含沙水流和坡面糙度对红壤团聚体输移破坏影响

Soil aggregate, as the important erosion material during transport in overland flow, its destruction may produce a significant effect on the surface runoff and soil permeability, sediment content, and the general erosion intensity. Therefore, it is essential to research the particle formation and the destruction regularities of the aggregate by the different hydraulic characteristics in overland flow. In this project, selected soils are derived from Quaternary red clay and Shale, which are main parent materials in this region. By sediment hopper, auto-controlled surface roughnesses, experiments will be performed in the different hydraulic flumes with non-erodible bed and erodible bed conditions under different slope gradient and flow discharge. The hydraulic characteristics and their effects on the aggregate destruction in overland flow are comprehensively analyzed and investigated. Combining transport distance and aggregate stability analyse, the regularity of the aggregate transport and destruction will be revealed from mechanism level. The results of this project can provide the scientific reference to understand soil erosion hydrodynamic and improve erosion process model.

土壤团聚体作为坡面流搬运过程中的重要侵蚀物质，其在坡面流中的输移破坏影响着径流入渗、泥沙含量及地表侵蚀过程的发生强度。因此，研究团聚体在坡面流输移过程中的颗粒形态转化以及随水力学特性变化的破坏规律十分必要。本项目以我国亚热带丘陵区泥质页岩和第四纪红粘土两种典型母质发育红壤为研究对象，在不同坡度、流量组合下，采用人工加沙、自控坡面糙度等方法，结合团聚体运移距离及自身稳定性分析，系统研究定床和动床两种坡面流方式中水力学特性变化及团聚体的输移破坏特征，从机理层面揭示坡面流内团聚体输移破坏规律。研究结果对于认识土壤侵蚀水动力学机理，完善侵蚀过程模型，具有重要的科学意义。

稳定的团聚体可以减少降雨打击和径流冲刷引起的土壤表土分离，土壤团聚体的稳定性是控制土壤可蚀性的最重要因素之一。在坡面水蚀过程中，团聚体破碎后的颗粒粒径大小与侵蚀过程关系密切，影响着坡面水分入渗、土壤结皮以及侵蚀程度的进一步发展。本项目以我国亚热带地区泥质页岩和第四纪红粘土两种母质发育红壤团聚体为研究对象，通过前期预处理和室内水槽模拟团聚体冲刷试验，系统分析了不同含沙水流及坡面糙度条件下水力学特性变化及其对团聚体破坏程度定量影响，阐明了团聚体在坡面水流内输移破坏规律。取得的创新性成果如下：1. 在相同运移距离条件下，随粒径和糙度的增加团聚体剥蚀破坏程度呈增加趋势，与粒径相比，糙度对团聚体剥蚀破坏程度的影响更大；相同模拟糙度下，随着运移距离的增加，剥蚀率均呈抛物线形先增大后减小的趋势，表明团聚体在不同运移距离中的剥蚀破坏规律分为两个阶段。2. 各模拟糙度条件下，Wr/Wi（残留团聚体与原始团聚体质量比）值在坡度为8.8%~17.6%时均随流量的增大呈现幂函数的增加，表现为团聚体剥蚀破坏程度下降。而在较陡坡度（26.8%~36.4%）和下垫面糙度较大时，团聚剥蚀破坏程度随流量变化规律有所不同；对于下垫面不同的坡面水流，阻力系数和水流剪切力两个水力学参数可以很好的解释和预测团聚体剥蚀破坏程度。3. 供沙量和流量均对团聚体剥蚀破坏程度有极显著影响，Wr/Wi值均随含沙量的增大呈现幂函数的减少趋势，表现为团聚体剥蚀破坏程度随含沙量的增大而增强；对于不同的供沙坡面水流，阻力系数和水流剪切力可以很好的解释和预测团聚体剥蚀破坏程度。研究结果为土壤侵蚀过程模型的建立提供理论基础。