细沟侵蚀是极其重要的坡面侵蚀过程之一,是国际土壤侵蚀研究的重要对象,也是我国黄土地区坡面严重侵蚀的重要根源。然而,作为一种随机性很大的独特沟蚀,以往国内外研究中主要采用的对细沟演化不加控制的降雨试验和对细沟演化加以一定控制的水槽试验,都没有成功解决细沟侵蚀过程观测问题,因而也就未能有效地实现和推动细沟侵蚀动力学过程的研究及其发展,建立的细沟侵蚀模型同样不具可靠性。该项目采用组合小区模拟降雨试验方法,分别进行坡面细沟与细沟间侵蚀过程观测、坡面细沟水流侵蚀能力观测、坡面细沟水流输沙能力观测试验,研究基于细沟间水沙汇入的坡面细沟侵蚀产沙过程及其动力学机理、细沟间汇流与汇沙对坡面细沟侵蚀的影响及其贡献、坡面细沟侵蚀/沉积过程模拟模型,实现坡面细沟侵蚀动力学过程数值模拟。该项研究将深化坡面细沟侵蚀过程研究,促进坡面侵蚀模型研究及侵蚀理论进一步发展,并为坡面水土保持措施设计及水土流失治理提供科学依据。
loess slope;rill erosion;dynamic processes;muti-plot;modeling equation
细沟侵蚀是坡面主要侵蚀过程之一,也是我国黄土坡面严重土壤侵蚀的重要根源。细沟侵蚀发生演变过程随机性很大,以往国内外研究中主要采用的对细沟演化不加控制的降雨试验和对细沟演化加以一定控制的土槽放水试验,都没有成功解决细沟侵蚀过程观测,严重制约了细沟侵蚀动力学过程研究的有效实现和细沟侵蚀模型的科学建立。该项目采用组合小区模拟降雨试验方法,同步观测坡面细沟径流与侵蚀产沙及细沟上方与两侧细沟间向细沟汇流汇沙,结合细沟水流分离与输沙能力观测,研究了坡面细沟侵蚀产沙过程及其动力学机理,分析界定了细沟径流及汇入水沙对细沟侵蚀的影响及贡献,建立了细沟侵蚀过程模拟方程,实现了对坡面细沟侵蚀动力学过程的数值模拟。结果表明(1)细沟侵蚀与输沙率在不同雨强及坡度下随径流历时增长而先上升后趋稳定或递增率减缓及逐步递增,可用幂函数方程描述。细沟侵蚀与输沙模数随雨强增大而增大,可分别用对数及幂函数方程描述,随坡度增大而增大,可用指数方程描述,随雨强及坡度变化可用二元幂函数方程描述;(2)细沟侵蚀及输沙率对水动力参数响应相关系数大小分别为水流切应力(R=0.83)>单位能量(R=0.47)>水流功率(R=0.42)>单位水流功率(R=0.22)及水流切应力(R=0.88)>水流功率(R=0.47)>单位能量(R=0.43)>单位水流功率(R=0.22)。细沟侵蚀与输沙率对细沟水流切应力响应关系可分别用线性及幂函数方程描述。水流切应力是与细沟侵蚀及输沙过程关系最密切的水动力指标;(3)细沟上方及两侧细沟间向细沟汇入沙输沙率、细沟径流剪切力对细沟侵蚀的影响,不同雨强及坡度下可用三元对数方程描述,三者及它们交互作用的贡献率分别为10.84%、0.44%、65.22%、6.97%;细沟上方及两侧细沟间向细沟汇入沙输沙率、细沟汇入流径流率、细沟承雨率对细沟侵蚀的影响,不同雨强及坡度下可用幂函数-对数组合方程描述,四者的贡献率分别为5.08%、1.37%、71.37%、9.63%;(4)细沟侵蚀过程模拟方程是细沟侵蚀速率受细沟水流分离与输沙能力、细沟上方及两侧细沟间向细沟汇入沙输沙率制约与影响的四元幂函数-对数函数组合方程。该项研究深化了坡面细沟侵蚀过程认识,促进了坡面侵蚀模型研究及侵蚀理论发展,可为坡面水土流失治理提供科学依据。