输沙对坡面侵蚀的影响及其水动力学机理研究

Eroded sediment probably has significant influence on hydraulics of overland flow, especially for sediment laden flow on steep slopes. However, the few current existed studies mainly focus on gentle slopes and the maximum sediment load is very low. The potential effects of sediment load on hydraulics and erosion of overland flow are not considered in the process-based erosion model.Thus, the effects of sediment load on hydraulics of overland flow (flow regime, velocity, depth, friction, shear stress, stream power, unit stream power, kenctive energy, and momentun), rill erosion rate, interrill erosion rate will be investigated systematiclly using hydraulic flume, ToughSonic PC Distance Sensor system, rainfall simulator, and auto-controlled sediment hopper under a wide range of slope gradient and flow discharge. The effects of sediment load on hydraulic properties of overland flow, the hydro-dynamic mechanism of influences of sediment load on soil erosion, and the feedback relationship between sediment load and erosion will be analyzed and investigated. The process-based erosion model for hillslope, which considered the effects of sediment load on hydraulics and erosion will be developed. The results are very significant to understand the mechanism of soil erosion, investigate the feedback relationship between sediment load and erosion, and to develop the process-based erosion model considered the influence of sediment load on hydraulics of overland flow and erosion.

侵蚀泥沙可能对坡面流水动力学特性产生显著影响，特别在陡坡高含沙条件下更是如此，然而，目前国际上的少量研究主要集中在缓坡上，输沙率上限很低，同时所有的土壤侵蚀过程模型均未考虑输沙对坡面流水动力学特性及侵蚀的潜在影响。为此，本研究拟在较大坡度和流量范围内，利用变坡试验水槽、液压式变坡试验水槽、超声波水深测定仪、槽式人工模拟降雨机、自控型加沙漏斗等设施，采用人工加沙、人造细沟、径流冲刷等方法，系统研究输沙率对坡面流水动力学特性（流态、流速、水深、阻力、水流剪切力、水流功率、单位水流功率、动能和动量）、细沟侵蚀速率、细沟间侵蚀速率的影响，分析输沙对坡面流水动力学特性及坡面侵蚀影响的水动力学机理，探讨坡面侵蚀与输沙的耦合机制，为建立考虑输沙反馈效应的坡面侵蚀过程模型提供理论基础。研究结果对于阐述陡坡土壤侵蚀机理、探索坡面侵蚀水沙耦合关系及其机制、建立考虑输沙反馈效应的侵蚀过程模型，具有重要理论意义。

本项目主要开展了输沙对坡面径流水动力学特性影响、输沙对坡面侵蚀潜在影响及其动力机制、土壤侵蚀试验技术和退耕及植被群落近地表特性对土壤侵蚀过程影响等研究。发现人工模拟降雨供水水质显著影响土壤入渗性能和坡面产流产沙过程，影响的程度与土壤类型密切相关；圆盘入渗仪测定的土壤稳渗率、饱和导水率接近标准值，且省时省力省水，更适合于野外土壤入渗测定；在坡地上使用双环入渗仪测定土壤入渗时，可采用内环直径为20 cm、外环直径为35 cm的双环替代经典双环，减小扰动对测定结果的影响；超声波水深测量系统测定坡面径流的相对误差为1.73%，能满足室内侵蚀静床条件下坡面径流水深测量的需求；基于线结构光的激光细沟形态特征测定系统X轴、Y轴和Z轴的扫描精度分别为0.44 mm、0.50mm和0.51mm，X轴和Z轴的绝对误差均值分别为0.22 mm和0.16 mm，可以用于坡面侵蚀细沟形态特征参数的精准扫描。输沙率显著影响坡面径流的水动力学特性，径流紊动性随着输沙率的增大而下降，会引起坡面径流侵蚀能力和挟沙力的降低；径流深度随输沙率的增大主要由泥沙体积增大引起，占到2/3左右。随着输沙率的增大，坡面径流耗能增大，阻力呈幂函数增大，流速减小，水流剪切力、水流功率随之增大，而单位水流功率减小，表明单位水流功率更适合模拟高含沙水流的侵蚀过程；坡面径流动能随输沙率的变化趋势比较复杂，对于缓坡动能随输沙率增大而减小，而对于陡坡，动能随输沙率增大而增大。在侵蚀动床条件下，下垫面条件在侵蚀过程中不断发生变化，导致坡面径流的动力过程更为复杂。坡面径流流速是流量的单一函数，随输沙率增大流速具有明显的增大趋势，具有和河流水流类似的“减阻”现象，与下垫面形态阻力变化、推移质填平部分糙率源和径流横向汇聚密切相关。在充分供沙条件下，土壤分离和泥沙输移间存在耦合机制，土壤分离速率随输沙率增大而线性减小。退耕年限和模式显著影响土壤分离过程，土壤分离能力随退耕年限的延长而减小，仅从抑制土壤分离过程而言，紫穗槐+油松混交林是黄土高原最佳的退耕模式；植被群落近地表特性显著影响土壤侵蚀阻力，细沟可蚀性随根系密度、生物结皮盖度和枯落物与表层土壤混合量的增大而减小。发表学术论文39篇，其中SCI论文16篇，培养研究生21名。研究成果对于揭示土壤侵蚀动力机制、模拟土壤侵蚀过程、评价退耕还林还草工程的生态服务功能，具有重要的理论意义。