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冻融作用对黄土丘陵区覆沙坡面土壤侵蚀影响试验研究

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黄土高原风水侵蚀交错带受水力侵蚀、风力侵蚀和冻融侵蚀等多种侵蚀力的复合作用，形成水蚀、风蚀、冻融侵蚀叠加的特殊侵蚀模式，多种侵蚀力在时空上交错重叠，土壤侵蚀较为强烈。本研究以黄土丘陵区覆沙黄土坡面作为研究对象，通过室内模拟冷冻和放水冲刷试验，分析了不同处理下覆沙黄土坡面的产流产沙过程和水沙变化特征、水动力参数和侵蚀能量参数的时空变化特征以及侵蚀动力参数与产流产沙的响应关系。本文取得的主要研究成果如下： (1)分析了覆沙坡面的径流和产沙特征。与对照裸坡坡面相比，覆沙坡面对照裸坡坡面初始产流时间延长，而冻融作用使覆沙坡面初始产流时间进一步缩短；冻结黄土坡面和冻结覆沙坡面的径流量与对照裸坡坡面相比有显著差异(p＜0.05)，冻结黄土坡面、对照覆沙坡面和冻结覆沙坡面的产沙量与对照裸坡坡面相比也存在显著差异(p＜0.05)；不同处理坡面产流强度大致分为“快速上升-相对稳定”和“相对稳定”两种变化趋势，覆沙坡面的产流强度受冻融作用的影响较大；裸坡坡面产沙强度随着冲刷时间的变化趋势较为平稳，而覆沙坡面产沙强度波动程度较大，冻融作用和坡面覆沙对坡面产沙强度的影响均较大。 (2)分析了不同处理坡面水动力参数的时空变化特征。不同处理坡面在不同时刻雷诺数的平均值大部分小于500，属于层流范畴，弗劳德数的平均值均大于1，属于急流范畴。冻结后的覆沙坡面不同断面处的径流流速随时间的延长而波动较为剧烈，坡面覆沙后不同断面径流流速随产流时间的变化表现出较为明显的分层现象。土壤冻结和在坡面覆沙后不同时刻、不同断面的阻力系数均增大。 (3)分析了不同处理坡面侵蚀能量参数的时空变化特征。对照裸坡坡面不同时刻、不同断面水流剪切力和径流功率的平均值处于较低的水平，冻结裸坡坡面冻结裸坡坡面和冻结覆沙坡面的水流剪切力随着产流的继续波动较为剧烈，说明冻融作用对坡面水流剪切力的影响较大，冻融作用大大增加了径流冲刷对坡面土壤的分离能力。不同处理坡面径流功率的时空变化特征与径流流速大致相同。 (4)不同侵蚀动力参数与产流强度和产沙强度均呈幂函数关系。产流强度与各参数的相关关系大小顺序为阻力系数f＞曼宁糙率系数n＞弗劳德数Fr＞水流剪切力τ＞径流功率w＞径流流速V=单位径流功率P＞雷诺数Re；产沙强度与各参数的相关关系大小顺序为阻力系数f＞曼宁糙率系数n＞水流剪切力τ＞径流功率w＞雷诺数Re＞弗劳德数Fr。相对而言，径流阻力（阻力系数和曼宁糙率系数）是描述该试验条件下坡面侵蚀动力学过程较好的参数。

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