坡面侵蚀过程中泥沙颗粒特性研究

• 作 者: 吴凤至
• 机 构: 华中农业大学
• 出 处: 华中农业大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 人工模拟降雨 坡面侵蚀 秸秆覆盖 泥沙分选特性 黏粒含量

坡面是土壤侵蚀发生的基本单元,也是研究土壤侵蚀的基本单元。坡面水蚀包括降雨击溅和径流冲刷引起土壤颗粒分离、泥沙输移和沉积3个相互影响又相互制约的子过程。坡面侵蚀、搬运和沉积过程的定量刻画一直是土壤侵蚀研究的前沿领域,但也是难点所在,研究坡面侵蚀过程中的侵蚀泥沙颗粒分布特性,可以在一定程度上解决这一难题。针对黄土高原坡面侵蚀过程中泥沙颗粒特性和侵蚀方式演变过程,研究了黄土高原两种土壤(塿土和黄绵土)的坡面片蚀—细沟间侵蚀—细沟侵蚀的演变过程以及伴随的坡面侵蚀产沙过程和侵蚀泥沙颗粒再分布过程,借助人工模拟降雨和室内双土槽组成的模拟试验装置,运用土壤侵蚀学、水力学、泥沙运动力学、地质地貌学等学科的理论知识,结合坡面侵蚀形态发育测量(直尺法)和侵蚀泥沙颗粒特性分析(激光法),分析了不同降雨强度、坡度、坡长和覆盖度对坡面侵蚀方式演变过程的影响,基于土壤颗粒特性,探讨了土壤结构与坡面侵蚀过程互馈机理,旨在深入了解坡面侵蚀产沙过程的动力学机理,揭示土壤侵蚀内在规律,为侵蚀模型的建立提供理论依据。主要研究结果如下：(1)研究了塿土和黄绵土在坡面侵蚀过程中黏粒含量在不同雨强和坡度条件下的变化规律,比较了侵蚀泥沙颗粒(未分散)和原始泥沙颗粒(分散后)的大小分布特征。结果表明：侵蚀泥沙黏粒含量随着坡长和降雨强度的增大而增加,黄绵土变化明显,增加了8.8%和2.4%；塿土仅增加了2.8%和0.4%。2个土样都随坡度的增大而减小,分别减少了4.9%和3.9%。两种土壤的黏粒团聚率小于1,富集率大于1,在侵蚀搬运过程中作为黏粒团被搬运,引起黏粒的富集。(2)以塿土为研究对象,研究坡面片蚀-细沟侵蚀发育过程中泥沙颗粒特性。结果表明：不同降雨强度(60mm/h、90mm/h、120mm/h)下,产沙强度与降雨量之间呈指数关系分布；坡面侵蚀过程分为三个阶段,溅片蚀阶段：2gm-50gm颗粒含量与其他时间段相比明显增多,细沟间侵蚀阶段：<2μm颗粒增多,21μm～50μm颗粒减少,细沟侵蚀阶段：<2μm和>501μm颗粒含量没有显著变化,而2μm～50μm颗粒逐渐增多；侵蚀泥沙颗粒与产沙强度、产流强度、坡面流速、降雨量和泥沙原始颗粒之间有极显著的线性相关性,相关系数0.8(n=20)以上。(3)研究6个不同覆盖度(0、15%、30%、50%、70%、90%)对侵蚀泥沙颗粒和产沙过程的影响。结果表明：与裸地相比,秸秆覆盖的产流强度减少了14%～84%,产沙强度减少了49.8%～95.3%；随着降雨时间的延长,黏粒含量呈幂函数降低,相关系数分别为0.75和0.98(n=18)；覆盖度为90%的砂粒团聚率达到最小值,裸地的砂粒团聚率达到最大值,说明裸地搬运的原始泥沙颗粒比有秸秆覆盖的坡面多。(4)根据黄土高原侵蚀性降雨的分布规律,选取1个降雨强度(90mm/h)和4个坡度(10°、15°、20°、25°),研究侵蚀泥沙颗粒随时间变化的大小分布情况,及其泥沙颗粒的分选特性和搬运机制。结果表明：坡面侵蚀过程中的黏粒部分有很小的波动,并且与降雨动能有很高的相关性；悬移质与跃移质中<54μm的颗粒在细沟间侵蚀过程中起到主要作用；然而,在坡面细沟发展之后,床移质的搬运主要通过(>152μm)粗颗粒的滚动搬运,随着坡度的增大,搬运动能增大。