基于能量过程的坡沟系统侵蚀产沙过程调控与模拟

In arid and semiarid region, how to regulate soil erosion and sediment yield efficiently by the limited vegetation cover in the slope gully system aalways is the key problem in soil and water conservation field. In this research, based on model experiment, on site observation and numerical simulation, combined with Rare Earth Element (REE) tracing method and microtopography scanning techniques, rainfall-runoff energy dynamic process and its spatial-temporal development along the slope-gully system were studied. By analyzing the effect of vegetation cover and patterns on runoff energy process, regulatory effect of of vegetation patterns on sediment transportation process and soil erosion ways can be distinguished, and the changes of sediment sink-source area in the system can be determined. By comparing the changes of functional and structure connectivity during the soil erosion process, and the it's response to runoff and sediment in the slope gully system, coupling correspondence relationship among runoff and sediment, vegetation patterns and changes of micro-topography can be set up. Using distributed hydrological model, runoff and sediment yield process under the cover of vegetation patterns can be simulated. And based on that, optimized vegetation patterns for regulating runoff and sediment can be proposed, which will also provide scientific support for soil and water conservation and eco-environment construction on the Loess Plateau.

在干旱半干旱地区，如何利用有限植被实现坡沟系统侵蚀产沙的高效调控，一直是土壤侵蚀与水土保持研究的重点和难点。本研究通过物理模型实验、原位观测及数值模拟，结合稀土元素示踪与微地貌扫描技术，系统研究坡沟系统降雨-径流侵蚀能量动力过程的时空演变，分析植被格局对坡沟系统水蚀能量动力过程的调节作用与途径，辨识坡沟系统植被格局对侵蚀输沙过程及侵蚀方式演变的调控作用，确定坡面径流泥沙源-汇区的动态变化特征；比较不同植被格局下坡沟系统结构与功能连通度的变化及其对坡沟系统水沙变化响应，建立坡沟系统水沙-植被-地貌多过程响应关系，实现不同植被空间配置下的产流输沙过程模拟，提出以坡沟系统水沙调控为目标的植被优化格局，为黄土高原流域水沙调控和水土保持生态环境建设的可持续发展提供科学依据。

在干旱半干旱地区，如何利用有限植被实现坡沟系统侵蚀产沙的高效调控，一直是土壤侵蚀与水土保持研究的重点和难点。本研究通过物理模型实验、原位观测及数值模拟，结合三维激光扫描和微地貌分析技术，系统开展了基于能量过程的坡沟系统侵蚀产沙过程调控与模拟研究，取得了如下进展。.（1）上方来水条件下，草带种植于坡面下部80%位置时，对水动力过程的影响最大，径流平均速度降幅22%；径流阻力增加5倍，径流剪切力和径流功率分别降低90%和92%，使得蓄水效益为12%，减沙效益高达69%，能够较好的发挥直接拦沙的水土保持功效，侵蚀处于试验范围内最低水平。合理的植被空间配置能有效地削弱径流功率，减少径流沿坡面流动的潜在能量，极大程度的消除土壤侵蚀，从而更好地调控水动力过程。.（2）模拟降雨实验条件下，坡沟系统的最合适的植被布设位置为坡面长度60%的位置，有效的削弱了坡沟系统中的径流侵蚀能量，降低径流含沙量，得径流流速降低46%，径流量和产沙量分别减少7.35%和62.93%，直接拦沙功效优于蓄水减沙功效，水土保持功效达到最优。.（3）试验条件下，裸坡坡面与沟道的侵蚀产沙比例为3:5，沟道范围内的侵蚀产沙依然是整个坡沟系统的主要侵蚀产沙来源。植被空间配置通过对径流流速和径流含沙量的调控作用，改变了坡沟系统的结构与功能连通度，发挥了缓流拦沙和滞流消能的作用机制，改变了坡沟系统细沟侵蚀的发生位置和发育程度及侵蚀方式。.（4）提出并确定了低覆盖度下调控坡沟系统侵蚀的植被优化配置格局，草带上边缘距坡顶的距离与下边缘距沟道底部的距离之比在0.571-1.200之间，为植被调控侵蚀最优布设区域，即为最佳植被配置空间方式。.研究成果为水土保持林草措施以及水土保持工程措施的优化配置提供了有益参考，为推动黄土高原坡沟系统和流域不同空间尺度的侵蚀产沙时空规律研究的深入发展以及水土流失综合治理提供科学依据。