坡耕地地表糙度量化特征及其对坡面汇流路径的影响研究

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地表糙度作为反应地表微地貌形态的阻力性特征值,通过微地形特征影响坡面漫流、洼地蓄积、土壤入渗及其变化、汇流路径等土壤水蚀过程。长期以来,由于研究技术手段的限制,地表糙度的研究多集中在土壤侵蚀模型的侵蚀产沙机制中的定性研究,对于其定量化特征的研究较少。而对于产汇流的研究,以往的研究也主要集中在小流域产汇流机理、产汇流模型构建等方面,对于小尺度坡面汇流的研究也较稀少。为了填补在此研究领域的空白,本研究以黄土坡耕地普遍采用的等高耕作、人工掏挖和人工锄耕三种耕作措施下形成的微地形为研究对象,建立反映不同地表形态的M-DEM,结合高程条带法对不同微地表形态的空间特征进行量化研究。基于GIS栅格化的坡耕地微地形建立坡面径流路径分析模拟模型,使用水文分析工具提取坡面径流路径、汇流密度、径流频度等汇流网络特征,定性、定量的分析坡耕地坡面汇流路径特征。在此基础上,探讨在不同耕作措施下形成的地表糙度对于坡面汇流网络演变和坡面径流路径特征的影响,研究结果将为人们正确认识耕作造成的微地形特征提供科学依据,同时也为坡面侵蚀过程中微地貌的侵蚀响应机制的研究提供理论基础。本研究得出以下结论:(1)降雨过程对坡耕地微地形起伏度变化影响巨大。通过比较降雨前三种耕作措施形成的微地形起伏度,数据呈现AD>AH>CT的规律;降雨后的数据呈现CT>AD>AH的规律。降雨、坡面坡度和耕作措施对地形起伏度的影响规律不一致,坡面坡度对地表微地形空间分布特征无影响。耕作措施作为影响坡耕地地形起伏度的决定性因子,增大了地表起伏状况,降低了地表侵蚀的效应。降雨、坡面坡度作为坡耕地地形起伏度的影响因子,通过坡面产汇流间接引起微地形高程变化。不同耕作措施下的地表粗糙度呈现雨后微地形起伏度变化规律,地表切割深度及高程变异系数值与微地形起伏度变化规律相同。(2)在降雨历时、雨强、耕作措施相同的条件下,耕作措施形成的地表糙度与坡面坡度值成正比,同时表现出三种耕作措施形成的地表糙度值与累积降雨量成正比的规律。洼地蓄积量的变化趋势与地表糙度相似。地表糙度与洼地蓄积量有较好的线性关系,R2分别为0.9921和0.9614。人工锄耕和人工掏挖耕作措施随着降雨的进行,地表洼地蓄积量增大,二者呈指数增长关系,R2分别为0.899和0.909。比较人工掏挖和人工掏挖措施下坡面坑洼空间分布特征,随着坡度的增大,坑洼深度逐渐减小,耕作后坡面形成大大小小的坑洼,人工锄耕空间分布随机性较高。坑洼投影面积和表面积的最大值均增大,总值呈减小趋势,小坡度对填洼量的影响相对较小。(3)在降雨历时、雨强、坡面坡度相同的条件下,不同耕作措施形成的坡耕地表的坡面汇流密度与径流频度变化规律不一致。由于耕作措施形成的微地形空间分布特征,使得总体坡面汇流密度和径流频度大小依次为AD<AH<CT。坡面汇流密度和径流频度值与累积降雨总量值成正比关系,经统计分析表明在一雨过程中该关系值呈现最大值。但是随着降雨的持续进行,细沟进一步发育,不同耕作措施下的微地形空间复杂度特征变化不一致,导致了第二场和第三场降雨过程中汇流密度和径流频度增幅减小值呈现AD<AH<CT规律。通过对比分析不同耕作措施下形成的地表糙度与坡面汇流密度、径流频度数据可知,二者呈负线性相关。相同降雨条件下,不同耕作措施下坡耕地表径流路径有规律的调整方向向下坡发展,径流路径特征中平均蜿蜒度和平均方向性总体呈增加趋势,平均梯度总体呈减小趋势,增幅大小呈现CT<AD<AH和AH<AD<CT的规律。通过分析地表糙度与径流路径特征的相关性可知,地表糙度与蜿蜒度、梯度和方向性均呈现较好的线性相关性。地表糙度与径流路径蜿蜒度和方向性呈负相关,对数函数关系,与径流路径梯度呈正相关,幂函数关系。
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