黃土丘陵溝壑區(qū)不同空間尺度地貌單元水沙耦合機制.pdf

1、尺度問題普遍存在于土壤侵蝕整個過程，研究土壤侵蝕的尺度問題在水土流失過程模擬中具有重要意義。黃土高原丘陵溝壑區(qū)、侵蝕類型多且相互耦合，流域系統(tǒng)能耗過程的非線性特征非常突出，使得“坡面～溝道～流域”系統(tǒng)中不同地貌單元的含沙水流對土壤侵蝕、泥沙輸移與沉積的影響機理尚未完全明確，不同空間尺度地貌單元水沙搭配關系的差異性尚不清晰，因此，不同空間尺度地貌單元水沙耦合關系機制亟待深入研究。
　　本論文采用野外定位監(jiān)測、室內(nèi)模擬降雨試驗、水文分

2、析與地統(tǒng)計數(shù)理分析相結合的方法。野外觀測以黃土丘陵區(qū)裴家峁溝典型小流域的梁峁坡、溝坡不同地形部位徑流小區(qū)、全坡面徑流場及橋溝、裴家峁溝水文站1986-2008年實測徑流泥沙資料為基礎，系統(tǒng)分析“坡面～溝道～流域”系統(tǒng)不同時空尺度下各地貌單元侵蝕輸沙系特征，闡明不同時空尺度下各地貌單元水沙關系特征及其差異性;室內(nèi)降雨模擬試驗按照水平比尺1∶60、垂直比尺1∶50，并構筑具有二級溝網(wǎng)的橋溝流域概化模型，分析了不同地貌單元（坡面、支溝、流域）

3、產(chǎn)流產(chǎn)沙及其水動力過程。從水動力學和地貌形態(tài)演化方面揭示不同空間尺度地貌單元產(chǎn)沙機制。對黃土丘陵水土保持措施，生態(tài)環(huán)境具有重要的科學意義和生產(chǎn)應用價值。取得的主要結論如下:
　　(1)不同時間空間尺度下，不同地貌單元侵蝕輸沙特征不同。全坡面不同微地貌單元多年平均土壤侵蝕模數(shù)表現(xiàn)為:梁峁坡上半坡＜梁峁坡下半坡＜梁峁坡＜溝谷坡＜坡溝系統(tǒng)，比例為1∶1.2∶1.7∶2.4∶2.9。在“坡面～溝道～流域”系統(tǒng)內(nèi)，坡面尺度輸沙模數(shù)大于流域尺

4、度的各個流域，隨流域尺度增大，輸沙模數(shù)呈減小趨勢。而次降雨輸沙模數(shù)峰值可能發(fā)生在流域內(nèi)的任一地貌單元，表明黃土丘陵溝壑區(qū)坡面、流域尺度均存在非平衡輸沙現(xiàn)象。
　　(2)不同空間尺度地貌單元，其侵蝕輸沙動力條件不同。在坡面尺度，輸沙率和徑流剪切力呈線性關系，地表徑流剪切力能較好地描述坡面尺度侵蝕產(chǎn)沙關系。在流域尺度，侵蝕產(chǎn)沙不僅取決于地表徑流深，還要取決于洪峰流量，徑流侵蝕功率能較好地描述流域尺度侵蝕產(chǎn)沙關系，輸沙率和徑流侵蝕功率呈

5、冪函數(shù)關系。
　　(3)“坡面～溝道～流域”系統(tǒng)內(nèi)不同空間尺度地貌單元輸沙能力差異顯著，且隨著地貌單元空間尺度的增加，次洪輸沙能力減小。以單位水流功率含沙量表征不同地貌單元輸沙能力，全坡面徑流場、橋溝一支溝、橋溝和裴家峁溝單位水流功率含沙量比值為186∶77∶58∶1。全坡面徑流場的溝坡部位很容易發(fā)生滑坡、崩塌等重力侵蝕，因而物質分離速率很大，使得全坡面地貌單元單位水流功率含沙量最大。在流域尺度，溝道輸沙能力與高含沙水流的發(fā)生有密

6、切關系，高含沙水流起主導作用的河床一般均較窄深，高含沙水流在寬淺的斷面將失去穩(wěn)定，從而導致水流挾沙能力減小。統(tǒng)計表明橋溝一支溝、橋溝和裴家峁溝流域斷面寬深比分別為8.15、15.86和38.09。
　　(4)不同時空間尺度下，各地貌單元水沙關系特征不同。不同地貌單元多年平均降雨～徑流、徑流～泥沙關系變化趨勢一致，多年平均輸沙模數(shù)和徑流深呈線性關系，不同空間尺度地貌單元水沙關系差異不顯著。基于次洪水事件，不同空間尺度地貌單元輸沙模數(shù)

7、與徑流量的水沙關系都呈線性關系，但隨著空間尺度的增加，輸沙模數(shù)和徑流量水沙關系曲線的斜率急劇減小，說明由集流坡面至流域匯流系統(tǒng)，洪水徑流過程的復雜性隨尺度的增加而降低，流域系統(tǒng)泥沙輸出過程的主要驅動因素趨于單一，多變的水沙關系也愈趨于穩(wěn)定。在次洪過程時間尺度下，受洪水起漲消退的影響，不同空間尺度地貌單元流量～含沙量關系在起漲和消退階段不同，相同流量下，消退階段水流含沙量明顯高于起漲階段，且隨著空間尺度的增加，差距越大。
　　(5)

8、室內(nèi)模擬降雨試驗表明，降雨強度為1.0mm/min時，僅坡面水流表現(xiàn)為層流，大于1.0mm/min后，各地貌單元水流流態(tài)均為紊流。隨著降雨強度的增加，不同地貌單元不同地貌部位的徑流流態(tài)均由緩流變?yōu)榧绷鳎善旅娉叨仍黾拥搅饔虺叨葧r，不同地貌單元的徑流弗勞德數(shù)呈增加趨勢。坡面尺度不同地貌部位的阻力系數(shù)總是大于流域尺度的阻力系數(shù)。
　　(6)坡面尺度不同地貌部位徑流剪切力大于流域溝道不同斷面的徑流剪切力。在坡面尺度，剪切力與降雨強度呈顯

9、著線性關系。在流域尺度，溝道不同斷面平均徑流剪切力與降雨強度呈冪函數(shù)關系。梁峁坡部位徑流功率與降雨強度呈顯著線性關系，溝坡部位和流域不同斷面的徑流功率與降雨強度呈顯著冪函數(shù)關系。坡面尺度比流域尺度溝道變化劇烈，尤其以溝坡地貌部位變化最為劇烈。當從坡面尺度增加到流域尺度時，單位徑流功率呈減小趨勢。
　　(7)把分形理論與熵值相結合，研究了不同地貌單元溝網(wǎng)分形結構、地貌信息熵以及流域地貌發(fā)育演化之間的關系。地貌分形維數(shù)能準確反映不同地