黄土丘陵区变坡系统土壤侵蚀演化过程及其动力学机理研究

There is water erosion with the rills, shallow furrows and gully in the variable slope terrain in the Loess Hilly Gully Region, which has important contribution to Watershed erosion and sediment yield. Because of the complexity of the erosion process, research techniques lag behind, erosion forecasting model and layout of soil and water conservation measures were the serious influence. Therefore, this project adopted research methods of the field GPS observation experiment combined with outdoor physical model with rainfall simulation experiment using high-precision scanning measurement technology and ArcGIS software, analyzed occurrence and development of time and space dynamic erosion evolution process in the research region. At the same time, it will be build the graphical and digital system of the erosion evolution quantitatively determined erosion ways of rill, shallow groove, gully, and determined its critical value. The project also clarify the dynamic regular of the erosion shape parameters in the time and space include groove depth, groove width, gully density, dynamic regular of water kinetic parameters an erosion kinetic energy, and establish the relationship of the erosion form and erosion kinetic with sediment yield , reveal the dynamic mechanism of erosion evolution in changing slope system. The study has significant academic value to comprehensive control and the prediction of soil erosion and the innovation process research in the Hilly Gully Region.

黄土丘陵区梁峁顶面和斜坡段系统内常以溯源侵蚀、细沟、浅沟甚至切沟侵蚀并存的重力、水力侵蚀，对流域侵蚀产沙有着重大的贡献，由于此系统侵蚀过程的复杂性、研究技术的限制及侵蚀过程的研究薄弱，严重影响复杂地形区侵蚀预报模型建立和针对性水土保持措施布设。为此，本项目采用野外实地调查与室外实体模型降雨模拟实验相结合，运用高精度扫描测量技术和ArcGIS等诸多软件，聚集黄土丘陵区梁峁顶面和斜坡侵蚀活跃段，研究该系统侵蚀发生、发展的时空动态演化过程，构建土壤侵蚀关键演变过程的图形化与数字化系统；定量确定变坡断面细沟、浅沟侵蚀过程及其发生的临界，阐明各侵蚀方式下形态参数、水动力学参数与冲刷动能的时空变化规律，并建立侵蚀形态、侵蚀能量与输沙率的关系，进一步揭示变坡段系统内侵蚀演化动力机制。此项研究对黄土沟壑区坡面综合治理、土壤侵蚀预测预报和创新侵蚀过程研究均具有意义深远的学术价值。

作为沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的“梁峁顶面”，其产流产沙对黄土高原丘陵沟壑区沟缘线以上的坡面和以下的沟道侵蚀有着重大影响，然而对其侵蚀演变时空过程的描述还未曾有过详细报道。针对上述问题，本研究借助三维重建技术，以黄土丘陵沟壑区坡沟系统内梁峁坡面为研究对象，采用间歇性人工模拟降雨试验，将其错综复杂的侵蚀演化过程以醒目的图形化形式表达，采用侵蚀形态参数定量化阐述侵蚀演化规律，运用水力学参数阐明坡面流水力学特性的时空分布规律。得出结论如下：.（1）黄土高原丘陵沟壑区梁峁坡面细沟侵蚀演变过程主要经历四个阶段：面蚀阶段，该阶段产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑；细沟侵蚀形成阶段，由面蚀所产生的微小跌坎儿在径流作用下长、宽、深度均不断增大；形成细沟网阶段，细沟出现分叉及联通，有明显流路；小切沟形成阶段，侵蚀伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和明显沟底下切。（2）通过PhotoScan三维建模获取坡面DEM，实现坡面形态发育过程的图像化和侵蚀参数的数字化。通过对次降雨计算侵蚀量与实测侵蚀量对比发现，第一场降雨试验时误差较大，约为20%，其它场次误差均在10%左右。（3）采用分形维数、细沟密度、细沟割裂度、细沟分叉率、及侵蚀最大沟深等指标全方位量化坡面细沟网发育的深度、维度、复杂度等特征。细沟网发育呈现由小到大、由简单到复杂的发育过程，坡面中段侵蚀发育最为剧烈。（4）径流量和输沙率在次降雨过程均随降雨急剧增加，随后呈波动稳定状态；累积径流量、产沙量与降雨历时呈极显著的幂函数关系；试验初期以细沟间侵蚀为主，中后阶段以细沟侵蚀为主；侵蚀率与各侵蚀形态参数分形维数、细沟密度、细沟割裂度以及分叉率均存在及显著的线性相关性，梁峁坡面中下部侵蚀量贡献最大，坡顶贡献较小。（5）系统中各个坡段细沟间和细沟内的流速随降雨变化为：V下坡沟内>V中坡沟内>V下坡沟间>V中坡沟间>V上坡坡面；水流均为紊流状态和急流状态，且随降雨历时呈增加趋势，坡面中部水流剪切力和水流功率随降雨增加缓慢，底部增加迅速。该研究不仅能深化人们对土壤侵蚀发育过程定性、定量化认识，而且对于创新侵蚀过程研究方法、对坡沟系统治理均具有深远的实践指导价值。.