草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响.pdf
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1、第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 0 资助项目:国家自然科学基金项目(4 2 0 7 7 0 5 8,4 2 1 0 7 3 5 9);陕西省高校科协青年人才托举计划项目(2 0 2 1 0 7 0 5);中国博士后科学基金面上项目(2 0 2 2 MD 7 1 3 8 0 0)第一作者:崔钦凯(1 9 9 9),男,河南漯河人,硕士研究生,主要从事土壤侵蚀过
2、程与机理研究。E-m a i l:c h e c k a y s n n u.e d u.c n 通信作者:刘俊娥(1 9 8 7),女,山西河曲人,博士,副教授,主要从事土壤侵蚀过程与机理研究。E-m a i l:l i u j u n e 5s n n u.e d u.c n草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响崔钦凯1,刘俊娥1,陈 浩2,3,周正朝1(1.陕西师范大学地理科学与旅游学院,西安7 1 0 1 1 9;2.延安大学生命科学学院,陕西 延安7 1 6 0 0 0;3.西安理工大学水利水电学院,西安7 1 0 0 4 8)摘要:径流含沙量的大小体现水沙关系的消长和演变,
3、可以作为评价植被影响下径流和产沙的交互演变过程特征的重要指标。通过人工降雨试验,研究不同草被覆盖度变化在不同雨强和不同坡度条件下对黄土坡面径流含沙量的综合影响特征。结果表明:(1)草被盖度越大,坡面径流的初始产流时间越滞后。有草被覆盖坡面的径流含沙量随降雨历时变化为降雨前1 5m i n有波动,但总体上呈降低趋势,之后达到稳定,且有草被覆盖坡面的径流含沙量显著低于裸地。(2)径流平均含沙量均随雨强和坡度的增大而增大,平均含沙量对雨强和坡度的响应均可用幂函数方程描述,R2分别为0.8 2 30.9 7 4和0.8 8 00.9 7 1。随着盖度的增加,平均含沙量降低,且雨强对平均含沙量的影响随盖
4、度的增加而减弱。平均含沙量对盖度的响应可用线性方程描述,R2为0.7 3 20.9 7 9。(3)径流平均含沙量对盖度和雨强(R2=0.8 2 2,NE=0.9 2 1,p0.0 1)及对盖度和坡度(R2=0.9 7 5,NE=0.6 9 7,p0.0 1)的响应关系皆可用二元幂函数方程描述,径流平均含沙量对盖度、雨强和坡度(R2=0.7 7 1,NE=0.7 7 4,p雨强坡度。研究结果可为黄土坡面含沙量的变化特征及机理提供参考,对黄土高原水土流失治理和生态系统可持续发展具有重要意义。关键词:黄土坡面;降雨;坡度;植被覆盖度;径流含沙量中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号
5、:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 0 4 0-0 8D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 0 5I n f l u e n c eo fG r a s sC o v e r a g e,R a i nI n t e n s i t ya n dS l o p eo nS e d i m e n tC o n c e n t r a t i o no fR u n o f fo nL o e s sS l o p eC U IQ i n k a i1,L I UJ u ne1,CHE N H a
6、 o2,3,Z HOUZ h e n g c h a o1(1.S c h o o l o fG e o g r a p h ya n dT o u r i s m,S h a a n x iN o r m a lU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 1 1 9;2.S c h o o l o fL i f eS c i e n c e s,Y a na nU n i v e r s i t y,Y a na n,S h a a n x i7 1 6 0 0 0;3.S c h o o l o fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d
7、 r o p o w e r,X ia nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,X ia n7 1 0 0 4 8)A b s t r a c t:T h es e d i m e n t c o n c e n t r a t i o no f r u n o f f r e f l e c t st h ef l u c t u a t i o na n de v o l u t i o no f t h er u n o f f-s e d i m e n tr e l a t i o n s h i p,a n dc a nb eu s e
8、 da s a n i m p o r t a n t i n d e x t oe v a l u a t e t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e i n t e r a c t i v e e v o l u t i o np r o c e s so f r u n o f f a n ds e d i m e n t y i e l du n d e r t h e i n f l u e n c eo f v e g e t a t i o n.T h e i n f l u e n c eo f d i f f e r e n
9、t g r a s s c o v e r so ns e d i m e n t c o n c e n t r a t i o no f r u n o f fo nl o e s s s l o p eu n d e rd i f f e r e n t r a i n f a l l i n t e n s i t i e sa n ds l o p e sw e r es t u d i e dt h r o u g ha r t i f i c i a l r a i n f a l le x p e r i m e n t.T h er e s u l t ss h o w e
10、dt h a t:(1)T h eg r e a t e rt h eg r a s sc o v e r,t h em o r ed e l a y e dt h e i n i t i a l t i m eo fs l o p er u n o f fp r o d u c t i o n.T h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no fr u n o f fo ns l o p e sc o v e r e dw i t hg r a s s f l u c t u a t e d i nt h eb e g i n n i n g1 5
11、m i no f r a i n f a l l,b u ts h o w e dad e c r e a s i n gt r e n do nt h ew h o l e,a n dt h e nr e a c h e das t a b l es t a t e,a n dt h es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no fr u n o f fo nt h es l o p ec o v e r e dw i t hg r a s sw a ss i g n i f i c a n t l y l o w e r t h a nt h a t
12、o nt h eb a r el a n d.(2)T h ea v e r a g es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o no fr u n o f f i n c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s i n go fb o t hr a i n f a l l i n t e n s i t ya n ds l o p e,a n dt h er e s p o n s e so fa v e r a g es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nt ob o t hr
13、 a i n f a l l i n t e n s i t ya n ds l o p ec o u l db ed e s c r i b e db yp o w e rf u n c t i o ne q u a t i o n s,w i t hR2r a n g i n gf r o m0.8 2 3t o0.9 7 4a n d0.8 8 0t o0.9 7 1,r e s p e c t i v e l y.T h ea v e r a g es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h e
14、i n c r e a s i n go f c o v e r a g e,a n d t h e i n f l u e n c eo f r a i n f a l l i n t e n s i t yo n t h e a v e r a g e s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o nw e a k e n e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o v e r a g e.T h er e s p o n s eo fa v e r a g es e d i m e n tc o n c e n t
15、r a t i o nt oc o v e r a g ec o u l db ed e s c r i b e db yl i n e a re q u a t i o nw i t hR2r a n g i n gf r o m0.7 3 2t o0.9 7 9.(3)T h er e s p o n s eo fa v e r a g es e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nt oc o v e r a g ea n dr a i n f a l l i n t e n s i t y(R2=0.8 2 2,NE=0.9 2 1,p0.0 1),
16、c o v e r a g ea n ds l o p e(R2=0.9 7 5,N E=0.6 9 7,p0.0 1)c o u l db ed e s c r i b e db yb i n a r yp o w e r f u n c t i o ne q u a t i o n.A n dt h ec o m p r e h e n s i v er e s p o n s eo f a v e r a g es e d i m e n t c o n c e n t r a t i o nt oc o v e r a g e,r a i n f a l l i n t e n s i
17、 t ya n ds l o p ec o u l db ed e s c r i b e db yat e r n a r y l i n e a re q u a t i o n(R2=0.7 7 1,NE=0.7 7 4,pr a i ni n t e n s i t ys l o p e.T h er e s u l t sc o u l dp r o v i d er e f e r e n c e s f o r t h e r e s e a r c ho f c h a n g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s
18、 m so f s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o no n l o e s s s l o p e,a n dh a v e i m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e f o r s o i l a n dw a t e r l o s s c o n t r o l a n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t o fe c o s y s t e mo nt h eL o e s sP l a t e a u.K e y w o r d s:l o e
19、s ss l o p e;r a i n f a l l;s l o p e;v e g e t a t i o nc o v e r a g e;r u n o f f s e d i m e n t c o n c e n t r a t i o n 退耕还林还草使植被覆盖面积增加,下垫面条件发生显著改变,显著减少黄土高原的水土流失1。同时,植被覆盖对流域径流和产沙的影响程度存在差异,径流和产沙的交互作用影响径流含沙量的平衡和变化,从而对河道河床的侵蚀淤积演变和河道的安全运行产生重要影响2。径流含沙量的大小反映水沙关系的消长和演变,可以作为评价植被影响下径流和产沙相互演变过程特征的重要指标
20、。因此,解析植被覆盖对含沙量的影响,建立含沙量预测模型对合理调控含沙量及流域治理有重要意义。草被通过地上部分对降雨和径流的截留作用及其根系对土壤的固持作用共同调节坡面径流与产沙。研究植被影响下径流含沙量的变化多为野外试验,也有室内小区试验。许多学者3-5研究发现,草被的减沙效应高于减流效应,则草被可减小径流含沙量。有植被覆盖的坡面径流含沙量随冲刷时间的增加,前期波动变化,后期逐渐稳定4,6,说明植被发挥拦沙作用需要一个过程。张建军等7研究发现,没有地被物的径流含沙量明显小于有地被物的。径流含沙量和盖度呈负相关8-1 0,盖度的增大可增加土壤颗粒阻力和波阻力1 0,继而减小含沙量。孙一等1 1研
21、究发现,径流含沙量随着植被覆盖度的增大迅速减小,相较于裸坡,当覆盖度2 0%时,含沙量可减小6 0%,当覆盖度达到6 0%,含沙量可减少9 0%以上,并将6 0%盖度作为削减含沙量的阈值盖度。但P a n等1 2研究发现,盖度越高,稳定阶段和全过程的平均含沙量削减作用皆越高。植被越完整,削减含沙量的作用越高3,5。雨强是影响径流含沙量的关键因素,周凡凡等1 3研究发现,草被覆盖坡面的径流含沙量和雨强呈线性正相关;张旭昇等9研究发现,径流含沙量与雨强呈三次函数关系。坡度是影响径流含沙量的重要因素,反映坡面径流水力坡降7,径流含沙量和坡度呈正相关6-7,1 4。张孝中等6研究发现,平均含沙量与供水
22、流量呈抛物线关系,并存在临界流量,为0.7 3 9L/m i n,且平均含沙量随坡度和供水流量呈二元线性关系。随着流量的加大,盖度对泥沙的拦截作用减弱8。刘纪根等1 5研究发现,雨强较大时,含沙量随坡长的增加急剧增加,雨强和坡度较小时,含沙量随坡长增加变化不明显;周凡凡等1 3研究发现,1 0 条件下,径流含沙量随坡长的增加而增加,且水流挟沙能力与流速的3次方呈正比,与水力半径和泥沙沉速的乘积呈反比;C h e n等4研究发现,平均径流含沙量与径流剪切力和水流功率均呈线性函数关系;王清源等1 6研究得出,平均径流含沙量与水流功率拟合关系最优;王栋栋等1 7研究认为,平均径流含沙量与单位水流功率
23、关系最优;张孝中等6研究发现,含沙量随坡度、供水流量的变化可用二元线性方程描述,流量对含沙量的影响略大于坡度;余新晓等1 8研究发现,日最大含沙量与降雨关系更密切,且汛期日均含沙量受植被覆盖的影响大于受降水的影响;张锐波等1 9研究发现,雨强对含沙量的影响略大于盖度;也有研究1 7发现,盖度对含沙量的影响大于雨强和坡度;曹梓豪等1 4研究发现,在1 5 坡度前含沙量变化受盖度的影响大,1 5 后受坡度影响更大。综上所述,雨强、坡度和盖度3个因素对含沙量的影响起着相互促进作用或相互中和的作用,但各因素的影响程度没有一致的定论,且多条件组合的研究相对较少,因此本试验选择黄土高原典型的牧草黑麦草,探
24、讨黄土坡面不同雨强和坡度下径流含沙量随盖度的过程变化特征,评价植被盖度及雨强和坡度对径流含沙量影响程度的大小,为深入认识草地坡面含沙量变化特征和机理奠定基础。1 材料与方法1.1 试验地点与供试土壤试验于2 0 2 2年89月在陕西省延安市延安大学14第5期 崔钦凯等:草被覆盖、雨强和坡度对黄土坡面径流含沙量的影响土壤侵蚀与修复生态试验基地进行。试验土壤取自黄土高原腹地安塞区,属于典型的丘陵沟壑区,气候为中温带大陆性半干旱季风气候,年平均气温8.8,年平均降水量5 0 5.3mm。土壤类型为黄绵土,其砂粒含量为3 6.8%,粉粒含量为5 4.3%,黏粒含量为8.9%。1.2 试验设备试验设备见
25、图1。降雨设备为下喷式降雨器,其喷头通过施加不同压力改变雨滴大小,调整不同的开度可以改变雨强,进而模拟自然降雨。雨强范围为02.5mm/m i n,降雨高度为5m,降雨试验前对雨强进行率定,经计算降雨均匀度可达8 0%以上。试验小区为移动式可变坡度钢槽,槽尺寸为2 0 0c m5 0c m3 0c m(长宽高),槽底部为径流泥沙收集口。需要装填的土壤先经过自然风干,然后过5mm筛,去除石头、杂草和其他碎片,接着对土壤样品进行湿润,使土壤含水量达到设计值1 4%,然后进行填土。填土厚度为2 5c m,采用边填土边夯实的办法按照设计容重1.2g/c m3分层装填,每层5c m,填土前先铺设厚5c
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