Topsis模型计算得出的相对贴近度能够较为客观科学地反映流域水土保持治理效益的动态变化过程，符合杨家沟和董庄沟小流域的实际情况。　　（5）不同坡度和降雨强度下流速表现为裸坡＞根系＞草被坡面的大小规律，且黑麦草根系部分的减速效益明显大于其冠层的减速效益，同时发现不同雨强处理间减速效益差异显著，说明雨强变化对根系和冠层的减速效益影响显著；不同下垫面条件水深表现出草被＞根系＞裸坡的规律；不同下垫面条件的雷诺数Re变化不是很大，且都小于临界值500，说明不同植被结构覆盖下的坡面流流态为层流；裸坡的弗劳德数Fr远大于草被坡面和仅有根系作用坡面的Fr，且大于临界值1，属于急流，而整珠植被覆盖和根系作用下的弗劳德数Fr小于1，属于缓流。　　（6）水流剪切力τ、水流功率ω、单位水流功率P和断面单位能量E随着雨强和坡度的增大其值也在变大，且在剪除地面冠层部分后水动力因子都表现出一定的涨幅；水流剪切力τ对土壤侵蚀的影响较大，水流功率ω和单位水流功率P次之，过水断面单位能量E的影响相对较小；植被根系和冠层均能够提高土壤颗粒抵抗径流侵蚀的能力，且黑麦草主要借助于根系部分的特性提升土壤的抗冲刷能力。