降雨径流条件下坡面水沙迁移临界现象及机理研究

坡面水沙迁移过程十分复杂，受着降雨径流、土壤特性、地形地貌、植被、地表水文条件和气候等多因素的影响，而现有水沙迁移临界条件的研究成果大多是针对细沟侵蚀这一特例现象，难以解释复杂的水沙迁移临界现象。临界现象与涨落区很多影响因子及其相互作用有关，故本项目通过对坡面水沙迁移临界现象的研究，分析坡面水沙迁移过程的临界降雨-径流因子、临界土壤因子和临界地形因子，研究不同临界因子组合下水沙迁移过程发生的临界现象及其机理，阐明降雨-径流交互作用机制的变化过程、雨滴溅蚀与地表漫流剥蚀间和地表漫流剥蚀与细沟侵蚀间交互作用机理，揭示水沙迁移的多过程耦合动力学机制及其耦合特征，用降雨径流（雨强、径流量）、土壤特性（土壤表面粗糙和土壤表面水分供给情况）和地形（坡度）这几个重要的参数定量描述空间不同位置坡面水沙迁移过程。为深入认识水沙迁移临界现象及坡面形态变化发展规律提供科学依据。

临界现象与涨落区很多影响因子及其相互作用有关，故本文通过对坡面溶质迁移临界现象的研究，采用室内模拟地表径流和降雨、选择溴为示踪剂的试验方法，研究土壤溶质迁移临界现象，分析坡面溶质迁移过程的临界降雨-径流因子、临界土壤因子和临界地形因子，研究不同影响因素组合下溶质迁移过程发生的临界现象及其机理，阐明降雨-径流交互作用机制的变化过程、雨滴溅蚀和地表漫流剥蚀的水动力作用机制及其交互作用机理；揭示溶质迁移的多过程耦合动力学机制及其耦合特征；用降雨径流（雨强、径流量）、土壤特性（土壤表面粗糙度和土壤表面水份供给情况）和地形（坡度）这几个重要的参数定量描述空间不用位置坡面溶质迁移过程。深入认识坡面溶质迁移临界现象及机理，为推动土壤溶质迁移预报的发展规律提供科学依据、为面源污染的准确预报提供数据支持。本课题主要研究结论如下：1、临界降雨-径流试验结果表明，随着地表径流量的增加，在伯努利效应下，土壤溶质流失量增加；地表径流量较低时，土壤侵蚀量较小，可以忽略，但是随着流速的增加，引起的土壤侵蚀量也增加，携带土壤溶质流失加剧；随着地表水位线的增加，土壤溶质流失、土壤侵蚀程度和土壤流失量都会加剧。降雨强度介于60～90 mm/h之间，地表径流量在100 ml/s附近，单位流量引起的溴化物流失量出现临界现象。同时，我们提出了一个简单的二维模拟土壤溶质迁移过程的对流-扩散模型。2、临界土壤因子研究结果表明：首先，研究地表粗糙度对土壤溶质迁移的影响中，通过对比研究两种图像处理软件LPS 和Photo Modeler，得出不同尺度适用范围，为以后地表粗糙度的研究提供了一种新的思路。同时，通过土壤溶质迁移过程研究发现，不同地表粗糙度导致溴化物流失量和土壤流失量也不同，凸地表>复合型地表>凹地表≈平面地表。复合型地表和凹形地表导致溴化物流失通量是平面坡形的3～4倍；在凸地表导致土壤溶质同平面地表导致土壤流失量接近。其次，研究土壤供水条件对土壤溶质迁移的影响中，在相同降雨条件下，因土壤水文条件不同，导致土壤溶质流失量也不同：土壤渗流条件>土壤水分饱和条件>自由排水条件下。3、临界土壤因子研究结果表明：不同坡长和坡度对临界土壤溶质迁移现象有着不同程度的影响：不同下垫面条件下，临界坡度大于15°、临界坡长大于1 m。