黄土区坡面水沙过程空间异质性及其尺度效应研究

The imperfect mechanism research and the scale effect of flow and sediment process on slope was the bottlenecks of studying flow and sediment process in loess area. The research was based on field survey and experiments, simulated runoff experiment and water releasing test in laboratory foundation, by using modern experimental observations and data processing technology, taking the terrain, hydrology, characteristic parameters of sediment processes under confluence conditions in different scale erosion gullies as the research object, and the gully effect and scale effect in flow and sediment process on slope was studied. The slope flow and sediment process classification system was established on the basis of hydrodynamics characteristic parameters. Simulation equation of slope flow and sediment process was selected which have Unified formula form, and Simulation model of slope flow and sediment process was build which have physical mechanism based on it. Thus, which will be helpful to the further study on mechanism of watershed flow and sediment process and provide theoretical support for watershed water and soil resources management, soil and water conservation and ecological construction.

坡面水沙过程机理认识不完善以及水沙过程尺度效应问题是黄土区流域水沙过程研究瓶颈。本研究以野外调查试验和室内模拟降雨+放水试验为基础，采用现代试验观测和数据处理技术，以不同尺度侵蚀沟汇流条件下的水沙过程中地形和水文、泥沙过程特征参数为对象，对坡面水沙过程中存在的沟壑效应和尺度效应进行研究，建立以水动力学特征参数为基础的坡面水沙过程特征分类系统，筛选具有统一公式形式的坡面水沙过程模拟方程，并以此为基础建立具有物理机制的坡面水沙过程模拟模型。从而推进流域水沙过程机理研究的深入，为流域水土资源管理及水土保持与生态建设提供理论支撑。

坡面水沙过程机理认识不完善以及水沙过程尺度效应问题是黄土区流域水沙过程研究瓶颈。本研究以野外调查试验和室内模拟降雨+放水试验为基础，采用现代试验观测和数据处理技术，以不同尺度侵蚀沟汇流条件下的水沙过程中地形和水文、泥沙过程特征参数为对象，开展了黄土区坡面水沙过程中小尺度重力侵蚀发生的力学机制初探、黄土区坡面水沙过程室内试验研究、坡面水沙过程观测试验方法探索、坡面水沙过程空间异质性及尺度效应分析、坡面水沙过程模拟模型研究从而推进流域水沙过程机理研究的深入。研究成果包括：（1）天然黄土的抗剪强度与土壤容重呈显著的正相关关系、与土壤含水量呈显著的负相关关系，而与土壤根系分布密度、单位土壤根系长度的关系不显著。通过引入非饱和黄土结构强度终止含水量概念，推导并验证了不同含水量条件下天然Q3黄土抗剪强度变化公式。（2）采用三维激光扫描仪和照相法测流速技术相结合，系统观测和研究降雨侵蚀条件下黄土的地形动态变化及其表面侵蚀水流的流速分布。（3）针对照相法测流速、坡面薄层水流观测等，系统研究和开发了基于高清摄影的薄层水流流速测量系统和方法，以及基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法。（4）在坡面水沙过程中，从面（片）蚀-细沟侵蚀-浅沟侵蚀-切沟侵蚀其发生的临界条件空间尺度不断增大，从雨滴溅蚀-薄层水流侵蚀-股流侵蚀，其水流侵蚀能力不断增强。不同的侵蚀类型之间的转换存在着临界地形及水动力学条件。从空间尺度上看，面（片）蚀-细沟侵蚀-浅沟侵蚀-切沟侵蚀在坡面上发生所需的空间尺度依次增大：在较小的空间尺度上，侵蚀过程主要受水流剥蚀能力的控制，随着尺度的增大逐渐转变为受水流输移能力的控制，而水流的输移能力特性也随着水流能量的变化而发生改变。在坡面水沙过程中存在着随空间尺度的不同，侵蚀输沙过程显著的非线性变化关系。（5）以WEP模型平台和上述研究成果为基础，研究和提出了坡面水沙过程模拟模型，并进行了模型的率定和验证。上述研究为流域水土资源管理及水土保持与生态建设提供理论支撑。