坡面径流调控效应及其机理研究

我中心2006届博士研究生吴淑芳同学，在导师吴普特研究员的指导下，经过三年努力完成了坡面径流调控效应及其机理研究

                             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%；再次是点状调控较对照增加37%。产流型和入渗型两种面状化学调控措施均对土壤入渗能力有较强的调控作用。当聚丙烯酸浓度达到4.8%～6.0%时土壤渗透性能最佳，较对照增加53.7%；有机硅与水的配比在1：5～1：7时，降低水分入渗能力效果最佳。
    5、调控坡面均具有一定的减流、减沙效应，水沙变化呈现良好的线性关系。采用的调控度、用水减沙比，较好地反映了调控措施的水沙关系以及水沙调控效应。面状保水调控秸秆覆盖坡面，起流时间最晚，降雨初损雨量、径流调控度及用水减沙比值最大，表现出减流、减沙效应最佳，其径流系数与输沙率较对照减少最多，分别为64%、80%。其次是面状储水调控苜蓿草地坡面，径流、泥沙分别较对照减沙36％、75％，再次是点状调控鱼鳞坑坡面，径流、泥沙分别较对照减沙25%、56%。
    6、通过薄层水流水力学、动力学以及水流受阻状况的分析，揭示了不同措施对坡面径流、泥沙的调控机理。薄层水流平均流速、水深均与单宽流量呈幂函数关系，坡面流态基本属于层流与过渡流状态。水流切应力、水流功率、径流动能方法的分析表明，输沙率与水流功率之间呈线性关系，输沙率与水流动能之间呈对数关系，并推导出水流切应力侵蚀模型。调控坡面水流阻力由颗粒阻力 ，形态阻力 ，波阻力 组成，其中面状调控坡面水流阻力系数最大，波阻力起主导作用；点状调控坡面水流阻力较小，形态阻力起主导作用；径流调控度与阻力系数呈对数关系，侵蚀率与阻力系数呈幂函数关系。面状化学调控措施明显改变了土壤入渗能力与产流产沙特征，其根本原因是表层土壤的微结构发生了改变。