青藏高原融水和降雨及其耦合作用下坡面产流产沙过程与模型研究

Under the background of global warming, with increasing meltwater and precipitation and active soil freezing and thawing in the Tibetan Plateau, exacerbated soil and water losses processes will affect the ecological environment. The soil erosion processes in the region is complex due to the different erosion mechanisms between meltwater and rainfall, as well as coupled with soil freezing and thawing processes. To reveal the complex erosion processes influenced by meltwater, rainfall, and soil freezing and thawing, this study will be carried out in three scenarios, i.e., melt water erosion in spring, meltwater coupled rainfall erosion in spring, and rainfall erosion in summer: Through field experiments, to observe surface runoff and sediment processes together with water and heat transport in soil; To analyze the impact of different scenarios on the runoff and sediment processes and the action mechanisms to runoff-sediment relationship; By model simulations of soil water and heat transport and parameterization, to reveal how the water and heat processes in soil responses to three scenarios and meanwhile how to impact on the runoff and sediment processes; Based on above process analyses, to develop hillslope erosion models for the single and coupled meltwater and rainfall cases, and followed with parameters calibration, model validation and applicability evaluation. The study is expected to step forward to dissect the complex erosion process in Tibetan Plateau and to service the processes prediction.

随着全球气候变暖，青藏高原增加的降水和融水径流以及活跃的土壤冻融作用，正加剧其水土流失进程，影响生态民生。青藏高原的水力侵蚀具有融水和降雨共同驱动同时受土壤冻融影响的特点，为了揭示融水、降雨、土壤冻融影响下的土壤侵蚀复杂过程，本项目拟选取典型坡面，利用原位实验开展春季融水、春季融水和降雨耦合、夏季降雨作用下的坡面侵蚀实验，观测坡面产流产沙以及土壤水热过程；对比分析融水和降雨不同驱动下坡面产流产沙的响应过程及其对水沙关系模式的影响；通过土壤水热模型对过程和参数的模拟，分步解析不同驱动对土壤水热的影响、土壤水热对土壤性质的改变、以及土壤性质对坡面产流产沙的影响；基于对物理过程的理解，发展融水和降雨及其耦合作用下的坡面产流产沙模型以及参数化方案，并对其进行验证以及适用性评价。研究将为青藏高原水土流失复杂过程的理解及其模型预报提供科学依据和理论参考。

青藏高原的水土流失是受融水和降雨不同驱动以及土壤冻融等多因素影响的复杂过程。揭示融水和降雨不同驱动下产流产沙过程机理以及土壤解冻的影响机制，是理解青藏高原土壤侵蚀复杂过程以及河流泥沙和径流间多模态关系的前提。本项目在融雪径流和降雨驱动下开展多因素影响下的坡面侵蚀实验、过程机理与模型研究，获得的主要结论如下：.（1）土壤冻融显著改变地表产流产沙机制。全冻结或微解冻（解冻深度<10mm）的工况，径流量随时间增加呈先上升至稳定后略有降低的趋势，含沙量随时间增加先增加后减少，且侵蚀以片蚀为主，解冻深度较深的工况以沟蚀为主；且全冻结和微解冻土壤表面的类海绵状结构显著延缓地表产流时间，是深解冻深度工况的3倍（流量为5L/min时）或6~19倍（流量为3L/min时）。.（2）土壤冻融对坡面侵蚀的影响受水动力条件影响，土壤微解冻在小雨强（<30mm/h）、小坡度（≤15°）条件下具有加速侵蚀的作用，含沙量随解冻深度增加而降低；而在大雨强（60和90mm/h）或大坡度（>15°）条件下具有抑制侵蚀作用，径流含沙量随解冻深度增加而增加。.（3）融雪速率和下垫面条件也是影响坡面侵蚀的主要因素。等量融雪作用下，若融雪速率增加3倍，总径流产生量将增加70%，而土壤流失量将增加至6倍多；草甸一旦破坏，总径流量将增加60%，土壤流失量将增加1.5倍，而冲积土的总径流量将增加一倍，土壤侵蚀量将增加近7倍。.（4）春季融雪侵蚀的强度高于夏季降雨侵蚀的强度。相同的径流增量下，融雪径流驱动的土壤流失量是降雨的2~3倍。径流形成路径和土壤侵蚀机制不同是主要原因，春季融雪主要以地表径流（贡献比例64%±24%）和浅层壤中流（15%±21%）的形式向河道汇集，夏季降水主要以浅层壤中流（74±6%）和浅层地下水（26±6%）两种路径补给河水。.（5）结合实验观测和物理机制分析构建了部分解冻土壤侵蚀模型，模型能够准确描述土壤冻结时泥沙供应受限的过程以及土壤解冻时被加剧的水流动力学控制的过程。