模拟降雨条件下坡面土壤初始解冻深度与水沙响应关系试验研究

来源 :西安理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dianzishu1981
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一般情况下,水力侵蚀的产生往往伴随着强降雨过程。在春季解冻期,虽然降雨量较小,但是由于坡面土壤解冻不完全、入渗能力较差,降水无法在土层中迅速下渗,降雨的侵蚀能力相对较强,将导致严重的水土流失。本研究以黄绵土为研究对象,设置解冻深度和降雨强度两因子,通过室内冻融试验和模拟降雨试验,探究两因子对坡面产流、入渗和产沙的影响,并分析了坡面侵蚀因子与地形因子、侵蚀动力因子的关系。得出以下主要结论:  (1)冻结作用对坡面水力侵蚀的影响  在雨强为0.9mm/min、1.2mm/min时,相比于对照坡面(CK),冻土坡面(FS)径流量分别增加了0.35、0.38倍,产沙量分别增加了10.40、6.40倍。冻土坡面(FS)可蚀性是对照坡面(CK)的6.56~12.44倍。侵蚀泥沙颗粒平均重量直径的平均值表现为:对照坡面(CK)>本底物>冻土坡面(FS)。在降雨初期,冻土坡面粗颗粒首先被输移,降雨中后期颗粒组成逐渐接近本底物。  (2)降雨强度和初始解冻深度对坡面径流、侵蚀的综合影响  降雨强度由0.6mm/min增加到1.2mm/min时,坡面径流量增加了2.79~3.63倍,侵蚀量增加了0.78~4.22倍;随解冻深度的增加,坡面侵蚀量基本呈增加趋势,而径流量呈先增大后减小趋势。入渗率随产流历时延长呈波动下降趋势,对比4种模型拟合程度发现,Horton模型最能够反映冻融坡面土壤降雨入渗的特征。在小雨强下,初始解冻深度因子对侵蚀起主导作用,在大雨强时,降雨强度因子对侵蚀起主导作用。不同处理下细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的83.85%~96.83%;累计径流量和累计产沙量间的关系满足线性函数形式。坡面径流量主要受降雨强度的影响,而坡面侵蚀量主要受降雨强度、降雨强度-解冻深度交互作用的影响。分别建立了坡面径流量与雨强的经验关系式以及坡面侵蚀量与降雨强度、降雨强度-解冻深度交互作用的经验关系式。  (3)坡面侵蚀地貌因子与侵蚀因子的响应关系。  从选择的8个参与筛选的地形因子中,确定了坡度、起伏度、切割度作为比较因子。除坡长、高程变异系数外,其余地形因子与产流量、侵蚀量均显著相关。主成份分析变量结果显示,地形因子间重复信息量较小,地形因子对地貌的完整表达近似等同于单一因子对地貌的表达之和。径流量对地形因子响应的敏感程度大于产沙量。  (4)坡面土壤剥蚀率与侵蚀动力因子间的关系  土壤剥蚀率与水流剪切力、径流能量、径流侵蚀功率呈幂函数相关关系,而分别与水流功率、单位水流功率呈对数和线性相关关系。对比所有的拟合度发现,径流侵蚀功率与土壤剥蚀率的拟合度优于其他参数,因此,在本实验中,径流侵蚀功率是描述试验坡面径流输沙动力学过程最好的水动力学参数。通过逐步回归分析,建立基于初始解冻深度和水流功率的冻融坡面土壤剥蚀率预测方程。  一般情况下,水力侵蚀的产生往往伴随着强降雨过程。在春季解冻期,虽然降雨量较小,但是由于坡面土壤解冻不完全、入渗能力较差,降水无法在土层中迅速下渗,降雨的侵蚀能力相对较强,将导致严重的水土流失。本研究以黄绵土为研究对象,设置解冻深度和降雨强度两因子,通过室内冻融试验和模拟降雨试验,探究两因子对坡面产流、入渗和产沙的影响,并分析了坡面侵蚀因子与地形因子、侵蚀动力因子的关系。得出以下主要结论:  (1)冻结作用对坡面水力侵蚀的影响  在雨强为0.9mm/min、1.2mm/min时,相比于对照坡面(CK),冻土坡面(FS)径流量分别增加了0.35、0.38倍,产沙量分别增加了10.40、6.40倍。冻土坡面(FS)可蚀性是对照坡面(CK)的6.56~12.44倍。侵蚀泥沙颗粒平均重量直径的平均值表现为:对照坡面(CK)>本底物>冻土坡面(FS)。在降雨初期,冻土坡面粗颗粒首先被输移,降雨中后期颗粒组成逐渐接近本底物。  (2)降雨强度和初始解冻深度对坡面径流、侵蚀的综合影响  降雨强度由0.6mm/min增加到1.2mm/min时,坡面径流量增加了2.79~3.63倍,侵蚀量增加了0.78~4.22倍;随解冻深度的增加,坡面侵蚀量基本呈增加趋势,而径流量呈先增大后减小趋势。入渗率随产流历时延长呈波动下降趋势,对比4种模型拟合程度发现,Horton模型最能够反映冻融坡面土壤降雨入渗的特征。在小雨强下,初始解冻深度因子对侵蚀起主导作用,在大雨强时,降雨强度因子对侵蚀起主导作用。不同处理下细沟侵蚀量占坡面总侵蚀量的83.85%~96.83%;累计径流量和累计产沙量间的关系满足线性函数形式。坡面径流量主要受降雨强度的影响,而坡面侵蚀量主要受降雨强度、降雨强度-解冻深度交互作用的影响。分别建立了坡面径流量与雨强的经验关系式以及坡面侵蚀量与降雨强度、降雨强度-解冻深度交互作用的经验关系式。  (3)坡面侵蚀地貌因子与侵蚀因子的响应关系。  从选择的8个参与筛选的地形因子中,确定了坡度、起伏度、切割度作为比较因子。除坡长、高程变异系数外,其余地形因子与产流量、侵蚀量均显著相关。主成份分析变量结果显示,地形因子间重复信息量较小,地形因子对地貌的完整表达近似等同于单一因子对地貌的表达之和。径流量对地形因子响应的敏感程度大于产沙量。  (4)坡面土壤剥蚀率与侵蚀动力因子间的关系  土壤剥蚀率与水流剪切力、径流能量、径流侵蚀功率呈幂函数相关关系,而分别与水流功率、单位水流功率呈对数和线性相关关系。对比所有的拟合度发现,径流侵蚀功率与土壤剥蚀率的拟合度优于其他参数,因此,在本实验中,径流侵蚀功率是描述试验坡面径流输沙动力学过程最好的水动力学参数。通过逐步回归分析,建立基于初始解冻深度和水流功率的冻融坡面土壤剥蚀率预测方程。
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