坡面径流调控效应及其机理研究

论文摘要

干旱缺水与水土流失并存是制约干旱半干旱地区经济社会可持续发展的主要限制因子。坡面降雨径流既是产生水土流失的动力又是缓解干旱缺水的重要水源，因此科学调控和合理利用坡面径流，是治理水土流失与缓解干旱缺水的根本途径。本文以径流调控理论为指导思想，通过坡面放水冲刷试验和人工模拟降雨相结合的方法，研究裸地坡面降雨径流的发生、变化过程，分析了不同措施坡面调控的土壤储水效应、水沙效应，并从坡面水流水力学、动力学、水流受阻状况以及表层土壤微结构等方面探讨了坡面水沙调控机理。得出以下主要结论： 1、非调控坡面具有特殊的产流产沙过程，随放水历时的延长，产流强度呈先急增加后下降最后逐渐趋于稳定的态势，两者之间存在良好的对数关系。随着放水流量增大、坡度增加，起流时间明显提前；非调控坡面输沙过程表现为“侵蚀速增阶段、侵蚀减少阶段、侵蚀量呈现波状起伏阶段、侵蚀稳定期”四个阶段。 2、不同调控措施对坡面产流产沙过程的影响存在明显差异。面状储水调控措施由于活体地被物对水流的阻挡、分流、以及根系吸收的作用，使得设计流量范围内产流率、输沙率随放水历时的延长变幅不大，但起流时间由最小流量的18.0min降低到最大流量的5.9min。面状保水调控措施不仅对土壤起到良好保护作用，而且对水流起到严重的阻碍、分散及强化入渗作用，当流量达到2.5m3／h时，坡面才出现径流且伴随微量侵蚀产生，起流时间为17.6min。点状调控措施使得坡面径流线被横向切割，径流的产、汇过程重新分布，从而发挥坡面纵向径流的横向拦截作用，在3.0m3／h流量范围内，产流产沙过程表现出先增加后稳定的趋势，大于此流量时，水流形成漩涡对内壁不断剥蚀、冲击、破坏，使得产流、产沙过程极不稳定。 3、对于调控与非调控坡面，0-150cm土层内水分垂向、坡向分布具有一定的波动性。表层土壤水分的波动主要由坡面径流的波动性引起的，深层土壤水分沿坡面的波动是由土壤质地的空间变异引起。调控措施对0-50cm土壤水分调蓄能力有一定影响。点状调控坡面由于微地形的变化对坡面径流具有层层拦截作用，使得土壤水分含量存在坡上＞坡中＞坡下的情况；对于面状储水调控坡面，地上部分对径流的阻碍、分流以及30-50cm分布的植物根系吸水与抑制水分的深层渗漏作用，使得水流遍布于整个坡面上，入渗速度沿坡面分布均匀，最终表现出不同坡位含水量相当。面状保水调控坡面，由于秸秆覆盖物的存在导致水流推进速度严重受阻，强化水分入渗，使得土壤含水量呈现坡上＞坡中＞坡下。 4、调控坡面均具有较强的土壤水分储存能力。面状保水调控具有最好的拦截径流、保存水分的能力，储水量较对照增加60％，其次是面状储水调控，较对照增加49％；再

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地表径流的发生与调控
• 1.2.2 降雨入渗与土壤水分
• 1.2.3 土壤水分的再分布
• 1.2.4 坡面侵蚀产沙
• 1.2.5 地表径流的调控机理
• 1.3 研究发展趋势
• 1.3.1 存在问题
• 1.3.2 发展趋势
• 第二章 研究内容与实验设计
• 2.1 研究目标与内容
• 2.1.1 非调控坡面产流产沙过程
• 2.1.2 调控坡面产流产沙过程
• 2.1.3 坡面调控土壤储水效应
• 2.1.4 坡面调控水沙效应
• 2.1.5 坡面径流调控机理
• 2.2 研究思路
• 2.3 实验设计
• 2.3.1 野外径流小区试验
• 2.3.2 人工模拟降雨试验
• 2.3.3 室内渗透实验
• 2.3.4 表层土壤的微结构观察
• 第三章 非调控坡面产流、产沙过程
• 3.1 非调控坡面产流过程
• 3.2 非调控坡面产沙过程
• 3.3 小结
• 第四章 调控坡面产流、产沙过程
• 4.1 调控坡面产流过程
• 4.1.1 点状调控坡面产流过程
• 4.1.2 面状调控坡面产流过程
• 4.2 调控坡面产沙过程
• 4.2.1 点状调控坡面产沙过程
• 4.2.2 面状调控坡面产沙过程
• 4.3 小结
• 第五章 调控坡面的土壤储水效应
• 5.1 非调控坡面土壤水分状况
• 5.1.1 土壤入渗过程
• 5.1.2 坡度、流量对土壤储水量的影响
• 5.1.3 土壤水分再分布特征
• 5.2 调控坡面土壤水分状况
• 5.2.1 点状调控坡面土壤水分状况
• 5.2.2 面状调控坡面土壤水分状况
• 5.2.3 调控坡面土壤储水效应分析
• 5.3 化学调控土壤水分状况
• 5.3.1 入渗型聚合物的水分调控效应
• 5.3.2 产流型聚合物的水分调控效应
• 5.4 小结
• 第六章 调控坡面的水沙效应
• 6.1 调控坡面减流效应分析
• 6.2 调控坡面减沙效应分析
• 6.3 调控坡面的水沙关系
• 6.4 小结
• 第七章 坡面水沙调控机理
• 7.1 薄层水流水力学特性
• 7.1.1 径流流速
• 7.1.2 径流深
• 7.1.3 水流流态
• 7.1.4 糙率系数
• 7.2 坡面径流冲刷动力
• 7.2.1 径流切应力
• 7.2.2 水流功率
• 7.2.3 水流动能
• 7.3 水流受阻状况分析
• 7.4 土壤微结构分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 主要结论及有待解决的问题
• 8.1 主要结论
• 8.2 创新之处
• 8.3 有待深入研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介