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崩岗是我国南方热带和亚热带丘陵区危害最严重的土壤侵蚀地貌,严重阻碍了当地农业生产和经济发展。长期以来,对崩岗侵蚀形成机理研究较多的关注了较多的关注了坡面土壤含水量的时空变异,地表径流对崩岗坡面的侵蚀以及不同土壤含水量条件下土体抗剪强度的改变对崩岗侵蚀发展的影响等等。事实上,在崩岗侵蚀发生过程中,除了地表径流和土壤含水量等因素以外,壤中流也是崩岗侵蚀发展过程中重要的一环,它全程参与崩岗侵蚀发生的各个阶段。因此,本研究的目的是探究不同类型壤中流对崩岗侵蚀发展的影响以及产生这种影响的根本原因。
本文测定了崩岗集水坡面不同坡位(包含坡上、坡中、坡下三个位点)和不同崩壁剖面中不同深度土层(0-20、20-40、40-60和60-80cm四个土层)的土壤含水量,孔隙水压力和土壤基质势。通过对崩岗坡面和崩壁剖面的土壤物理性质,土壤含水量时空分布以及不同类型壤中流的时空分布、水动力学特征等来探究不同类型壤中流对崩岗侵蚀发展的影响。主要得到以下结果:
(1)在研究的崩岗集水坡面上,土壤类型从坡上到坡下,从表层到深层逐渐由粘质土过渡到壤质土。土壤中砂粒含量逐渐增加。同时坡面下部和较深的土层中大孔隙的数量更多,坡面下部土壤大孔隙的数量是坡面上部的两倍。崩岗集水坡面上,不同位置和土层的土壤质地、土壤孔隙的特殊空间分异是崩岗侵蚀发生的重要原因。
(2)在崩岗坡面上,土壤大孔隙和土壤质地对不同位点不同深度土壤含水量的变化产生了重要影响。在坡上部位,土壤黏粒含量高,大孔隙少,土壤含水量长期较高且变化很小,而在坡面下部大孔隙丰富,土壤含水量相对较低,但含水量的变化较大。研究区域土壤含水量呈“坡上高坡下低”的不规则分布,造成坡体“前重后轻”的状态。坡面这种特殊的土壤水分时空分布促进了崩岗侵蚀的发展。
(3)通过高频协同监测土壤含水量和土壤温度的变化的方法确定了坡面不同类型壤中流的发生。在崩岗侵蚀坡面上,不同类型的壤中流在土壤水热变化的表现形式不同。在发生优先流的土层,土壤含水量和土壤温度的变化要比其他土层早,土壤温度的变化首先受雨水温度控制,然后受上层土壤温度控制。在没有优先流的情况下,土壤温度最初由相邻的上层土壤的温度控制,然后由雨水温度控制。
(4)不同类型壤中流的分布不同造成了坡面土壤水分时空分布的不同。在坡面的不同位置和不同深度的土层处,优先流的发生频率不同。离崩壁越近,土层越深,优先流发生的频率就越高,优先流量的分布导致边坡水量分布不同,当优先流的发生频率增加一倍时,坡面土壤的平均体积含水量减少10%,变异系数增加70%。优先流的发生频率越高的位点和土层,土壤的平均含水量越低,变异越强。
(5)通过改进均匀管道流的水动力特征参数的计算方法,计算了两个剖面中不同类型壤中流(优先流和基质流)的水动力特征参数(雷诺数、孔隙水压力和水流剪切力)。当基质流是壤中流的主要类型时,其雷诺数低于0.1,水流剪切力也小于1.5N/m2。当优先流是壤中流的主要类型时,其雷诺数是基质流的数十倍,雷诺数大于0.8,水流剪切力一般大于3N/m2。不同类型壤中流的水流剪切力控制因素不同。在优先流中,由土壤裂缝内部土壤水的快速积累和渗漏引起的孔隙水压力(一般接近2KPa)是基质流(小于0.5KPa)的数倍,压力势是控制优先流的水流剪切力大小的关键因素。在基质流中,由基质势引起的水流剪切力是由压力势引起的水流剪切力的数十倍,基质势是控制基质流的水流剪切力的关键因素。不同类型壤中流的雷诺数、孔隙压力和水流剪切力的计算和比较可广泛用于今后的壤中流侵蚀模型研究中。
(6)在崩岗侵蚀发生过程中,对不同类型承压壤中流的雷诺数以及不同类型壤中流对土壤颗粒的起动作用力进行了计算。优先流的雷诺数比基质流的雷诺数高十倍,对相同直径土壤颗粒的起动作用力也是基质流的数倍到数十倍。壤中流的雷诺数和水流剪切力对土壤颗粒的起动作用力可以作为衡量壤中流侵蚀能力的重要指标。在剖面壤中流运动过程中,优先流冲刷携带的土体颗粒数量是基质流的3倍,平均颗粒直径更大(是基质流的3倍),对土壤裂隙的破坏作用更强,这意味着优先流具有更强的土壤侵蚀能力。壤中流对土壤内部颗粒的冲刷,壤中流运动过程中水流剪切力对团聚体、孔隙和裂隙的破坏是壤中流运动促进崩岗侵蚀发展的途径之一。
本文测定了崩岗集水坡面不同坡位(包含坡上、坡中、坡下三个位点)和不同崩壁剖面中不同深度土层(0-20、20-40、40-60和60-80cm四个土层)的土壤含水量,孔隙水压力和土壤基质势。通过对崩岗坡面和崩壁剖面的土壤物理性质,土壤含水量时空分布以及不同类型壤中流的时空分布、水动力学特征等来探究不同类型壤中流对崩岗侵蚀发展的影响。主要得到以下结果:
(1)在研究的崩岗集水坡面上,土壤类型从坡上到坡下,从表层到深层逐渐由粘质土过渡到壤质土。土壤中砂粒含量逐渐增加。同时坡面下部和较深的土层中大孔隙的数量更多,坡面下部土壤大孔隙的数量是坡面上部的两倍。崩岗集水坡面上,不同位置和土层的土壤质地、土壤孔隙的特殊空间分异是崩岗侵蚀发生的重要原因。
(2)在崩岗坡面上,土壤大孔隙和土壤质地对不同位点不同深度土壤含水量的变化产生了重要影响。在坡上部位,土壤黏粒含量高,大孔隙少,土壤含水量长期较高且变化很小,而在坡面下部大孔隙丰富,土壤含水量相对较低,但含水量的变化较大。研究区域土壤含水量呈“坡上高坡下低”的不规则分布,造成坡体“前重后轻”的状态。坡面这种特殊的土壤水分时空分布促进了崩岗侵蚀的发展。
(3)通过高频协同监测土壤含水量和土壤温度的变化的方法确定了坡面不同类型壤中流的发生。在崩岗侵蚀坡面上,不同类型的壤中流在土壤水热变化的表现形式不同。在发生优先流的土层,土壤含水量和土壤温度的变化要比其他土层早,土壤温度的变化首先受雨水温度控制,然后受上层土壤温度控制。在没有优先流的情况下,土壤温度最初由相邻的上层土壤的温度控制,然后由雨水温度控制。
(4)不同类型壤中流的分布不同造成了坡面土壤水分时空分布的不同。在坡面的不同位置和不同深度的土层处,优先流的发生频率不同。离崩壁越近,土层越深,优先流发生的频率就越高,优先流量的分布导致边坡水量分布不同,当优先流的发生频率增加一倍时,坡面土壤的平均体积含水量减少10%,变异系数增加70%。优先流的发生频率越高的位点和土层,土壤的平均含水量越低,变异越强。
(5)通过改进均匀管道流的水动力特征参数的计算方法,计算了两个剖面中不同类型壤中流(优先流和基质流)的水动力特征参数(雷诺数、孔隙水压力和水流剪切力)。当基质流是壤中流的主要类型时,其雷诺数低于0.1,水流剪切力也小于1.5N/m2。当优先流是壤中流的主要类型时,其雷诺数是基质流的数十倍,雷诺数大于0.8,水流剪切力一般大于3N/m2。不同类型壤中流的水流剪切力控制因素不同。在优先流中,由土壤裂缝内部土壤水的快速积累和渗漏引起的孔隙水压力(一般接近2KPa)是基质流(小于0.5KPa)的数倍,压力势是控制优先流的水流剪切力大小的关键因素。在基质流中,由基质势引起的水流剪切力是由压力势引起的水流剪切力的数十倍,基质势是控制基质流的水流剪切力的关键因素。不同类型壤中流的雷诺数、孔隙压力和水流剪切力的计算和比较可广泛用于今后的壤中流侵蚀模型研究中。
(6)在崩岗侵蚀发生过程中,对不同类型承压壤中流的雷诺数以及不同类型壤中流对土壤颗粒的起动作用力进行了计算。优先流的雷诺数比基质流的雷诺数高十倍,对相同直径土壤颗粒的起动作用力也是基质流的数倍到数十倍。壤中流的雷诺数和水流剪切力对土壤颗粒的起动作用力可以作为衡量壤中流侵蚀能力的重要指标。在剖面壤中流运动过程中,优先流冲刷携带的土体颗粒数量是基质流的3倍,平均颗粒直径更大(是基质流的3倍),对土壤裂隙的破坏作用更强,这意味着优先流具有更强的土壤侵蚀能力。壤中流对土壤内部颗粒的冲刷,壤中流运动过程中水流剪切力对团聚体、孔隙和裂隙的破坏是壤中流运动促进崩岗侵蚀发展的途径之一。