北方土石山区砾石对坡面径流流场和侵蚀—沉积特征的影响

Rock fragment is an important factor in water erosion process, which can disturb the surface runoff field, change runoff detachment and transport ability, and finally influence the erosion-deposition characteristic. Currently, few quantification studies have been conducted about the rock fragment impact on surface runoff field and erosion-deposition characteristic, which has limited the accurate prediction of soil erosion on slope with rock fragment. This study will focus on the characteristic of thin soil layer but high rock content in rocky mountain areas of north China and conduct soil erosion research on the slope with rock fragment, taking erosion-deposition characteristic change induced by runoff field and transport ability change as research entry point. The research methods in this study will cover field investigation, in-situ monitoring, indoor condition-controlled simulation tests and 3D laser scanning technique. This study will quantify the flow hydrodynamic characteristics and erosion-deposition characteristics around the rock, establish the relationship between erosion-deposition characteristics and hydrodynamic characteristics based on the linkage of sediment transport capacity; this study will also further draw the runoff field map around the rock using numerical simulation method and predict the spatial distribution of erosion and deposition. This study will enrich soil erosion discipline and the research results will provide theoretical foundation for soil erosion prevention in rocky mountain area of north China.

砾石是坡面水蚀过程中的重要影响因素，它通过扰动坡面径流流场改变径流分离和搬运土壤颗粒的能力，最终影响坡面侵蚀—沉积分布特征。然而目前有关砾石对坡面径流流场和侵蚀—沉积特征影响的定量研究还相对较少，限制了含砾石坡面侵蚀的精确预报。本项目针对我国北方土石山区土层较薄且砾石含量高的水土流失特征，以砾石扰动坡面径流流场改变径流挟沙能力和侵蚀—沉积空间分布特征为切入点，采用野外调查、原位监测、室内控制条件的模拟试验以及三维激光扫描测量技术等研究方法，定量分析砾石周围径流水动力学参数和侵蚀—沉积特征的变化，以径流挟沙能力为纽带建立侵蚀—沉积特征与水动力学参数的关系，基于数值模拟方法定量表达砾石对坡面径流流场的扰动，预测含砾石坡面侵蚀—沉积分布特征，以期发展和丰富土壤侵蚀学科，为北方土石山区含砾石坡面的侵蚀防治提供科学依据。

本项目针对我国北方土石山区土层较薄且砾石含量高的水土流失特征，以砾石扰动坡面径流流场改变径流挟沙能力和侵蚀—沉积空间分布特征为切入点，采用野外调查、原位监测、室内控制条件模拟试验以及三维激光扫描测量技术等研究方法，定量分析砾石周围径流水动力学参数和侵蚀—沉积特征的变化，明晰了壤中流和土壤管道流对侵蚀特征的影响，建立坡面侵蚀—沉积特征与水动力学参数的关系。在项目支持下，在SCI收录期刊上发表论文5篇，授权专利6项。研究取得以下成果：1）完善了含砾石坡面侵蚀过程监测的方法体系，构建了便携式立体摄影测量方法，可用于快速监测和获取坡面砾石分布特征。建立了一套电解质法测量坡面薄层流流速的系统和径流泥沙样品自动采集系统，可用于开展室内水动力学特征模拟和测量试验。设计了壤中流条件下侵蚀过程模拟实验装置和土壤管道流模拟试验装置，可用于探究地下径流过程对含砾石坡面侵蚀过程的影响；2）在野外调查过程中发现北方土石山区壤中流和土壤管道对坡面土壤侵蚀过程具有明显的贡献。通过室内模拟实验发现，当近地表水文条件由自由下渗转变为壤中流时，坡面侵蚀过程由剥离受限转变为搬运受限的侵蚀特征，近地表壤中流不仅能增加坡面径流量和侵蚀产沙量，更能导致坡面侵蚀机制发生改变。而当土壤管道流剪切力超过土壤颗粒分离的临界切应力时，土壤管道内部的土壤颗粒就会被剥离，并造成土壤管道的扩大，最终在成管道顶部崩塌，并形成下沉和沟道特征。当土壤管道和管道流存在，坡面侵蚀过程加剧。3）坡面径流流态的变化会极大地影响土壤剥离和泥沙输移过程，通过将含砾石坡面薄层流和集中流划分不同的流型，可以进一步明确坡面的侵蚀-沉积的空间分布特征。从坡面薄层流到细沟流和沟道流，流型逐渐从层流缓流转变为紊流急流，随着流型向湍流和超临界方向变化，径流剪切力、功率和能量相应增加，产沙量相应增加。以上研究结果可为坡面侵蚀防治和生态建设提供基础理论支持。