沟床跌穴的发育机制及其对沟头溯源侵蚀过程的影响研究

The development of plunge pool is an important sub-process of gully headcut retreat. The plunge pool was formed by scouring of waterfall, and the lower part of gully head was erode as growth of plunge pool, leading to soil collapse and gully headcut retreat. However, lack of previous studies focused on the formation, development and morphology of plunge pool. In this study, five gully heads with similar initial terrain will be constructed to conduct 3 experiments, including one experiment with different flow discharges, other two experiments with different soil resistance of gully beds controlled by different species and stage of vegetation root development. The results were used to analyze the formation mechanism, development processes and morphological characteristics of plunge pool under different external and internal causes, and the influences of plunge pool development on the gully headcut retreat processes. The study will make progress on the development law of plunge pool, and its influence on the gully headcut retreat processes, which could be contributed to the mechanism and model simulation of gully headcut retreat.

沟床跌穴的发育是沟头溯源侵蚀的重要子过程，沟床受跌水冲刷下切形成跌穴，跌穴发育侵蚀沟头下部土体，导致沟头失稳崩塌发生后退。然而，前期针对跌穴的形成、发育及形态特征的研究鲜有报道。本研究拟构建5个初始地形相近的原位沟头来开展3组放水冲刷试验，包括1组不同上游来水动力条件的冲刷试验，2组不同沟床土体抗蚀能力（通过不同植物种类及发育程度进行调节）的冲刷试验，来研究不同内、外因素影响下跌穴的形成机制、发育过程及形态特征，并分析跌穴发育状态对沟头溯源侵蚀过程的影响。研究有助于进一步认识跌穴的发育规律，及其在沟头溯源侵蚀过程中的作用机制，为沟头溯源侵蚀的机理研究及模型模拟做铺垫。

干热河谷是我国西南特殊的脆弱生态类型区，其中沟头溯源侵蚀为主导的沟蚀是导致该区生态环境退化的重要影响因素。沟头溯源侵蚀是沟蚀发育的主要过程，也是土壤侵蚀模型研究的热点和难点。前人提出了基于沟床跌穴形态预报沟头溯源侵蚀的思路，但对于跌穴自身的形成机制、发育过程，及其在短期尺度上对沟头溯源侵蚀的影响还鲜有研究报道。本研究基于干热河谷原位沟头的模拟冲刷试验，通过调节上游来水流量及不同沟床植被类型及密度的布设，研究了短期尺度上跌穴在不同动、阻力条件下的发育过程，及其对后续沟头溯源侵蚀的影响。研究结果表明，在短期尺度上，跌穴形态总体上随着冲刷时间的增加呈连续增长态势，但由于上游来沙在跌穴发育部位的临时沉积存在一定波动。跌水流量显著影响跌穴的形成时间及发育速率，但不同流量小区跌穴形成的径流总能耗较为接近（6.69-11.13 KJ）。不同径流能耗与跌穴形态参数均存在较好的拟合关系（0.55 <R2 <0.92，P<0.01）。跌穴发育部位的根系生物量可以有效延迟跌穴发育的时间及跌穴的形态规模。与之相对，在短期尺度上，沟头溯源侵蚀在时间上呈阵性特征，往往在一段稳定期后突然发生快速后退。研究结果表明，在相对较长的时间尺度上（3年），沟头溯源侵蚀与沟头径流能耗呈显著的对数关系（R2=0.92，P<0.01）。