论文部分内容阅读
当前，因各种不合理的人类活动所引起的土壤和土地退化问题己严重威胁着世界农业发展的可持续性。其中就退化类型看，土壤侵蚀退化占总退化面积的84％，是造成土壤退化的最主要原因之一。我国黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重的地区之一。长期以来，由于自然和人为因素的共同影响，水土流失问题非常严重，平均每年输入黄河的泥沙量高达1.6×1012kg。严重的泥沙问题已成为制约该区经济发展和社会进步的最严重问题之一。因此，土壤侵蚀研究一直被列为黄土高原综合治理项目中的重要内容之一。黄土高原坡沟系统既是区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。对其侵蚀现象与规律的探究，历来为黄土高原环境整治中理论性与实践性均很强的重要科学命题。由于问题的复杂性，迄今为止，对坡沟系统土壤侵蚀现象的解释，还没有一个较为完满的答案，尤其在坡面、流域尺度上的泥沙来源、坡沟侵蚀产沙关系及治理策略等一些基本问题上还存在较大分歧与争议。本文针对这些问题，以黄土高原丘陵沟壑区内典型的坡-沟连续体为研究对象，通过模拟试验，揭示了坡-沟侵蚀产沙耦合关系，探讨了坡面上不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡系统侵蚀产沙的影响，建立了能预测坡-沟连续体侵蚀产沙量的数学模型。最后，通过对坡面上不同空间部位布设植被措施条件下坡沟系统的侵蚀产沙量差异，分析了不同植被覆盖度、不同植被布设部位的减水减沙效应，并进一步从水动力学参数的变化方面初步揭示了植被措施的减水减沙机理。研究得出了如下主要结论：
(1)径流冲刷条件下，坡面侵蚀产沙过程可分为三个不同的阶段并对应不同的侵蚀产沙特征。其空间变化规律表现为，在6°、9°情况下，坡面各坡段的相对侵蚀量沿下坡方向呈现出先减小再增大的趋势；在12°小流量情况下，坡面各坡段的相对侵蚀量与坡度较小的情况相似，当流量较大时，坡面各不同坡段的相对侵蚀量随坡长的增大而减小。坡面侵蚀产沙量随时间的变化规律为：坡面最下端坡段的相对侵蚀量总是随着冲刷历时的延长而呈现出下降趋势，而其余各坡段的相对侵蚀量是缓慢波动式上升。坡面最下端段面的相对侵蚀量在相同坡度、不同流量情况下在冲刷初期所占总侵蚀量的比例随着放水流量的增大而呈现出下降趋势。
(2)对每一个放水强度来说，坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线，侵蚀量的变化均呈现先减小后增大再减小的趋势。每一坡段内的侵蚀量变化与放水流量及放水强度有关。放水量越大、放水强大越大，每一坡段内的侵蚀量也越大。另外，通过坡沟系统坡面与沟坡部分侵蚀产沙量的对比关系的分析得出，在试验条件下，沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水强度为2.12l/min时的38.13％，增加到放水强度为7.185l/min时的56.01％。如果考虑天然降雨在坡沟系统上的沿程不断汇入，沟坡部分的侵蚀量占全坡总侵蚀量的比例将更高。
(3)沟坡部分的侵蚀产沙量大小主要受坡面放水强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率三因子的影响。其中，坡面放水径流量与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系；坡面来水含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量与之间呈线性关系。
(4)建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。该模型在放水强度较小时，模拟结果是令人满意的，但在放水强度较大的情况下，由于坡面侵蚀量的增大，径流含沙量己属于高含沙水流的范畴，由于高含沙水流的侵蚀特性与一般含沙水流不同，导致模拟计算结果与实测结果有所出入。
(5)无论是坡面还是坡沟系统，在相同植被覆盖度、相同放水强度条件下，三种不同植被布设坡位下的径流总量以及径流过程都无明显差别，但产沙量及含沙量过程在三者之间差异明显，说明不同植被布设部位对产沙量的控制并非通过对径流量的调节而实现的，产流量的大小只与坡面植被覆盖度及放水强度大小有关而与植被的布设部位无关。
(6)在相同植被覆盖度、相同植被布设部位、不同放水强度条件下，沟坡部分的侵蚀产沙量随放水强度的增大而增大；而对于相同的放水强度，沟坡部分的侵蚀产沙量并不随植被覆盖度的增大而减小，相反呈现出增大的趋势。从而说明，在黄土高原水土流失治理中仅治坡不治沟虽能在一定程度上减少总侵蚀量，但减少的侵蚀量主要集中于坡面部分，对沟坡部分来说，其侵蚀量不但不能减少，反而会引起更大的侵蚀产沙量。因此，在黄土高原的实际治理过程中采取有效措施进行坡沟兼治将是减少水土流失的有效手段。
(7)在相同的放水强度和相同的植被布设部位条件下，土壤的初始入渗速率和稳定入渗速率均随着植被覆盖度的增大而增大，相应的侵蚀产沙量随累积入渗量的增大而减小。但在相同放水强度、相同植被覆盖度、不同植被布设部位条件下，坡面各段面的入渗情况并无明显的差别。通过回归分析，得出坡面侵蚀产沙量与累积入渗量以及植被覆盖度与土壤侵蚀产沙量之间均呈指数函数关系。
(8)通过对植被作用下的减蚀机理分析，得出坡面上有植被覆盖与无植被覆盖相比，坡沟系统上各对应段面的径流水动力学参数(流速、雷诺数、弗罗德数、达西一违斯巴赫阻力系数)均发生明显改变。其中，有植被覆盖下的径流流速、雷诺数和弗罗德数较无植被覆盖时小，阻力系数f较无植被覆盖时大。且这些参数的变化均与坡面上的植被覆盖度大小有关。