坡耕地微尺度地表起伏对产汇流的影响

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坡耕地上的地表起伏是降雨和人为耕作以及管理共同形成的一种微地形。由于微地形凹凸分布的随机不均匀性,导致其侵蚀变化过程更加复杂多变,增加了人们对侵蚀过程的理解难度。为了深入理解地表起伏对产汇流过程的影响,本文采用野外人工模拟降雨与近景摄影测量相结合的方法,运用土壤侵蚀学理念,研究了相同降雨历时下,单凸起、单凹陷两种单式起伏和凹凸相连、凹凸相间两种复式起伏以及对照组5种微地形措施分别在60、90、120 mm/h雨强和5°坡度下对坡面产汇流及土壤侵蚀的影响。其成果有助于深刻理解水蚀机理,进一步完善侵蚀预报模型。主要研究结果如下:(1)3种雨强下,与光滑组相比,凸起、凹陷以及凹凸组合均会延迟地表初始产流时间,初始产流时间大小序列具体表现为对照组<单凸起组<单凹陷组<凹凸相间组<凹凸相连组的趋势。凸起或凹陷的存在,均会影响坡面产沙量与径流含沙量,且凸起和凹陷对径流和泥沙的拦蓄作用在相互叠加后,其影响效果更甚,使得复式起伏坡面的产沙量与径流含沙量均小于单式起伏坡面。(2)汇水形态受到雨强与地表凹凸组合形式的影响。3种雨强下,5种微地形的坡面漫流汇水形态共3种(树枝状、平行状和羽毛状),其中对照组和凹凸相间组汇水形态均为树枝状;单凸起组和单凹陷组汇水形态均为羽毛状和树枝状,其中单凸起组以羽毛状为主,单凹陷组以树枝状为主;凹凸相连组汇水形态以平行状为主,兼有另外两种。5种措施的汇流密度与径流频度呈现相同的变化趋势,即:光滑组和单凸起组随着降雨强度增大其汇流密度与径流频度均先减小后增大,单凹陷组及凹凸组合组均随雨强增大而增加,且5种微地形的汇流密度与径流频度在90 mm/h雨强下的差异性最小。5种措施的平均蜿蜒度均表现为单式起伏组<复式起伏组,但与对照组相比且呈现不同规律。在60、120 mm/h雨强下,CK组的平均蜿蜒度最小,复式起伏组最大;在90 mm/h雨强下,单式起伏组的平均蜿蜒度最小,复式起伏组最大。(3)地表起伏对坡面径流水动力学参数具有显著影响。表现在对断面平均流速V、平均水深h、雷诺数Re、弗劳德数Fr以及坡面水流阻力系数f的影响。凸起和凹陷的存在均会减小坡面漫流的平均流速,且凸起与凹陷同时存在时对坡面平均流速的影响更甚。其中凹凸相连坡面平均流速最小,同时,其坡面阻力系数最大。水流流经凸起时会发生壅水,在流经凹陷时会发生蓄水。小雨强时,凸起的壅水作用在对水深影响最为明显;大雨强时,凹陷的蓄水作用对水深影响占主导;3种雨强下凹凸相连组水深始终最小,说明凹凸相连组更能起到蓄水保土作用。单式起伏组坡面较平整,在较小雨强下其分层性与有序性较好,随着雨强增大,雨滴击溅作用明显,才出现紊流;而复式起伏组,由于凸起与凹陷共存,在凸起、凹陷的阻碍作用下,水流动能较小,有序性高,在3种雨强下均为层流。(4)地表起伏对侵蚀的响应主要通过土壤剥蚀率和坡面抗冲刷系数来分析。由于凸起增加了坡面可侵蚀物质,因此,在相同雨强下单凸起坡面的平均土壤剥蚀率最大,且随雨强增大而增大;坡面抗冲刷能力整体上均表现为复式起伏组大于单式起伏组,其中CMD组的抗冲刷能力最大,M组的抗冲刷能力最小;通过平均水流剪切力和平均水流含沙量对水流剥蚀率的回归中发现:水流剪切力与含沙量均能够对土壤剥蚀率进行有效预测,且显著性较高。
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