人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程研究（可编辑）

人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程研究（可编辑） 人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙 过程研究 分 类 号 : S 1 5 71 密 级: 公 开 论文编号: 2 0 0 7 0 2 1 0 1 9 贵 州 大 学 2 0 1 0 届 硕 士研究生学位论文 人 工降 雨模 拟条 件下 喀斯 特山 区 人 人 人 工降 工降 工降 雨模 雨模 雨模 拟条 拟条 拟条 件下 件下 件下 喀斯 喀斯 喀斯 特山 特山 特山 区 区 区 坡 坡 面径 面径 流及 流及 侵蚀 侵蚀 产沙 产沙 过程 过程 研究 研究 坡 坡 面径 面径 流及 流及 侵蚀 侵蚀 产沙 产沙 过程 过程 研究 研究 学科专业: 水土保持与荒漠化防治 研究方向: 退化生态系统恢复与重建 导 师: 戴全厚 教授 研 究 生: 杨 智 中国 ? ? ? ? 贵州 ? ? ? ? 贵阳 2 0 1 0 年 6 月人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程 研究 目 录 摘 要 I A b s t r a c tI I I 第一章 研究综述 1 11引言1 12研究现状. 2 121喀斯特地区土壤侵蚀2 122坡面径流过程与机理3 123坡面侵蚀产沙过程与机理. 5 13存在的问题8 第二章 研究目的、内容与方法 9 21研究目的. 9 22研究内容. 9 23研究方法与试验设计1 0 231试验设备及材料1 0 232试验设计1 2 233测定内容与方法1 3 234数据处理与分析1 4 第三章 坡面产流产沙影响因子分析. 1 5 31降雨强度对坡面径流及侵蚀产沙的影响分析 1 5 311降雨强度对坡面径流的影响. 1 5 312降雨强度对坡面径流侵蚀产沙的影响1 6 32地质构造因素对坡面径流及侵蚀产沙的影响分析1 7 321地下孔裂隙发育对坡面径流的影响. 1 8 322地下孔裂隙发育对坡面径流侵蚀产沙的影响1 9 33地表微地貌因素对坡面径流及侵蚀产沙的影响分析 2 1 331基岩裸露对坡面径流的影响. 2 1 332基岩裸露对坡面径流侵蚀产沙的影响2 3 34降雨历时对坡面径流及侵蚀产沙的影响分析 2 4 341降雨历时对坡面径流的影响. 2 5 342降雨历时对坡面径流侵蚀产沙的影响2 6 35坡面径流及侵蚀产沙影响因子综合分析. 2 7 351坡面径流影响因子综合分析. 2 7 352坡面径流侵蚀产沙影响因子综合分析2 8 36小结. 2 9 第四章 坡面产流过程及特征研究 3 1 41地下产流规律3 1 411地下产流特征. 3 1 412地下产流过程. 3 4 42地表产流规律4 1 421地表产流特征. 4 1 422地表产流过程. 4 4 43地表径流与地下孔裂隙流的关系. 5 0 i摘 要 44小结. 5 1 第五章 径流侵蚀产沙过程及特征研究5 3 51地下孔裂隙流侵蚀产沙过程5 3 511地下孔裂隙流侵蚀产沙特征. 5 3 512地下孔裂隙流侵蚀产沙过程. 5 6 52地表径流侵蚀产沙过程 6 2 521地表径流侵蚀产沙特征6 3 522地表悬移质流失过程. 6 6 523地表推移质流失过程. 7 3 53侵蚀产沙量与径流量的关系8 0 54小结. 8 0 第六章 结论与展望 8 3 61结论. 8 3 62展望. 8 6 致 谢8 8 参考文献. 9 0 附 录9 3 i i人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程研究 人 人 工降 工降 雨模 雨模 拟条 拟条 件下 件下 喀斯 喀斯 特山 特山 区 区 人 人 工降 工降 雨模 雨模 拟条 拟条 件下 件下 喀斯 喀斯 特山 特山 区 区 坡 坡 面径 面径 流及 流及 侵蚀 侵蚀 产沙 产沙 过程 过程 研究 研究 坡 坡 面径 面径 流及 流及 侵蚀 侵蚀 产沙 产沙 过程 过程 研究 研究 摘 要 本文针对喀斯特特殊的水土流失形式和复杂的土壤侵蚀环境条件,通过人工模拟喀斯特 裸坡面微地貌特征和地下岩溶裂隙构造,采用人工降雨,研究了不同基岩裸露率、不同地下 孔裂隙度和降雨强度交叉作用条件下的喀斯特坡面产流产沙过程及特征。为喀斯特地区水土 流失危害评价与估量、防治措施与对策,以及以水为核心,土为焦点的石漠化治理工程提供 了重要的理论依据。取得了如下主要研究结果: 1、地表径流首先在坡下部产生,地表产流与容许入渗地表和不可入渗地表关系密切。 地表径流量与各因子间相关程度为:雨强 降雨历时 地下孔裂隙度 基岩裸露率。地表径流 1.3645 量随降雨强度的增大明显增加,两者呈幂函数关系,关系式为: Q 74 2 0 4 I ; 地表产 流具有临界雨强,试验模拟下垫面的临界雨强为 8 0 m m / h;地表径流量随降雨历时的增长而 00 0 8 9 t 增加,关系式为: ;地表径流量随地下孔裂隙度的增大而减小,关系式为: Q 42178 e Q 46903 A + 62514;地表径流量随基岩裸露率的增加呈抛物线状变化,关系式为: 2 Q 46 2 5 J + 2 53 4 9 J + 2 11 5, 3 0 %的基岩裸露率是地表径流形成峰值的临界地貌参 数。 2、地下孔裂隙流流量与各因子间相关程度为:雨强 降雨历时 地下孔裂隙度 基岩裸 07 2 露率。地下孔裂隙流流量随雨强增大而呈波动性增大,关系式为: Q 1 44 3 I , 8 0 m m / h 雨强是地下孔裂隙流流量出现峰值的临界雨强;地下孔裂隙流流量随降雨历时的增长而减0. 0113t 小,关系式为: ;地下孔裂隙流流量随孔裂隙度的增大而增大,关系式为: Q 3 66 9 e ;地下孔裂隙流流量随基岩裸露率的增大先逐渐减小后增大,关系式 Q 51509 A + 19211 2 为: 。 Q 46 2 7 J2 53 5 6 J + 5 76 6 3、地表侵蚀的可蚀面积与不可蚀面积分异明显。地表径流侵蚀物质中不仅 有悬移质, 而且还有推移质,悬移质流失一直占据整个侵蚀过程的主导地位。地表土壤侵蚀具有明显的 空间差异性,坡上部以雨滴溅蚀为主,坡下部则雨滴溅蚀和地表径流侵蚀同时发生。地表径 流产沙量与各因子间相关程度为:雨强 降雨历时 地下孔裂隙度 基岩裸露率。地表径流悬 I摘 要 移质流失量先随雨强的增大而增加,后逐渐减小,推移质流失量随雨强先增大而后减小, 1 5 0 m m / h 是这一变化的临界点;地表径流侵蚀产沙量随降雨历时增长呈先降低再增大而后 降低的变化;地表径流悬移质流失量随地下孔裂隙度的增大而降低,推移质流失量随地下孔 裂隙度升高先增加而后逐渐减小;地表悬移质流失量随基岩裸露率增加总体上呈下降趋势变 化,基岩裸露率 1 0 %、3 0 %及 5 0 %水平下的推移质流失量均呈先增长后下降的变化规律,基 岩裸露率 2 0 %的地表推移质流失过程则表现为不断下降的总体规律,而基岩裸露率 4 0 %的 推移质流失过程呈现出逐渐上升的总体变化规律。 4、地下孔裂隙流侵蚀产生的侵蚀物质主要是土壤中的粘粒成分,即悬移质流 失。地下 孔裂隙流侵蚀与地下孔裂隙流的形成及变化呈现出同步性。地下孔裂隙流产沙量与各因子间 相关程度为:雨强 降雨历时 地下孔裂隙度 基岩裸露率。地下孔裂隙流侵蚀产沙量随雨强 的增大而增大, 8 0 m m / h 雨强是地下孔裂隙流悬移质流失量达到峰值的临界雨强;地下孔裂 隙流侵蚀产沙量随降雨历时增长而降低;随地下孔裂隙度的增加而增大;随基岩裸露率增加 先减小后增大。 5、径流侵蚀产沙量随径流量的增大而增大,地下孔裂隙流流量与地下侵蚀产沙量及地 n 表径流量与地表径流侵蚀产沙量的关系可用 描述;本试验的地表及地下孔裂隙流侵 S k Q 09 8 7 10 3 5 蚀产沙量与径流量的函数关系式分别为: , 。 S 30.067Q S 1.562 Q 地下 地下 地表 地表 关键词:人工降雨 喀斯特坡面 侵蚀产沙 可蚀面积 地下孔裂隙流 I I人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程研究 S S t t u u d d y y on on t t h h e e P P r r o o c c e e s s s s of of H H i i l l l l s s l l op op e e R R u u n n of of f f an an d d E E r r o o s s i i on on S S t t u u d d y y on on t t h h e e P P r r o o c c e e s s s s of of H H i i l l l l s s l l op op e e R R u u n n of of f f an an d d E E r r o o s s i i on on S S e e d d i i m m e e n n t t D D e e l l i i ve ve r r y y u u n n d d e e r r t t h h e e C C on on d d i i t t i i on on of of A A r r t t i i f f i i c c i i al al S S e e d d i i m m e e n n t t D D e e l l i i ve ve r r y y u u n n d d e e r r t t h h e e C C on on d d i i t t i i on on of of A A r r t t i i f f i i c c i i al al R ai n f al l P r e c i p i t at i on i n K ar s t M ou n t ai n A r e a R R R ai ai ai n n n f f f al al al l l l P P P r r r e e e c c c i i i p p p i i i t t t at at at i i i on on on i i i n n n K K K ar ar ar s s s t t t M M M ou ou ou n n n t t t ai ai ai n n n A A A r r r e e e a a a A A A A b b b b s s s s t t t t r r r r a a a a c c c c t t t t T h i s s t u d y w a s a i m e d a t t h e s t y l e o f s o i l l o s s a n d e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n o f s o i l e r o s i o n i n k a r s t a r e a , t h o u g h a r t i f i c i a l i m i t a t e d t h e c h a r a c t e r s o f k a r s t u n c o v e r e d s l o p e a n d u n d e r g r o u n d s t r u c t u r a l t e x t u r e , a d o p t e d a m e t h o d o f a r t i f i c i a l r a i n f a l l p r e c i p i t a t i o n t o s t u d y t h e p r o c e s s o f s e d i m e n t d e l i v e r y o f s l o p e u n d e r t h e d i f f e r e n t r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k s , u n d e r g r o u n d c r e v a s s e s a n d r a i n i n t e n s i t i e s , T h e m a i n r e s u l t s a r e a s f o l l o w : 1F i r s t l y , d o w n - s l o p e h a p p e n s g r o u n d r u n o f f a n d t h e g r o u n d p r o c e s s r u n o f f a n d i n t o s e e p g r o u n d a n d n o t i n t o s e e p g r o u n d h a s r e l a t i o n s e a c h o t h e rT h e v o l u m e o f g r o u n d r u n o f f i s r e l a t i o n t o e a c h f a c t o r : r a i n f a l l i n t e n s i t y r a i n t i m e r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k sT h e v o l u m e o f g r o u n d r u n o f f i n c r e a s e s a l o n g w i t h r a i n f a l l i n t e n s i t y i n c r e a s e s , a n d h a v e 13 6 4 5 p o w e r f u n c t i o n r e l a t i o n s h i p : ; T h e g r o u n d r u n o f f h a v e c r i t i c a l r a i n f a l l i n t e n s i t y Q 74204 I - 1 a n d e x p e r i m e n t s t i m u l a t e d c r i t i c a l r a i n f a l l i n t e n s i t y 8 0 m m ? h u n d e r - c u s h i o n r o c k s o f f a c e ; T h e v o l u m e o f g r o u n d r u n o f f i n c r e a s e s a l o n g w i t h r a i n t i m e i n c r e a s e s , a n d r e l a t i o n s h i p : 00 0 8 9 t ; T h e v o l u m e o f g r o u n d r u n o f f d e c r e a s e s a l o n g w i t h r a t i o s o f u n d e r g r o u n d Q 42178 e c r e v a s s e i n c r e a s e s , a n d r e l a t i o n s h i p : ; T h e v o l u m e o f g r o u n d r u n o f f Q 46903A + 62514 p a r a - c u r v e a l o n g w i t h r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k s i n c r e a s e s , a n d r e l a t i o n s h i p : 2 , a n d g r o u n d s h a p e s u m m i t - d a t e o f r u n o f f o f c r i t i c a l g r o u n d f o r m Q 4625 J + 25349 J + 2115 p a r a m e t e r i s 3 0 % o f r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k s2T h e v o l u m e o f f l o w o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e i s r e l a t i o n t o e a c h f a c t o r : r a i n f a l l i n t e n s i t y r a i n t i m e r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k sT h e v o l u m e o f f l o w o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f l u c t u a t e i n c r e a s e s a l o n g w i t h r a i n f a l l i n t e n s i t y i n c r e a s e s , a n d 07 2 r e l a t i o n s h i p : Q 1 44 3 I , c r i t i c a l r a i n f a l l i n t e n s i t y o f v o l u m e o f f l o w o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e - 1 s h a p e s u m m i t - d a t e i s 8 0 m m ? hT h e v o l u m e o f f l o w o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e d e c r e a s e s a l o n g0.0113 t ; w i t h r a i n t i m e i n c r e a s e s , a n d r e l a t i o n s h i p : T h e v o l u m e o f f l o w o f u n d e r g r o u n d Q 36. 69 e I I I摘 要 c r e v a s s e i n c r e a s e s a l o n g w i t h r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e i n c r e a s e s , a n d r e l a t i o n s h i p : ; T h e v o l u m e o f f l o w o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f i r s t d e c r e a s e s a n d t h e n Q 51509 A + 19211 i n c r e a s e s a l o n g w i t h r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e i n c r e a s e s , a n d r e l a t i o n s h i p : 2Q 46 2 7 J2 53 5 6 J + 5 76 6 3T h e a r e a o f s u r f a c e s o i l e r o s i o n c a n b e d i v i d e d i n t o e r r o d i b i l i t y a r e a a n d n o n - e r r o d i b i l i t y a r e aS u r f a c e r u n o f f e r o s i o n s u b s t a n c e s i n c l u d e p u s h - s h i f t - s u b s t a n c e a n d s u s p e n d - s h i f t - s u b s t a n c e , b u t s u s p e n d - s h i f t - s u b s t a n c e i s a l w a y s t a k e n o v e r l e a d i n g p o s i t i o n f o r t h e p r o c e s s o f s o i l e r o s i o nT h e r e i s a c l e a r s p a c e d i f f e r e n c e i n s o i l e r o s i o n , s p l a s h e r o s i o n a l w a y s o c c u r o n u p - s l o p e , s p l a s h e r o s i o n a n d r u n o f f o c c u r o n d o w n - s l o p e i n t h e s a m e t i m eT h e l e v e l o f r e l a t i o n o f s u r f a c e r u n o f f s e d i m e n t v o l u m e a n d s o m e f a c t o r s i s a n o r d e r a s f o l l o w : r a i n f a l l i n t e n s i t y r a i n f a l l t i m e r a t i o o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e r a t i o o f u n c o v e r e d r o c kW i t h b e g i n n i n g o f t h e l o s s v o l u m e o f s u s p e n d - s h i f t - s u b s t a n c e o f s u r f a c e r u n o f f i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a i n f a l l i n t e n s i t y , a n d t h e n d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a i n f a l l i n t e n s i t y ; t h i s c h a n g e a s s a m e a s t h e r e l a t i o n o f - 1 p u s h - s h i f t - s u b s t a n c e l o s s v o l u m e a n d r a i n i n t e n s i t y , 1 5 0 m mh r a i n f a l l i n t e n s i t y i s t h e p e a k v a l u eW i t h b e g i n n i n g o f t h e v o l u m e o f s e d i m e n t d e l i v e r y o f s u r f a c e r u n o f f e r o s i o n d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a i n f a l l t i m e , a n d t h e n i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a i n f a l l t i m e , a t l a s t d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a i n f a l l t i m e ; T h e l o s s v o l u m e o f s u s p e n d - s h i f t - s u b s t a n c e o f s u r f a c e r u n o f f e r o s i o n d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e , w i t h b e g i n n i n g o f p u s h - s h i f t - s u b s t a n c e l o s s v o l u m e i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e , a n d t h e n d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s eT h e l o s s v o l u m e o f s u s p e n d - s h i f t - s u b s t a n c e o f s u r f a c e r u n o f f e r o s i o n d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k sW i t h b e g i n n i n g o f t h e l o s s v o l u m e o f p u s h - s h i f t - s u b s t a n c e o f s u r f a c e r u n o f f e r o s i o n i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f 1 0 % , 3 0 % a n d 5 0 % r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k s , a n d t h e n r e d u c i n gT h e l o s s v o l u m e o f p u s h - s h i f t - s u b s t a n c e o f s u r f a c e r u n o f f e r o s i o n d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f 2 0 % r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k sT h e l o s s v o l u m e o f p u s h - s h i f t - s u b s t a n c e o f s u r f a c e r u n o f f e r o s i o n i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f 4 0 % r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k s4U n d e r g r o u n d r u n o f f d e l i v e r s c l a y t h o u g h t h e p u s h - s h i f t - s u b s t a n c e s t y l e , t h e c h a n g i n g o f u n d e r g r o u n d r u n o f f a n d u n d e r g r o u n d r u n o f f e r o s i o n w i l l b e h a p p e n e d i n t h e s a m e t i m eT h e l e v e l o f r e l a t i o n o f v o l u m e o f e r o s i o n s e d i m e n t o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f l o w a n d s o m e f a c t o r s i s a n I V人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程研究 o r d e r a s f o l l o w : r a i n f a l l i n t e n s i t y r a i n f a l l t i m e r a t i o o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e r a t i o o f u n c o v e r e d r o c kT h e v o l u m e o f e r o s i o n s e d i m e n t o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f l o w i n c r e a s e s a l o n g w i t h - 1 i n c r e a s i n g o f r a i n f a l l i n t e n s i t y , 8 0 m mh r a i n f a l l i n t e n s i t y i s c r i t i c a l v a l u e s t h a t c a n m a k e t h e v o l u m e a c h i e v e p e a k v a l u eT h e v o l u m e o f e r o s i o n s e d i m e n t o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f l o w d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a i n f a l l t i m eT h e v o l u m e o f e r o s i o n s e d i m e n t o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f l o w i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a t i o s o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s eW i t h b e g i n n i n g o f t h e v o l u m e o f e r o s i o n s e d i m e n t o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f l o w d e c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k s , a n d t h e n i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r a t i o s o f u n c o v e r e d r o c k s5T h e v o l u m e o f r u n o f f e r o s i o n s e d i m e n t i n c r e a s e s a l o n g w i t h i n c r e a s i n g o f r u n o f f v o l u m eT h e r e i s a r e l a t i o n s h i p c a n d e s c r i b e t h e r e l a t i o n o f t h e v o l u m e o f u n d e r g r o u n d c r e v a s s e f l o w a n d t h e v o l u m e o f u n d e r g r o u n d e r o s i o n s e d i m e n t , t h e r e l a t i o n o f t h e v o l u m e o f s u r f a c e r u n o f f a n d t h e n v o l u m e o f s u r f a c e e r o s i o n s e d i m e n tR e l a t i o n s h i p :T h e f u n c t i o n r e l a t i o n s h i p o f t h e S k Q v o l u m e o f r u n o f f a n d t h e v o l u m e o f e r o s i o n s e d i m e n t o f s u r f a c e r u n o f f o r u n d e r g r o u n d c r e v a s s e 09 8 7 10 3 5 f l o w a r e a s f o l l o w : ,S 3 00 6 7 Q S 15 6 2 Q s u r f a c e u n d e r g r o u n d s u r f a c e u n d e r g r o u n d K K e e y y w w or or d d s s : : K K e e y y w w or or d d s s : : a r t i f i c i a l r a i n f a l l ; k a r s t - h i l l s l o p e ; e r o s i o n a n d s e d i m e n t ; E r o d i b l e a r e a ; F i s s u r e f l o w u n d e r g r o u n d h o l eV人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程研究 第一章 研究综述 1 1 1 11 1 1 1引言 4 2 喀斯特是碳酸盐岩地区特有的地貌景观,在全球广泛分布,面积约为 2 2 0 0 × 1 0 km(王 德炉等 , 2 0 0 4),占全球陆地总面积的 1 5 %,生存着约 1 0 亿人口。随着经济浪潮和人口增 长,因人类对环境重要性认识不足,肆无忌惮的掠夺自然资源,使原本脆弱的喀斯特岩溶生 态环境遭到严重破坏,导致不可再生的土壤资源流失殆尽,最终成为困扰喀斯特地区发展的 头等环境问题 ?石漠化。 喀斯特岩溶生态环境恶化自上世纪 7 0年代被世界各国重视。 1 9 8 3 年美国科学促进会第 1 4 9届年会上,正式把喀斯特岩溶和沙漠化边缘地区同列为脆弱环境。 2 0世纪 8 0年代以后, 中外学者针对喀斯特岩溶地区石漠化的成因与过程分别从地质、生态、人类 活动等角度对其 形成、演化与治理对策进行了综合研究分析,并取得了可喜的成果。然而,对自然营力作用 引发石漠化的重要物理过程?坡面土壤流失问题研究较少,特别是孔裂隙土壤流失问题无人 问津,对其引起土壤侵蚀的主要动力因子坡面降雨径流、孔裂隙流及其侵蚀产沙过程机理的 研究更是尚未见报。 自然降雨径流侵蚀是喀斯特地区土壤侵蚀的主动力,坡面径流侵蚀输沙是喀斯特石漠化 形成和发展的主导因子,其过程特征及机理与喀斯特坡面土壤流失形成石漠化息息相关(王 世杰等, 2 0 0 3)。开展坡面降雨径流侵蚀产沙过程及其机理研究是建立坡面侵蚀物理过程预 测预报模型的基础和前提,对建立土壤侵蚀物理过程预测预报模型及指导坡面水土保持措施 的配置和布设具有重要的现实和理论意义,一直以来是国内外土壤侵蚀的研究重点。到目前 为止,各国专家学者已从这一角度在非喀斯特地区开展了大量的研究工作并取得较大进展, 而在喀斯特地区还甚为少见。 喀斯特地区成土过程缓慢,土层浅薄,结合长期强烈的岩溶化作用产生地表、 地下双层 地质构造分隔破碎包气带,形成复杂的地上、地下开放水文系统,导致降水渗漏严重,土壤 分别从地表和地下流失殆尽,使地表基岩裸露,土被不连续,可蚀面积减少,形成独特的喀 斯特石漠化景观。由于喀斯特地区坡面降雨径流、孔裂隙流及侵蚀产沙过程机理研究的复杂 性和难度,致使该区至今仍未建立起因地制宜的水土流失预测预报模型和防治措施体系。最 1第一章 研究综述 直接的表现为:在喀斯特地区引用非喀斯特地区的理论体系进行预测预报与防治措施配置和 布设,以致其所造成的损失和危害尚未得到准确的估量与适宜的恢复治理。若随其发生发展, 将形成石漠化而无土可流,最终是生存环境丧失的局面(贵州省科学技术委员会 , 1 9 9 8 ;袁 道先等, 1 9 9 4;王世杰等, 2 0 0 2),这也成为广大专家学者的共识。 故此,及时开展对喀斯特地区坡面降雨径流、孔裂隙流及侵蚀产沙过程的研究已经迫在 眉睫。本研究通过模拟典型喀斯特裸坡面的地形地质构造,采用人工降雨研究喀斯特山区坡 面径流、孔裂隙流及侵蚀产沙过程,初步探索喀斯特山区裸坡面的降雨产流 产沙过程特征及 机理,为喀斯特地区水土流失防治提供理论依据,对以水为核心,土为焦点的石漠化治理工 程具有重要的理论和现实意义。 12 1 1 1 2 2 2研究现状 1.2.1 1.2.1 1.2.1 1.2.1喀斯特地区土壤侵蚀 喀斯特地区土壤侵蚀最直接的表现为土地石漠化使其生产力丧失,是喀斯特地区土壤侵 蚀发生发展的最终结果。关于喀斯特石漠化的研究,袁道先等(1 9 9 7)最先采用石漠化概念 表征地表植被、土壤覆盖的岩溶地区转变为基岩裸露的岩溶景观的过程。王世杰等( 2 0 0 2) 将石漠化定义为在亚热带脆弱的岩溶环境背景下,受人类不合理的社会经济活动干扰破坏, 造成土壤严重侵蚀,基岩大面积出露,土地生产力严重下降,地表出现类似荒漠化景观的土 地退化过程。 关于喀斯特土壤侵蚀问题,徐燕等(2 0 0 5)对贵州岩溶山地区土壤物理性质与土壤抗蚀 性的研究发现,土壤物理性质是影响土壤侵蚀和土壤抗蚀性能的内在因素。龙健等( 2 0 0 5) 通过对岩溶山地区土壤侵蚀的本质问题分析指出:岩溶地区的土壤侵蚀将导致细粒物质减 少,表层土壤消失,岩土界面风化母质过渡层缺失或被裸露基岩取代,引起土壤质地砂化颗 粒变粗,使土壤有机质及养分含量减少,保水保肥性能减弱,降低土壤微生物功能多样性。 彭建等(2 0 0 1)对贵州花江岩溶峡谷水土流失状态分析后指出:岩溶地区土壤侵蚀量远小于 大多数非岩溶地区,但并不是说岩溶峡谷地区的水土流失不严重,相反,这正是水土流失发 展到极其严重地步的必然现象;另一方面,流域的土壤侵蚀强度还受其内部岩性结构的影响, 碎屑岩的比重越大,土壤侵蚀模数也越大。 关于喀斯特地区土壤流失强度分级及其类型划分,一直是一个颇具争议的热点问题。柴 宗新( 1 9 8 9)从基岩溶蚀速度的角度展开研究发现,广西岩溶地区土壤容许流失量为 2人工降雨模拟条件下喀斯特山区坡面径流及侵蚀产沙过程研究 2 6 8 t / k m ? a。陈廉杰等( 1 9 9 3)对林地土壤侵蚀容许流失量的研究发现,石灰岩发育的林地土 2 壤允许流失量上限为 5 0 t / k m ? a。韦启番等( 1 9 9 6)通过研究则认为喀斯特区最大土壤允许 2 流失量不超过 5 0 t / k m ? a。陈晓平等( 1 9 9 7)在滇东南峰丛山区通过观测试验,对喀斯特山 区环境的土壤侵蚀现状特征、侵蚀分级、类型、成因等问题进行了探讨 ,并拟定了他认为适 2 宜于喀斯特区的土壤侵蚀分级指标,他认为喀斯特山区土壤允许流失量为 4 6 t / k m ? a。 显然,在喀斯特地区,由于特殊的地质环境及地貌组成,使现有的研究成果大多偏向于 对其地表土壤侵蚀现状的研究,而对坡面土壤侵蚀最重要最直接的动力过程?坡面降雨径流 侵蚀产沙过程及机理缺乏研究,特别是针对地表、地下双层地质构造空间格局所采取的全面 研究更是鲜见,以致目前在喀斯特地区仍未建立起适宜的土壤流失强度分类分级标准,致使 喀斯特地区的水土流失危害得不到科学正确的评价和估量,水土流失防治措施及对策欠缺合 理的依据。 1.2. 1.2. 1.2. 1.2. 2 2 2 2坡面产流过程与机理 ( 1)坡面产流影响因素研究 影响流域坡面产流的因素主要有 3 类:降雨特性、流域下垫面和流域蒸散发特性。史玉 虎等(2 0 0 4)通过研究递减型、均匀型、突发型及峰值型 4种不同类型的降雨过程对产流的 快慢及产流量的影响,结果表明峰值型降雨最快和最明显,而后依次是突发型降雨、递减型 降雨、均匀型降雨。有研究表明,酸性和中性土区的裸土更容易被降雨击散形成结皮,受结 皮影响后的入渗率只有 96 m m / m i n,地表径流的形成主要决定于降雨量( YB e n y a m i n i , 1 9 7 7; B e n - H u r , 1 9 8 5; S t e r nRM, e t a l , 1 9 9 9;咸宁地区土壤普查办公室 , 1 9 8 2)。土壤持水特性 对坡面径流的形成具有一定的影响,由于土壤持水曲线存在滞后现象,即在同样吸力条件下, 土壤脱水过程比吸水过程的含水量高得多,所以实践中多以脱水过程曲线表示土壤的持水 性。土壤孔隙是土壤水分的运移通道,在饱和状态下,土壤孔隙度的增加,尤其是大孔隙增 加促进土壤导水能力,而土壤吸附作用则抑制了土壤导水能力。 D e x t e r(1996)、赵炳梓等 ( 1 9 9 1)对砂页岩侵蚀山区的研究表明,容重的大小直接影响了土壤的渗 透性能;容重越大 土壤蓄水能力越低,径流量越大,侵蚀越严重。 ( 2)坡面产流过程 坡面径流的形成是大气降水与下垫面因素共同作用的产物。大气降水首先被 地表覆