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'很好的拟合BL浓度递减曲线。（5）不同碎石分布格局下坡面流水动力学参数表现岀较大差异。平均流速、雷诺数、弗劳德数及平均径流剪切力按坡中、坡顶、坡底的顺序依次增大；平均径流深和水力半径按坡顶、坡中、坡底的顺序依次增大；坡面平均糙率和阻力系数按坡中、坡顶、坡底的顺序依次减小。坡中格局的坡面平均糙率•比坡上格局的增加了6.5%•比坡底格局的平均糙率增加了9.0%。不同碎石格局下水力学参数在小区上（A）中（B）下（C）不同位置大小也出现差异：其中雷诺数基本保持不变；平均流速、弗洛得数的大小规律表现为，坡顶分布：AAVER>B>C•坡中分布：B>AVER>A>C，坡底分布：C>A>AVER>B。尖键词：黄土沟壑区；上方来水；水力侵蚀；溶质迁移；水动力学参数致谢：本研究得到国家自然科学基金重点项目（No.51239009）的资助•特此致谢。
ABSTRACTTitle:SOILEROSIONANDSOLUTELOSTUNDERDIFFERENTUNDERLAYERSURFACECONDITIONINHILLYAREASOFLOESSPLATEAOUMajor:HydrologyandWaterResourcesName:YaMASignature:Supervisor:AssociateProf.JunhuWUSignature:AbstractErosionandsolutetransportonloesshillyareasslopeisacomplicatedlyphysico-chemicalprocess.Itisaffectedbymanyfactorsandmutuallyintersectedwithmulti-discipline,suchassoilscience,hydrologyhydraulicsandsoon•ThecharacteristicsofslopesurfaceerosionandsolutetransportwerestudiedontheLoessPlateauofChanxiChangwu.Theobjectivesofthisstudyweretounderstandandmasterthenatureandmechanismoferosionandinternallawofsolutetransportduringtheprocessoferosiononloess.Thisisveryimportantinecologicalenvironmentmanagementoftheloesshillyareas・Themainworksanddetailedresultsofthisstudywereasfollowing:(l)Theexperimentsshowedthattherunoffandsedimentincreasedalongtheflowfromupsloperisingontheloessslope・Meanwhile,duringthesamescouringtime,thevariationoferosionsedimentwasintensified.ThepowerfunctionmodecouldexpressthetransientchangecurvesofrunofFsolutes(Br)concentrationindifferentconditions-Byanalyzinghydrauliccharacteristics,theresultshowedthattherelationshipbetweenaverageflowvelocityandtotallyavailableflowcouldbeexpressedbyapowerfunction.TheReynoldsnumber(Re)increasedwiththeavailableflowincreasing・TheReynoldsnumbersarealllessthan480andtheflowregimewaslaminarflow・TheFroudenumber(Fr)changesfrom1.54to3.14,beingarapidflow.TheDarcy-Weisbachfrictionfactor(f)increasedastheReynoldsnumberincreasingandtherelationshipbetweenthemcouldbeexpressedbyapowerfunction.(2)Withthevegetationcanopyincreasingfrom0%to60%,theflowvelocityisreduced,Therunoffdecreased16.1%,thesedimentdecreased96.2%,andthesolutelossdecreased22.3%;Thelinearjunctioncouldexpressedrelationshipofthem:n=0.0015V+0.036(R2=0.947).Withstrawmulchingincreasingfrom0to1500g/m2,therunoffdecreased21%,thesedimentdecreased91%,andthesolutelossdecreased5%;Thelinearflinctioncouldexpressedrelationshipofthem:n=0.0001S+0.36(R2=0.924).Underthedifferentconditions,thestonedimensionwithasmallersectionalareaofbottomwasbetterthanthatwithalargersectionalareaofbottominreducingrunoffandsediment.TheaverageBrconcentrationdidiftdecreasewiththeincreaseofcoveragetrend,butthetotalBrinrunoff.
(2)Underdifferentcovertypes:flowshearstress,dragcoefficient,androughnessincreasedwithcoverageincreasing,whileaveragevelocity,accumulatedrunoff^andtotalsedimentvolumereducedwithroughnessincreasing・Therelationshipofrunoffandroughnesswasfittedasfollow:L=277.8if016(R2=0.921);whileaccumulatedsedimentandroughness:W=6.47n_20(R2=0.965).(3)Underdifferentpatternofgravelcover,therunoffcouldgetas:congregatepattern(onthebottomoftheslope)>congregatepattern(onthetopoftheslope)>congregatepattern(onthemiddleoftheslope);averagesedimentyieldratewereasfollow:27.5g/min(onthetopoftheslope),23.8g/min(onthemiddleoftheslope),13.8g/min(onthebottomoftheslope).AverageconcentrationofBrwereasfollow:47.55mg/L(onthemiddleoftheslope),45.57mg/L(onthetopoftheslope)onslope,31.14mg/L(onthebottomoftheslope).TheBrconcentrationdeclinecurvecanbewellfittedbypowerfunction.(4)Hydrodynamicparametersshoweddifferentlyunderdifferentpatternsofrock.Theaveragevelocity,Reynoldsnumber,Froudenumberandflowshearstressgotas:congregatepattern(onthemiddleoftheslope)AVER>B>C•congregatepattern(onthemiddleoftheslope)B>AVER>A>Ccongregatepattern(onthemiddleoftheslope)C>A>AVER>B°Keywords:HillyAreasofLoessPlateau;flowfi*omupslope;watererosion;solutetransport;hydrodynamicparameters
目录摘要IAbstractI1绪论11.1研究的背景与意义11.2国内外研究进展11.2.1坡面水流侵蚀影响因素的研究21.2.2坡面侵蚀中径流溶质迁移方面的研究31.2.3坡面流水动力学51.3召开究内容与召开究方;去91.3.1研究内容91.3.2技术路线102试验材料与方法112.1试验区概况112.2试验设计112.2.1试验方案112.2.2试验过程122.3水力学特征参数计算方法143不同上方来水流量坡面物质迁移及坡面流水力特性的研究163.1对坡面物质迁移的影响163.1.1径流变化过程163.1.2对坡面产沙量的影响173丄3对坡面径流BT迁移过程的影响193.2不同上方来水流量水力学特征的研究213.2.1对基本水力参数的影响213.2.2不同上方来水流量水动力学参数与径流泥沙和溶质迁移尖系分析.….253.3小结284不同覆盖类型条件坡面物质迁移及坡面流水力学参数的研究304.1不同植被覆盖度304.1.1不同植被覆盖度对坡面物质迁移的影响304.2不同秸秆覆盖量384.2.1不秸秆覆盖量对坡面物质迁移的影响384.2.2不同秸秆覆盖度水力学特征的研究434.3不同碎石覆盖度47
4.3.1不同碎石覆盖对坡面物质迁移的影响474.3.2不同碎石覆盖水力学特征的研究524.4小结555不同覆盖类型水动力学参数与物质迁移尖系研究575.1径流水动力参数之间的尖系575.1.1雷诺数弗洛得数的矣系575.1.2阻力系数与雷诺数的尖系575.1.3坡面水流剪切力与其他水力参数的尖系585.1.4雷诺数与糙率的矣系595.2径流水动力学参数与坡面物质迁移的尖系595.2.1径流水动力参数与径流量的尖条595.2.2径流水动力参数与产沙量的尖系625.3小结646不同碎石分布格局坡面物质迁移及坡面流水力特性的研究656.1对坡面物质迁移的影响656.1.1彳圣流变彳匕过程656.1.2对坡面产沙量的影响666.1.3对坡面径流Br迁移过程的影响676.2不同碎石分布格局水力学特征的研究696.2.1对基本水力参数的影响696.2.2对不同碎石格局水力特征空间变化的研究706.3小结727.2建诛75致谢76参考立南犬77附82—、在校期间发表论文82二、在校期间参与的科研项目821绪论1.1研究的背景与意义土壤侵蚀是当今世界最严重的生态环境问题之一给社会和经济可持续发展带来巨大挑战及威胁⑴。土壤侵蚀是指在丘陵、山区等地区，由自然因素如水力、风力及重力等外营力作用或人类不合理的社会经济活动，造成土壤、土壤母质被破坏、剥蚀，转运和沉积的全部
过程。在西北黄土高原区的高嫄沟壑区、丘陵沟壑区，共有侵蚀沟道66万6719条•总长度为56.33万km，总面积为1872.15万hm2（21黄河作为中华民族的摇篮和母亲河，不仅传承着几千年的历史文明，而且也养育着祖国&7%的人口（据2000年资料统计）。目前，黄河的生态危机正日益加剧，并面临着土地荒漠化，水资源短缺，水土流失面积增大，水污染严重，生存环境恶化等诸多问题共存的严峻形势，给生活在该流域的人民乃至整个国家发出了严重的警示⑶。黄土高原是世界上水土流失最严重的地区之一，黄土高原每年水土流失量约为3700t/km2•最严重的地区高达5〜6万t/km2⑷。由于该区水资源十分匾乏，农业以旱作为主，特别是坡地农业，其中坡耕地占该区总耕地面积的71.3%＞坡耕地的土壤侵蚀占总侵蚀量的50%・60%⑸。黄河中上游地区是该区土壤侵蚀最严重的地区，水土流失面积达4.5xl05kn?，平均土壤侵蚀模数达3700tkn^a」;其中黄土丘陵沟壑区和高原沟壑区约为1.56x105km—土壤侵蚀模数更在50001km2a1以上，局部地区可达lOOOOtkmV[61°土壤侵蚀的结果不仅导致土壤颗粒及泥沙携带的养分的大量流失，且致使土壤肥力降低，进而加剧了土壤贫瘠化，给全球粮食供给和生态安全造成较严重的影响；而且其产生的泥沙进入江、河、湖泊、水库等区域•淤积抬高河床，淤塞水库湖泊•加剧洪涝灾害•给人民的生命财产安全造成威胁。改革开放以来，人口数量迅速增长，工农业快速发展，人类活动对自然资源的不合理利用，使黄土高原的自然地貌遭到破坏，导致了黄土高原的现代土壤侵蚀。近年来，在严重水土流失的迫使下•我国大规模实施的〃退耕还林还草"战略，以及开展土壤侵蚀及水土保持的研究，对深入认识侵蚀产沙机理、防治土壤侵蚀、治理各类泥沙灾害，再造秀美山川具有重要意义。因此，以黄土沟壑区为研究对象•幵展坡面侵蚀及溶质迁移方面的研究工作，不仅有利于人们深入了解和掌握坡面侵蚀的本质与机理flii且有助于人们了解和掌握侵蚀过程中水土流失及溶质迁移的内在规律•这对于黄土沟壑区生态环境的保护有很重要的意义。1.2国内外研究进展0坡面水流水力侵蚀过程中的坡面通常指的是和地表水平面的坡度大于2的地形，这种地形是流域的基本单元，也是土壤侵蚀最易发生的基本单元。一般降雨所带来的洪水及水土流失主要通过坡面产生的，因而土壤的水力侵蚀过程往往都以坡面为研究对象⑺。坡面水流侵蚀是一个复杂的理化过程，最先是雨滴打击土壤表面，而引起溅蚀，进而分散土壤颗粒；其次是超渗产生的径流所导致的冲刷，坡面产生径流以后•雨滴仍继续打击坡面水流，增加径流的紊动性。还有，降雨强度和土壤渗透速度也决定了径流强度和径流量。1.2.1坡面水流侵蚀影响因素的研究坡面水流侵蚀会受到降雨入渗过程等多方面因素的共同影响・尖于这些方面对坡面水流侵蚀影响的研究如下：(1)降雨因素的影响：降雨是坡面水力侵蚀的动力，不仅可以影响降雨之后产流的过程，而且自身会对土壤造成溅蚀和结皮。降雨作用的雨滴打击而引起的雨滴溅蚀在坡面产流的前面发生，是水流
的幵始侵蚀阶段。雨滴打击作用不但破坏了表层土壤的结构•通过增加径流的紊动性，进而增强了径流分散及搬运能力，而且受到溅散的土壤颗粒会堵塞其表层的孔隙，使入渗的过程受到了阻碍，因此会导致坡面径流的侵蚀力进一步增大。雨滴溅蚀是坡面水力侵蚀的重要方面。Ellison181首先在1944年发现了降雨击溅是水蚀过程的一个主要外营力•并把水流侵蚀分为：雨滴侵蚀、径流侵蚀、雨滴搬运以及径流搬运过程四个主要过程。江中善等［93研究了雨滴的物理特性，结果表明，雨滴中数直径与降雨强度之间的尖系。蔡强国等门。】研究出雨滴溅蚀量和降雨动能呈现出指数尖系。描述降雨对侵蚀影响的特征参数通常有降雨强度及降雨量。而张科利等皿】通过研究得出土壤侵蚀量与降雨量之间的相尖性并不明显，相同雨量条件下造成的侵蚀量很不同。并非所有的降雨都能引起侵蚀，达到一定降雨量或降雨强度才能产生侵蚀，将这样的降雨称之为侵蚀性降雨。林鸿州等门通过降雨诱发土质边坡失稳的模型探讨降雨特性对边坡失稳的影响，结果表明•降雨强度用雨时量表示•可以衡量流滑行滑坡和泥石流灾害。江东等研究降雨因素对紫色土坡地土壤侵蚀的影响•结果表明：在高(中)强度降雨过程中•径流量和侵蚀量随时间变化过程呈幕函数正相尖，二低强度降雨过程，呈线性负相尖。(1)入渗因素的影响：增加入渗是黄土高原控制水土的主要途径之一【⑷。入渗对坡面水流侵蚀过程的影响作用很大，这是因为，土壤的入渗决定了坡面水流的产流过程以及产流量。流体在多孔介质中的一种运动方式被称为入渗，通常符合Darcy定律的条件。对土壤入渗的研究已有很多•主要是在土壤入渗过程的规律及其影响因素这两方面*即入渗率的变化过程以及对其影响因素。通常认为，影响土壤入渗过程的主要因素有土壤初始含水量、土壤饱和导水率、饱和含水量和土壤的特性，以及累计入渗量等因素。而对降雨入渗过程的认识通常为：降雨前期土壤入渗能力比较强，比降雨强度大•而土壤的实际的入渗率则和降雨强度相等。随入渗量的逐渐增加，土壤入渗率减小，当入渗率减小到和降雨强度相等时，土壤的实际入渗强度小于雨强•地表将有径流产生。此后，入渗率将继续减少，并从一条下凹曲线逐渐向某一个稳定值趋近。目前，研究中使用较多的入渗模式有一下:Green-Ampt(1911)公式，Horton(1940)公式，Philip(1957)公式，Smith-Parlange(1978)公式。这些公式当中，Green-Ampt公式越来越受到广泛重视・这是由于其有较好的的物理基础・公式形式简单的原因。王全九【⑹通过改进Green-Ampt模型•对比分析得出了清水和浑水的入渗机理•
提岀了有水流含沙量的入渗模式型。沈冰等⑴】运用土壤水分运动方程对黄土坡地降雨入渗过程进行了研究了•并进行数值模拟的研究。（3）土壤特性及地表覆盖对土壤侵蚀的影响：土壤质地、土壤结构、孔隙度及地表覆盖等•直接影响土壤的理化作用•从而也影响土壤水分及土壤颗粒、溶质运移。Truman和Bradford等（⑻研究了土壤前期含水量对水力侵蚀的影响•结果发现•降雨对风干的海登粘土作用最强，随着初始含水量的增加团聚体抵抗雨滴击溅及水流冲刷的作用增强。植被覆盖度作为保护环境及减少土壤侵蚀的有效措施，已得到广泛应用。Reid等"9】研究了新墨西哥北部地区三种典型的植被类型（林冠地、林冠地中的植被及林冠地中的裸地），指出三种植被类型对径流和产沙过程的重要性不同，裸地常作为林冠层中植被产流产沙的来源。李鹏采用分层冲刷的方法对黄土高原草地土壤不同坡度、不同流量条件下的侵蚀产沙特征进行了研究结果表明不同立地上的植被根系都表现出了随着土层深度向下逐渐增加而表现出减少的趋势。通过对分层冲刷试验进行的研究•结果表明•土壤表层的植被根系对侵蚀产沙量的影响的作用是最大的；但随着土层深度的增加，土壤中根系分布的数量逐渐减少，可以得出，随着土壤深度的增加，植物根系抵抗土壤径流侵蚀产沙量随之增加。总之启前矢于坡面侵蚀中斜坡的入渗过程以及坡面水流径流含沙浓度的变化对入渗过程的影响等方面的研究较少，还需进一步深入加强。1.2.2坡面侵蚀中径流溶质迁移方面的研究坡面土壤所含的化学物质存在形式较多，而且化学物质数量和化学性质各异。土壤中的化学物质，有的部分溶解于土壤的溶液中，有的部分吸附在土壤颗粒表面，还有的以固态的形式在土壤中存在。降雨过程当中，当土壤的降雨强度小于土壤入渗能力时，因为雨滴的打击作用土壤表层的溶质与降落的雨水掺合・雨水稀释了土壤表层的溶质•同时，土壤溶液中有的固态溶质又会因溶解加入以前的溶液；这个过程中，所降雨水全部入渗到土层中，随入渗水分向土壤下层运动会带动表层的部分溶质也向土层中迁移，这样土壤表层溶质的含量会逐渐减少；随降雨的继续-表层的土壤含水量越来越大，当降雨强度逐渐小于土壤入渗能力，地表会有积水产生并逐渐增多，进而会有地表径流产生，导致了土壤侵进而导致水土流失的发生，土壤表层的一部分溶质又会被径流及泥沙携带迁移而流失。水是土壤溶质的载体，也是溶质迁移过程的驱动者，因此，坡面水流侵蚀中溶质迁移与水分的迁移过程是密切相尖的。坡面水流侵蚀过程中，土壤的溶质迁移是一个复杂的理化过程・这一过程是土壤溶质随径流沿坡面迁移并随入渗水分向土层向F运移两个过程。坡面水流侵蚀中，诸多因素的影响了土壤溶质随径流的迁移过程，例如降雨量及降雨强度、水分的入渗、土壤表层植被条件以及土壤溶质的理化性质等的多种因素的影响，在这些因素共同作用下，坡面土壤的溶质迁移过程被影响，只不同情况下它们各自影响的程度表现各异。降雨条件对径流溶质迁移的影响作用主要表现在雨滴击溅作用方面，它在
土壤溶质向径流迁移过程中起着十分重要的作用。首先•雨滴的击溅作用将使土壤表层的溶质、雨滴以及积水相互混合，从而溶质被径流带走而流失，主要是因为雨滴对土壤溶质的搅拌作用；其次，雨滴击溅作用不仅使得雨水与表层土壤溶质混合，还会对下层土壤中的溶质产生扰动，因此，这个作用会加速土壤溶质的物理和化学的变化过程；优外•雨滴的击溅作用使吸附于土壤颗粒表面的溶质隨径流中的泥沙而迁移并随之流失的概率增大。总而言之-雨滴击溅作用对溶质迁移的影响作用较大，它主要与土壤前期含水量、降雨强度、雨滴打击动能、土壤入渗能力、土壤溶质的初始浓度条件等因素密切相尖。尖于雨强对土壤径流溶质迁移的影响方面的研究比较多，大多数学者研究得出，土壤表层养分流失量随降雨雨强的增加而呈现增大趋势。王全九等⑵】通过室内试验，硏究了雨强对土壤溶质随径流迁移过程的影响，结果表明：随雨强的增加土壤溶质流失量也随之增大•而雨强对径流溶质浓度的影响不大。康玲玲等⑵】采用室内模拟试验分析了雨强对黄土坡面土壤养分流失量的影响•结果表明：黄土坡面养分流失量与降雨强度呈正相尖。白红英等⑵】采用人工降雨试验，研究了坡地土壤侵蚀过程中.土壤表层有机质、有效磷和全氮的流失情况，结果表明：随坡度和雨强增大•养分的流失量也相应增加；并且，泥沙流失量与养分流失量呈线性正相尖，通常土壤中养分含量小于泥沙样中有效养分含量，其中以有效磷表现最为明显。傅涛等也】采用室内模拟降雨试验装置对三峡库区黄色石灰土的养分径流流失进行研究，得出结论：降雨强度对径流和泥沙中的养分浓度的影响不显著•但是影响了径流浓度的峰值的出现时间，而且其与养分流失量呈线性正相尖。马琨(⑸利用人工模拟降雨试验研究了红壤坡地养分的流失过程，研究表明：土壤养分流失量及泥沙流失量和雨强均呈正相矢矢系。雨强较大时，土壤养分以泥沙携带方式随径流迁移或流失;而当雨强较小时髓径流迁移的可溶态养分量比流失泥沙所带走的养分流失量高很多。黄满湘等采用模拟降雨研究了北京农田氮素的径流流失过程，试验结果表明：随雨强的增加农田氮素流失量也呈现增大趋势。也有研究认为，在坡度＜2%坡面上，雨强与土壤溶质量的尖系不显著。Walton等⑵】通过在坡度＜2%坡面上的试验研究•结果得出：雨强与径流中的溶质量的尖系不显著，而对产流的时间影响较大。在降雨的过程中＞雨滴击溅作用对坡面径流中溶质的迁移也产生一定的影响。径流迁移的溶质浓度随着雨滴动能的增大逐渐增加。王全九等［281(291通过改变降雨高度的方法来改变降雨打击动能・研究了有效雨滴动能对土壤中钾素随径流迁移的影响，结果表明：增加有效雨滴打击动能，径流量、土壤侵蚀量以及土壤钾素的流失量显著增加，而土壤入渗量隨之减少。土壤前期含水量也会对土壤溶质随径流的迁移过程产生影响«Wauchope等也通过试验研究得出，初始含水量是影响土壤化学物质随径流迁移的重要因素。杨婷"口研究得出初始含水量越大•产流时间越快入渗能力越小径流量越大•钾离子流失量也越大。还有研究认为，土壤容重及土壤质地、土壤表面的覆盖形式或对土表的耕作措施和方法的不同也对土壤溶质随径流的迁移过程产生不同影响。张兴昌等⑶】采用人工模拟降雨方法，研究了小流域土壤氮素随径流流失在不同植被覆盖度下表现的规律•结果表明：植被覆盖增加了土壤矿质氮素的流失，减少土壤侵蚀量和全氮的流失量。徐明岗等皿】通过对不同质地的土壤进行研究，由试验结果得出了：随土壤容重的增加磷素和氯离子的扩散系数均相应增大。Andraski等研究表明：与传统耕作方式相比•免耕、深耕以及犁耕和的农田耕作措施各自减少总硫流失量为
59%、70%、81%，产沙量与总磷流失量呈正相尖。孙辉等凶研究表明：和顺坡的耕作方式相比较，双行等高植物篱措施减少坡耕地的径流量49.6%以上，减少养分流失量98%以上。张亚丽等通过室内模拟降雨试验方法，分析了了秸秆覆盖对坡面土壤矿质氮素随径流过程流失的影响，结果表明：秸秆覆盖可以减小坡面径流流速，使得地表径流与表层土壤作用强度增加，径流显著减少，而溶解及解吸于径流中的矿质氮素的浓度增加，而最终矿质氮流失总量呈现减少。李鹏⑶】等研究表明，在干热河谷区•通过不同土地利用方式对天然水桐树林植被破坏改变后，土壤有机质、全磷、全氮和溶解氮含量显著减小，速效磷变化不明显＞速效钾有增加，可见不同土地利用方式对养分流失作用表现不同可知将原有地表状况改造为扌畧荒草地和合欢林对土壤理化性质的影响相对较小。此外，土壤初始溶质的分布状况也会对土壤溶质随径流迁移的过程产生影响。上个世32纪80年代•Ahuja等1383对两种不同质地土壤（沙壤土和黏土）•以磷素（P）作为示踪剂研32究了土壤溶质初始放置深度对其隨径流迁移的影响，结果表明：当土壤溶质（P）初始放置深度增加时•随径流迁移的土壤磷呈指数函数趋势减少。李裕元⑶】利用施肥方法的比较分析,结果表明：表施和表层混施均会显著增加径流中水溶性养分的浓度-而深施（条施或穴施）则会使随径流的养分流失相对较少・从这一结果也可以看出土壤初始溶质的分布会影响溶质随径流迁移的过程。1.2.3坡面流水动力学坡面是构成山地丘陵和破碎高原最重要的景观单元住于坡面流是坡面侵蚀发育的主要外营力，而坡面形态及其发育又对坡面流过程有控制作用，坡面流与坡面形态之间构成了一个复杂又相互作用与反作用的系统。坡面水力侵蚀过程主要包括土壤分散、剥离、输移和沉积，土壤分散主要由降雨击溅引起，坡面径流侵蚀（剥离、输移和沉积）主要由径流冲刷作用引起。矢于坡面流问题的研究始于上个世纪40年代Norton1401首次以水文学理论为基础对坡面流特性进行了研究。后来国内外大量学者通过总结地貌学、水文水力学及土壤侵蚀学对于坡面流形成机制及动力侵蚀影响的过程，通过观察、模拟试验、水动力学模型等各种不同研究方法，力求整体全面地研究掌握坡面流的运动规律及水力特性，成果显著。迄今为止，坡面流水动力学特性研究一般是借鉴明渠非恒定流的水力学理论，因此，反映坡面流水动力特征的参数主要有：流速、水深、雷诺数、弗劳德数、阻力系数等。a.坡面流速坡面流流速与坡面流的侵蚀力密切相尖，坡面流流速主要受地表特征、土壤特性和坡面流量等因素的影响。自20世纪30年代以来，国内外许多学者先后利用理论推导及试验研究等方法得到了不少有尖坡面流流速的经验尖系式。(1)流速测定方法目前，测定坡面流流速的方法较多的主要有染色剂法⑷】、盐溶液法⑷】等，还有一些以光学、自动化技术为基础的量测方法，如二元光纤激光Doppler流速仪1431等，但这些精密仪器价格和维护费用都很高，使用条件也严格•不适于含沙水流流速的测量【⑷。本文了
解和归纳了一些常用流速测定方法的优点和缺点14511461。盐溶液法-即电导法，其原理是在水流中加入导电食盐溶液，通过测定各断面水流的导电性来确定坡面流速。这种方法的优点是测量过程是自动化的，有利于减少人为误差，而且直接可一得到平均流速，但也有缺点：首先，由于盐溶液会发生扩散，电导率峰值变化与水流速度不是同步的，该方法所得的平均流速的物理意义不明确；其次，注入盐溶液的坡面与监测站之间的距离的确定存在主观性；还有•氯化钠会作用于黏性土壤•可能会导致结皮发育；因此，该方法仅适用于流路集中的水流或细沟水流。流量法是通过的顶坡面流流量(Q)与水深(h)和水槽宽度(B)的尖系•根据流速公式V=Q/Bh对各测点取平均得到坡面流速・该方法不受泥沙含量变换的影响•但由于坡面流水深很浅•实际操作起来有难度。染色剂法•通常用高猛酸钾(KMnO4)-通过计算其扩散的距离和时间获得表面流速。该方法简单易于操作，是目前测定坡面流流速比较常用的方法。研究认为，染色剂法获得的是坡面流表层流速，要得到平均流速需对其修正，常用的修正系数为平均流速与表层流速的比值a。许多研究发现a并非常数，它受流速、坡度、床面糙度、流量等因素的影响。LiGang1471等研究发现在坡度为4.7〜17.4%，Re为1900〜12600的条件下经回归分析得到a与坡度、Re间的尖系式：(1.1)=-0.251-0.3271og5+0.11411ogRe式中：a—修正系数；S—坡度，(°)；Re—雷诺数。同时也认为坡度的影响要大于Rc的影响。但大部分研究很少探讨泥沙对修正系数a的影响•而在坡面侵蚀过程中，坡面流几乎都是含沙水流，因而有必要深入研究含沙量对流速修正系数的影响。夏卫生等［481通过比较流量法和盐溶液示踪法发现・a的平均值与含沙量间呈现良好的正相尖•并且在一定含沙量条件下・a近似于恒定值，径流泥沙有减小示踪剂扩散率的作用。因此，采用染色剂法测定含沙水流的流速仍是可行的。(2)流速公式流速的计算公式通常是通过建立流速与流量、坡度的尖系得出149,1501，流速随流量与坡度的增加呈增大趋势。江忠善等⑷】根据国内外坡面流流速资料.将流速与流量、坡度间的尖系概括为下列形式：(1.2)V=KqnSm式中：V—流速m/s；K、n、m一参数。还有研究表明，流速计算公式不仅包含流量和坡度，还包含水流比重、帖滞系数等变量。此外•人们对流速与含沙量间的尖系也有研究•Abrahams1511认为流量相同时•坡面流平均流速、浑水速度、平均颗粒输移速度与含沙量均呈负相尖。(3)水流剪切力坡面流会在其沿坡面梯度的运动方向上产生剪切力，水流剪切力的主要作用就是破坏原有土体结构造成土壤颗粒分散进而使分散的土壤颗粒或土壤颗粒团被挟带于径流中，跟随径流被输出坡面，坡面流就以这种二相水沙流的形式存在。径流剪切力可采用下式计笛⑸】.3^-t-•=RJ=ghS(1.3)式中：一水流剪切力•N/m2；一水重♦N/m3；R—水力半径•m；J一能坡。对于坡
面薄层水流-可直接用径流深h和地面坡度S代替R和J。a.坡面流的流态坡面流流态直接和坡面流的阻力特性以及挟沙能力相尖•不同流态下，表征水流水力学参数之间的尖系也必然不同，因而坡面流流态成为研究热点•—般通过使用雷诺数Rc和佛汝德数Fr来分析坡面流的流态。雷诺数(Re)被用来表征水流的层紊性，是水流的惯性力与粘力之比•为无量纲的参数；Re用下式计算：Re=W?/(1.4)式中：r_是水力半径，m•对于坡面薄层水流可用水深h来近似代替；V—坡面流的平均流速，m/s；v—水流的运动粘滞系数•rn"-s-1。其中，v采用公式v=0.01775/(l+0.0337t+0.000221t2)计算-t为水温(°C)。一直以来，国内外学者对坡面流到底是层流还是紊流存在不同看法。Horton研究认为坡面流并非纯粹的紊流或层流•而是処于一种混合的状态•是完整的紊流中掺杂着层流。Emmett的试验结果发现，坡面流流态复杂-既具有层流的特性-也与紊流特征类似-于是提出了“扰动流”的概念。也有的学者的研究发现•坡面流是过渡流•鲜少以层流的形态出现。江忠善等⑷】验结果证明坡面流是过渡流，张光辉⑸】的室内变坡水槽试验结果中，坡面流几乎不以层流形态出现•由此可推断•在形态结构更为复杂的野外坡地，坡面流的流态将更加复杂，层流的可能性不大。姚文艺应】和陈国祥⑸】利用人工模拟降雨试验资料进行分析•提出一种新的概念一〃伪层流"•即坡面流虽受雨滴的溅落而有扰动•但总体流态还是层流。吴普特°8】的结论与姚文艺的相近，但为与明渠流的流态概念区别幵来，将其称为〃扰动层流"。敬向峰等⑸】通过定床阻力试验，从水力学原理岀发，研究了侵蚀性坡面流流态，得出了侵蚀性坡面流存在〃虚拟层流〃、过渡流和紊流3种流态形式•并通过试验分析了“虚拟层流"具有悬移输沙能力的原因。上述可见，坡面流流态的研究尚无定论。可能与降雨、冲刷、下垫面条件等因素有尖。在今后的研究中，应该针对出现的分歧进行深入研究，对前人的研究成果进行验证补充得出系统的坡面流态理论。C.坡面流的阻力坡面流阻力规律是研究坡面流水动力学特性的重要内容，在坡面薄层水流侵蚀过程的研究中起着基础性作用•同时也是坡面流模拟试验研究中的重要考查参数。长期以来，采用近似计算方法来获得坡面阻力。目前近似计算方法采用较多的是二维明渠均匀流的阻力概念和表达式如达西-韦斯巴赫（Darcy-weisbach）公式谢才（Chezy）公式和曼宁（Manning）公式。在已有的坡面流阻力规律研究中，达西-韦斯巴赫阻力系数应用较广泛。许多有尖坡面流阻力的研究表明达西-韦斯巴赫阻力系数（f）与水流的雷诺数、降雨特征和下垫面特征（地表覆盖，坡度、坡型等）等因素有^[591[601。目前对于产生增阻的原因还没有统一的认识有一种观点认为当粗糙度较大时帖性底
层对薄层水流的影响显著增加；而另一种观点认为，壁面越粗糙，水深被修正的就越小，致使水流雷诺数越小；以上两种观点均建立在层流概念上，导致二者与“层流具有悬移输沙能力”的事实相矛盾。李鹏等⑹】研究表明，植被越完整，径流运动所遇到的阻力也就越大。然而•受试验的方法、量测的手段以及土壤、地形、环境条件等差异的影响•导致研究结果存在较大分歧。目前•坡度对坡面流阻力的影响观点不一•大多认为水流的阻力系数随坡度的增加而增大。姚文艺等⑹】等认为坡度对水流阻力无明显影响。潘成忠等⑻】对牧草坡面的研究表明，阻力系数与坡度呈反势。李鹏等“3】研究表明侵蚀量随坡度的变化趋势阻力系数W与Re的变化是一致的•坡面径流侵蚀临界坡度的岀现与雷诺数具有密切的相尖尖系•二者之间的尖系式为:W=0.12676Re・55144。总之，在借用明渠水流阻力公式探讨坡面流阻力时，须深入了解明渠水流阻力公式的适应范围及可能产生的误差。坡面流水流阻力因其对应水层很薄，与明渠水流的阻力在机理上明显不同•对其形成机理需要进一步研究。d.糙率另一个被学者普遍尖注的水力学参数则是糙率n（641"[77^糙率n为表征水流流动边界表面影响水流运动阻力的多方面因素的一个综合水力参数•其大小受到坡面的土壤性质、表面覆盖条件以及水流运动的边界形态等因素的共同影响。目前，对于坡面侵蚀量与糙率系数的相互尖系的认识还没有达成统一。有的学者认为侵蚀量随着糙率系数的增大而减小，Johnson[641等认为粗糙的土壤表面可以增加入渗•进而减少土壤侵蚀量，径流量粗糙的地表比光滑的减少77%，减少侵蚀量为89%。张洪江[74,175）等通过对林地条件下的糙率进行分析研究，结果表明，土壤侵蚀量随着林地地表糙率值的增加-呈现迅速降低趋势。又有学者认为侵蚀量随糙率增大而增大，在黄土残嫄区王治国等通过坡耕地冲刷试验研究得出，黄土残嫄区细沟侵蚀与坡耕地的糙率与为线性正相尖尖系，糙率越大；这与通常认为的并不一致•一般认为糙率越大•水流流速、水流侵蚀动力、侵蚀量反而越小。还有学者研究发现坡面侵蚀的糙率n与径流速率之间的尖系并不能用单纯的正相尖或负相尖来表达，还和受到径流流量以及坡度有尖系，其中径流流量主要是利用流量不同导致了坡面水流水深的不同而引起的。坡面的不同地表状况，糙率系数表现出较大差异，前述对糙率与侵蚀量的相互尖系认识不一致原因是没有一个定量的水动力学参数去反映地表状况的不同对坡面侵蚀量的影响。本文考虑了以前的大量研究认为表征地表的这一变化特征的定量参数应该不仅取决于糙率系数的作用影响，同时也受到径流的影响。1.3研究内容与研究方法1.3.1研究内容本文以黄土沟壑区的多年弃耕地为研究对象，通过野外径流冲刷试验，进一步分析研究坡面物质运移与坡面流的水动力学特性，并验证已有径流溶质迁移模型的适用性，其结果对于黄土高原地区生态环境建设具有重要意义同时为坡面侵蚀过程的水动力学机理及坡面侵蚀过程模型的建立提供理论依据。具体研究内容为：(1)研究不同上方来水流量条件下，冲刷过程中坡面土壤侵蚀、养分流失规律及水动
力学特性。(2)研究不同植被条件下•冲刷过程中坡面土壤侵蚀、养分流失规律及水动力学特性。(3)研究不同碎石覆盖度条件下-冲刷过程中坡面土壤侵蚀、养分流失规律及水动力学特性。(4)研究不同秸秆覆盖条件下•冲刷过程中坡面土壤侵蚀、养分流失规律及水动力学特性。(5)研究不同碎石分布格局条件下•冲刷过程中坡面土壤侵蚀、养分流失规律•及分析不同断面水动力学特性。
1.3.2技术路线本文采用试验研究与理论分析相结合的方法进行研究。通过野外径流冲刷试验，一方面研究不同上方来水流量、不同地表覆盖类型及分布形式条件下黄土坡面产流产沙及养分流失规律•另一方面研究不同条件下坡面流的水动力学特征。同时，对各因子间的相互尖系进行进一步探讨与研究。
2试验材料与方法2.1试验区概况本试验是在中国科学院水土保持研究所长武生态试验区内进行。该实验区位于长武县城以西10km处的洪家镇的王东沟流域，所在地理位置是东经107。40，〜107。40,，北纬35。11*35。16,，流域土地面积&3km2，为泾河支流黑河的一个一级支沟。属于黄土高原沟壑区•为暖温带半湿润大陆性季冈气候•年均气温9.1°C•年均降雨量579.8mm•最大年降雨量954.3mm（2003年），最小年降雨量296.0mm（1995年）㈤.平均无霜期是171d。黑垃土是该区域主要的土壤类型。试区内嫄面平坦宽阔，土壤侵蚀微弱；嫄边附近沟道分布较多，沟岸滑塌和沟头溯源侵蚀现象严重mi。试验小区为多年扌畧荒地，主要草地植被类型以长芒草（Stipabungeana）和白羊草（Botliriochloaischaemum）为主。试验区土壤的类型为黑垃土•表层（50cm以上）土壤的容重变化范围在1.28-1.392间，平均容重为1.35g/cm3。土壤物理指标见表2・1。表2-1土壤机械组成Fig.2-1Compositionofthesoil土壤性状各粒级所占比例（％）黑垃土1-0.251.080.25-0.052.40.05-0.010.01-0.005578.60.005-0.00117.7<0.00113.22.2试验设计2.2.1试验方案试验均为野外人工放水冲刷实验，放水冲刷试验的示意图如图2-1所示。供水设备为可移动水箱，汽油泵，水槽。图2・1放水冲刷试验的示意图Fig.2-1Schematicdiagramoferosionexperiments冲刷试验主要包括：（1）上方来水流量对土壤侵蚀、溶质迁移及其坡面水流动力学参数的影响试验，小区平均坡度为10.5度，小区长10m，宽1米。小区布置见图2-2。试验供水流量为
18L/min；(2)植被覆盖度对土壤侵蚀、溶质迁移及其坡面水流动力学参数的影响试验，设计覆盖度为30%、45%和60%。坡面平均坡度10.5度。小区长10m，宽1米。供水流量为18L/min。(3)碎石覆盖度及碎石类型(Sd=60cm2>Sd=30cm2)对土壤侵蚀及溶质迁移及其坡面水流动力学参数的影响试验•实验设计碎石覆盖度为5%、15%和25%三种情况•供水流量为18L/min°坡面平均坡度为10.5度。小区长10m，宽1米。(4)碎石分布格局对土壤侵蚀、溶质迁移及其坡面水流动力学参数的影响试验•设计坡顶、坡中和坡底三种情况。坡面平均坡度10.5度。小区长10m*宽1米。供水流量为18L/min°(5)秸秆覆盖对土壤侵蚀、溶质迁移及其坡面水流动力学参数的影响试验植被盖度对土壤侵蚀、溶质迁移及其坡面水流动力学参数的影响试验，设计覆盖量为0，500g/m2•1000g/m2和1500g/n?。坡面平均坡度10.5度。小区长10m，宽1米彳共水流量为18L/min°2.2.2试验过程(1)实验小区坡面的处理：植被覆盖度对土壤侵蚀及溶质迁移影响试验采用网格法测定植被覆盖度在30%〜70%之间。设计植被覆盖度为30%、45%、60%，选取小区-有的去除多余植被。放置5天，使坡面恢复天然状态。碎石覆盖对土壤侵蚀及溶质迁移影响试验，实验设计碎石覆盖度为5%、15%和25%三种情况(碎石最大面底面积Sd=60cm2)；碎石覆盖类型：Sd=60cm2•Sd=30cn?，两种情况•覆盖度均为5%；先将坡面植被清除•放置10天•使坡面恢复天然裸坡状态。秸秆覆盖度对泥沙流失及养分影响的试验，采用玉米秸秆，设计秸秆长度20cm，秸秆覆盖量分别为1500g/m2(S1)•1000g/m2(S2)*500g/m2(S3)，0(CK)。(2)药品施用：研究的溶质为漠离子(Bi")，采用表面喷施的方法・以80g/m2标准施用，将计算称量好的试验所需用的漠化钾(KBr)完全溶解于定量水中•分段沿小区均勻喷洒到坡面的土壤表面。间隔24小时后进行冲刷试验。对于有覆盖処理(秸秆、碎石)•喷施药品后将选好的碎石或称量好的秸秆按设计覆盖形式均匀铺置•24小时后进行冲刷试验。(3)测定土壤初始含水量：冲刷前测定坡面土壤含水量，测点从坡顶到坡底方向每3m为1个，每个测点沿垂直坡面方向在0-40cm每5cm分别取一个土样，取样后用原来的土将孔回填。(4)冲刷试验：试验上方供水流量通过计算得18L/min，冲刷前对供水流量进行率定。通过布置自制可移动水槽使顶端水流均匀水平流出以平均分布在坡面，见图2・4。放水计时时间从坡底有径流出现幵始・连续放水持续30分钟・1分钟接1个径流样。(5)采用高猛酸钾(KMnO4)染色剂法测定坡面水流表面流速*沿坡向设3个断面分段进行观测各组试验坡面水流的表层流速测定。实验土槽的总坡长为10m，每3.3m为
一个测定断面。(6)冲刷结束后所采集样品的测定：用称重法(电子称)测量径流量；泥沙烘干后测量泥沙重量；采用烘干法测定土壤含水量；径流中漠离子浓度采用PXSJ-216型离子计的BF选择性电极测量。试验设2个重复。图2-2小区总体布置Fig.2-2Overalllayoutofexperimentalplot图2-3试验过程Fig.2-3Theexperimentalprocess
图2-4铁皮水槽Fig.2-4Ironsink2.3水力学特征参数计算方法本文试验中的平均流速是通过坡面水流的表层流速乘以一个相应的折减系数得到的-折减系数对于层流取0.67，过渡流取0.7，紊流取0.81801，测定的流速为表层流速，每个断面的平均流速由表面流速乘以所对应的折减系数可以得到，由各断面的平均流速值加权平均获得整个坡面的总的平均流速。除了坡面水流总的平均流速坡面水流的平均水深也是反映坡面水流水动力特征的重要因子，但由于坡面水流的水层一般为几个毫米甚至更小，极薄，而且受土壤表面下垫面影响沿坡出现不均匀，故很难采用实测法测量得到。为了方便研究，本文假定试验中坡面流是均勻分布的，计算平均水深的公式如下：(2.1)33式中：q有效为单宽供水流量*m/(sm)；Q有效表示单位时间内的径流量，m/s；u为坡面平均流速•m/s；水流流态采用雷诺数(Re)判别，雷诺数的量纲为1，它表征的是惯性力与粘滞力的比值，公式如下：Rc=Vr/r|(2.2)式中沙同前；R为坡面流水力半径(m)；q为运动粘滞系数(亦/s)。弗劳德数(Fr)是判别急流和缓流的水力参数，其量纲为1，弗劳德数是表征惯性力和重力两种作用的对比尖系，计算公式如下：F=V//^h(2.3)式中:g为重力加速度(m/s?)；h为断面平均水深(m)。由于小区断面为矩形，所以水力半径(R)的可采用下面计算公式：
(2.4)R=hb/(b+2h)
式中:b为试验小区的贯度(m)。为了便于分析研究，人们通常在实际中将坡面流看做均勻流动来処理⑹“84】理•坡面水流的平均径流剪切力大小可采用下面公式计算：=RJ式中：t表示坡面流的平均径流剪切力•N/n?或Pa；Y为水的比重•N/m3；其值为坡面角度的正切值。Darcy-Weisbach阻力系数f来描述坡面水流的阻力变化•其计算公式为：^8gRJ/v2式中:J同前。平均糙率(n)采用曼宁公式计算：n=(l/v)J1/2R23•据水力学原(2.5)J为坡降•(2.6)(2.7)式中：n表示坡面的平均糙率，。
3不同上方来水流量坡面物质迁移及坡面流水力特性的研究3.1对坡面物质迁移的影响3.1.1径流变化过程a.径流变化过程线不同上方来水流量条件下，坡面径流的动态变化过程可以通过径流变化过程线来表示。图3・1给出了不同放水流量条件下的径流变化过程线。^3M蟆札图3-1径流量隨时间的变化过程Fig.3-1Runoffintensitychangedovertime由图3-1可知，总的径流过程随时间的增加而递增，不同上方来水流量下，其径流量的大小、径流量递增的快慢及径流变化幅度则有差异。不同上方来水流量下径流量的变化有着相同的规律，那就是：放水冲刷初期单宽径流量迅速的增长，随着放水时间的延续单宽径流量缓慢的增长，之后逐渐趋于稳定。越大坡面放水冲刷的单宽径流量也越大。在为9L/mins18L/min时彳圣流过程线较为平缓，变化波动的幅度不大，而当为27L/min、36L/min时，径流过程线较为陡急，同时变化波动的幅度也较大。b・累积径流过程黄土坡面的侵蚀过程与上方来水的汇集密不可分上方来水流量的变化影响着坡面侵【82】蚀的整个过程。郑粉莉等的研究认为：上方来水流量的增加使坡面侵蚀产沙量增大，增加的侵蚀量是由坡面径流增加而引起的。为了进一步分析本文试验条件下，对坡面径流的影响，图3-2显示了不同上方来水流量下累计径流总量随时间的变化曲线。
900800700u•g6003500rtnil^400|aoo际200100O9L/minQlSL/min▲27L/min沐36L/min51015202530350时间(min)图3-2不同上方来水流量下累计径流量的变化过程Fig.3-2Cumulativerunoffchangedovertimewiththeeffectofwaterscouring由图3-2可知•黄土坡地侵蚀过程中，累计径流总量随着的增大而增大，也就是说对于相同的放水历时，上方来水流量越大相对应的累计径流也就越多。通过对图3-2中的各曲线进行拟合，拟合结果见表3-1。由表2・2可以看出，9L/min、18L/min、27L/min、36L/min时拟合曲线的系数依次为为：1.716、3.4、13.51、22.73L，与上方来水流量呈正比例。因此可知，上方来水流量显著影响着累计径流量的变化。表3・1不同下累计径流量变化曲线拟合尖系Table3-1Fittingcurveforchangesofcumulativerunoffunderdifferentflowfromupslope上方来水流量(L/min)9182736拟合方程y=1.716x1363y=3.4x1359[cvi1.062y=13.51xy=22.73x106R20.9930.9990.9760.9973.1.2对坡面产沙量的影响前人的试验结果⑻】认为：上方含沙水流的汇入导致坡下方含沙水流侵蚀和搬运能力增强•上方来水流量越大•径流量所造成的土壤侵蚀量也随之越大。a.侵蚀产沙量变化过程
图3-3不同上方来水流量下侵蚀产沙量变化过程Fig3-3Sedimentyieldratechangedwithtimeunderdifferentflowfromupslopc图3-3给出了不同处理侵蚀产沙量随时间的变化过程。从图3-3可以看出，不同上方来水流量侵蚀产沙量随时间呈现波动变化。对为9L/min、18L/min时，侵蚀产沙量随放水时间的波动变化比较平缓；而对于为27L/min、36L/min时侵蚀产沙量随放水时间的波动变化比较强烈。总得来看，上方来水流量越大＞侵蚀产沙量的累积数值也越大，相应的侵蚀产沙量隨时间的波动变化也越剧烈。a.累积产沙量
图3-4不同上方来水流量累计泥沙量隨时间的变化过程Fig.3-4Cumulativesedimentchangedovertimeunderdifferentflowfromupslope上方供水流量不仅会影响坡面下方的入渗和产流能力还会影响到坡面的侵蚀产沙量1841。放水流量越大则单位径流量所造成的土壤侵蚀量也会越大［851。图2-4为不同条件下侵蚀中累计泥沙量随时间的变化过程。由图3-4可知•黄土坡面冲刷过程中，累计泥沙量随着上方来水流量的增大而增加，也就是说•相同的放水历时•来水流量越大其对应的累计泥沙量也越多，这一变化规律和累计径流量的变化规律一致。对图3-4中的用对数函数进行拟合，拟合结果见表2-2。从表中可知，上方供水量分别为9L/min"18L/min、27L/min、dnH忌LKm
36L/min时的累计泥沙量拟合曲线对数项分别为：24.81、761.1、855.0、940.3，依次减小，但大小变化不及累计径流量均匀，说明放水试验条件F，累计泥沙量的变化不是完全受控于上方来水流量的改变，诸如泥沙的侵蚀■搬运■沉积物理过程等因素也会影响到累计泥沙的变化。表3・2不同下累计产沙量变化曲线拟合尖系Table3-2Fittingcurveforchangesofcumulativesedimentunderdifterentflowfromupslope上方来水流量（L/min）9182736拟合方程y=24.81Ln(x)+36.26y=761.2Ln(x)+233.3y=855.0Ln(x)+253.5y=940.4Ln(x)+819.6R20.9590.9750.9750.9733.1.3对坡面径流Br-迁移过程的影响上方来水流量反映了坡面土壤的供水强度，对于放水试验条件下，改变上方来水流量就相当于该改变了坡面土壤的供水强度，这样就会使得输入整个土■水系统的水量和能量发生改变，从而会影响到坡面土壤侵蚀及土壤溶质迁移的整个过程。为了简化影响因素，本文着重研究在其它因素如坡度（各处理均为10.5°）等相同的情况下，改变上方来水对坡面土壤水土流失及土壤溶质迁移的影响。a.径流中BF的浓度的变化规律3(3牲好Lq图3-5不同上方来水流量下径流Bi「的浓度随时间的变化Fig.3-5Br"concentrationchangedovertimeunderdifferentflowfromupslope图3-5表示了不同处理径流溶质BF的浓度随时间的变化过程。由图可知•不同上方来水流量径流溶质Br-的浓度变化过程为：总体上，各种处理都是放水初期径流溶质Br的浓度较高，隨着放水过程的持续径流溶质Br-的浓度表现出迅速衰减趋势，之后径流溶质Br・的浓度逐渐衰减趋于一个较小的值。随着上方来水流量的增大，径流溶质BL的浓
度向较小的浓度值衰减的趋势也相应增强。对不同処理下径流溶质B广的浓度变化曲线进行拟合，拟合结果见于表3-3所示。由表3-3可知，径流溶质Bi•-的浓度的衰减曲线采用幕函数拟合，效果较好，且系数随着来水量增大呈减小趋势。这说明对于不同下径流溶质BL的浓度随时间的变化过程，利用幕函数可以更好的反映其衰减过程•结果与王全九、王辉[871的研究结果一致。表3-3方来水流量下径流溶质BF的浓度变化曲线拟合尖系Table3-3FittingcurveforchangesofBrconcentrationunderdifferentflowfromupslope(L/min)拟合方程R29C(t)=1047f1287R2=0.72318C(t)=1202f1618R2=0.58027C(t)=509.9t"1277R2=0.99436C(t)=285.3f,26R2=0.991b.径流中BF累积质量的变化特征图3・6给出了不同上方来水流量下径流溶质BF的累计质量随时间的变化过程。可以看出，随着上方来水流量的增加•相同放水时间内径流溶质Br-的累计质量也越大。
图3-6不同上方来水流量下径流溶质BF的累计质量隨时间的变化Fig.3-6CumulativeBr"changedovertimeunderdifferentflowfromupslope对图3-6中的曲线进行拟合・拟合结果见于表3-4。可以看出，对于不同上方来水条件下的径流溶质Bi••的累计质量来说，增加单位水量而增加的迁移溶质Br•的总量是逐渐减小的•也就是说•增大单位来水量对径流溶质BL总流失量的的影响程度越来越小。P3
表3・4方来水流量下径流溶质Br•的浓度变化曲线拟合尖系Tabic3-4FittingcurveforchangesofBrconccntrationunderdifferentflowfromupslopc(L/min)拟合方程R29y=2086Ln(x)+635.1R2=0.98418y=3281Ln(x)+2164R2=0.97827y=3893Ln(x)+2668R2=0.99836y=4281Ln(x)+3617R2=0.9693.2不同上方来水流量水力学特征的研究3.2.1对基本水力参数的影响对上方来水流量对坡面土壤侵蚀和养分流失的影响从水动力学角度来分析研究。表3-5显示了不同秸秆盖量条件下的水力参数：产流时间、平均流速、平均径流深、水力半径、雷诺数、费劳德数、阻力系数及糙率。表3・5不同上方来水流量水动力学参数Table3-5Hydrodynamicparametersforunderdifferentflowfromupslope上方来水流量/(L/min)产流时间/s平均流速/(m-s"1)平均径流深/mm水力半径/mm雷诺数弗洛得平均剪阻力平均糙率/(m13-s)数切力/Pa系数91500.11360.7180.717811.3401.2900.8000.0299181050.13551.3401.337182L1812.4061.0300.037727640.15231.7961.789284L1903.2211.0130.039236350.19142.6032.5894801.1544.6611.0760.0430b.坡面水流的平均流速和平均水深图3・7给出了上方来水流量与平均流速和平均水深之间尖系曲线，从图3・7可知-平均流速和平均水深均隨上方来水流量的增大而增大。经分析•平均流速和上方来水流量的尖系可用幕函数拟合•拟合公式如下：v=0.0518Q°W76(r2=0974)平均水深和上方来水流量的尖系可用线性函数拟合，拟合公式如下：h=0.0679Q+0.0866("=0.988)
2864218642・1111ooooo・・•・o•・・・oooooooo2515(I》魁黑％QIR1丄人丄((]0510152025303540上(Vmin)0510152025303540上方来水流里(L/min)图3-7有效供水流量与平均流速和平均水深尖系Fig.3-7Relationsofaverageflowvelocityandaveragewaterdepthwiththeflowfromupslopc对于坡面水流流速与流量的尖系拟合，本文结论与江忠善［491、张光辉1501等人的研究结果一致。C.坡面水流的流态判别根据公式(2・2)和(2・3)分别计算出不同上方来水流量坡面汇流水流的雷诺数和费汝德数•计算结果见表3・5。由表3・5可知•随着上方来水流量的增加•坡面水流的雷诺数Re逐渐增大。流量为36L/min时，雷诺数达到480，接近明渠水流下临界雷诺数500。从表3-1也可以看出，不同上方来水流量下坡面水流的费汝德数Fr均大于1，说明了各组试验的坡面水流均为急流。图3-8显示了上方来水流量与平均流速和平均水深之间尖系曲线-分别可用幕函数拟合，拟合结果如下：Re=5.0778Q11247(R2=0.976)Fr=1.6545Q_01034(R2=0.862)1.4003002502001501000504X510152025303540上方来林里(Vmm)图3-8上方供水流量流量与雷诺数和弗洛得数的尖系曲线Fig.3-8RelationsofReynoldsnumberandFroudenumberwiththeflowfromupslope
1.400「1.350-1.300-201A1.050-1.000«1«■1>1>«1050100150200250300350400450500雷诺教Re♦图3・9费汝德数与雷诺数的尖系曲线Fig.3-9RelationshipbetweenFroudenumberandReynoldsnumber对于费汝德数与雷诺数的的尖系曲线见图3-9。对图中的曲线进行拟合，雷诺数Re与费汝德数之间显著负相尖•拟合方程为：Fr=1.878Re-°0814(R2=0.839)d.坡面水流阻力系数及与雷诺数的矢系(1)不同上方来水流量阻力系数的变化阻力系数f反应了下垫面对水流的水力阻力大小，在坡度等条件相同的情况下，阻力系数越大水流克服阻力所消耗的能量越多发生的土壤侵蚀就越强反之则土壤侵蚀变弱。根据公式(2-6)计算出不同上方来水流量阻力系数，如表3-1所示。阻力系数与上方供水流量的尖系曲线图3・9所示。对图中的曲线进行拟合-拟合方程如下：E0.0005Q2+0.0320Q+0.5699(R2=0.881)图3J0阻力系数与上方供水流量的尖系曲线Fig.3-10Relationshipbetweenresistancecocfncicntandtheflowfromupslopc(2)不同上方来水流量下阻力系数与雷诺数的尖系对于阻力系数与雷诺数的的尖系曲线见图3-11。通过对图中的曲线进行拟合・拟合方程如下所示：匸28・10"q2+0.0022Q+0・6651(R2=0.858)
1.2001.0000.8000.6000.4000.200-0.000111110100200300400500雷诺数腕图3・11阻力系数与雷诺数的尖系Fig.3-11RelationshipbetweenresistancecoeftlcientandReynoldsnumbere.坡面水流剪切力及与其他水力参数的尖系（1）不同上方来水流量对剪切力的影响坡面水流在运动过程，除了受到重力和垂直于坡面向上的支持力以外以外，还会受到沿坡面水流与土壤接触面相切方向的径流剪切力的作用径流剪切力是分离土壤的主要外力，它会冲击水土接触面上的土壤颗粒，破坏其土壤结构，并将土壤颗粒携入径流中。实际当中的坡面水流受到的径流剪切作用往往十分复杂，为了研究的问题的简化，通常人们在实际应用中将其视为均勻流动⑻】来处理，根据公式（2・5）计算得不同処理的平均径流剪切力如表3-1所示。图3-12表示了平均径流剪切力与上方来水量的尖系，可以看出，随着上方来水流量的增大，平均径流剪切力也增大。对该曲线进行拟合拟方来水流量呈线性正相尖，拟合方程如下所示：t=0.1214Q+0.163(R2=0.989)5.0CO4.5CO4.0CO3.5CO3.0CO2.5CO2.0CO1.5CO1.0CO0.00000.5005101520253035400来水SB(Mmin)图3J2剪切力与上方来水流量的尖系Fig.3-12Relationshipbetweenflowshearstressandtheflowfromupslope（2）不同上方来水流量剪切力与雷诺数的尖系图3・13表示了平均剪切力与雷诺数Re尖系，可以看出剪切力与雷诺数同时增大。并对曲线进行拟合，发现剪切力与与雷诺数也呈线性相尖，拟合方程如下所示：
t=0.0083Re+0.7649(R-0.991)T=9934f40004(R2=0.872)。ooooo5.4.32.L(启)0.0111110100200300400500雷诺数除图3J3径流剪切力与雷诺数的尖系图Fig.3-13RelationshipbetweenflowshearstressandReynoldsnumber(1)不同上方来水流量剪切力与阻力系数的尖系图3・14为各处理平均径流剪切力与阻力系数的矢系。如图3・14所示，坡面水流的平均径流剪切力随着阻力系数f的增大而增大，说明坡面汇流水流在流动的过程中，径流的平均径流剪切力越大，则相应的阻力也越大。进一步对剪切力与阻力系数的尖系用幕函数进行线性拟合，可得：T=9934f40004(R2=0.872)。阻力系数£图3J4径流剪切力与阻力系数的尖系Fig.3-14Relationshipbetweenflowshearstressandresistancecoefficient2)3・2・2不同上方来水流量水动力学参数与径流泥沙和溶质迁移尖系分析a.径流水动力参数与径流之间的尖系(1)径流量与雷诺数及阻力系数的尖系利用雷诺数(Re)判别水流的流态，它表征的是惯性力与粘滞力的出值，雷诺数越大表明水流越不稳定。累积径流量与雷诺数表现出正相尖线性尖系，拟合方程为:L=1.80Re-19.31(2=1.00)。
阻力系数f反应了下垫面对水流的水力阻力大小。累积径流量与阻力系数表现岀幕函数尖系，拟合方程为：LM37.lt5-89(R—.OO)。1000r1000r-0080060040111110100200300400500雷诺数腕0000063B俱KHS卄呻402Lq||||||0.000.200.400.600.801.001.20阻力系数£图3J5累积径流量与雷诺数及阻力系数的尖系Fig.3-15RelationsofcumulativerunoffwithReynoldsnumberandtheresistancecoefficient(2)累积径流量径流量与径流剪切力的尖系图3-16为径流剪切力与累积径流量之间的尖系•采用线性方程拟合，拟合方程为:L=215.7—180.07(2=0.991)。10008006004002000平均径流剪切力(Fa)图3・16累积径流量与平均剪切力剪切力的尖系Fig.3-16Relationshipbetweencumulativerunoffandflowshearstressb.径流水动力参数与径流泥沙之间的矢系(1)径流含沙量与雷诺数及阻力系数的尖系利用雷诺数(Re)判别水流的流态，它表征的是惯性力与粘滞力的出值，雷诺数越大表明水流越不稳定。累积径流泥沙含量与雷诺数表现出正相尖线性尖系，拟合方程为：W泥沙=7.87Re+560.9(2=0.875)。阻力系数f反应了下垫面对水流的水力阻力大小。累积径流泥沙含量与雷诺数表现出良好的正相尖线性尖系，拟合方程为：W泥沙=11542&8641(”=0.926)。
0111110100200300400500雷诺数腕0I[I[[II0.000.200.400.600.801.001.20阻力系数£(a)累积泥沙量与雷诺数的尖系(b)累积泥沙量与阻力系数的尖系图3J7径流含沙量与坡面流流态的尖系Fig.3-17Relationshipbetweencumulativesedimentandtheslopeflowstate(2)径流含沙量与径流剪切力的尖系图3・17为径流剪切力与累积径流泥沙含量之间的尖系-采用线性方程拟合-拟合方程为：W泥沙=974.13-236.42(2=0.929)。径流剪切力(")图3・18累积含沙量与径流剪切力的尖系Fig.3-18Relationshipbetweenaccumulatedsedimentandflowshearstressc.径流水动力参数与径流溶质之间的矢系(1)径流累积Bi••量与雷诺数及阻力系数的尖系利用雷诺数(Re)判别水流的流态，它表征的是惯性力与粘滞力的比值•雷诺数越大表明水流越不稳定。径流累积BF量与雷诺数表现出正相尖线性尖系，拟合方程为：S=37.80Re+6262("=0.849)。阻力系数f反应了下垫面对水流的水力阻力大小。径流累积BL量与阻力系数表现出良好的正相尖线性尖系，拟合方程为：S=51509f34119(R2=0.78)°
30000Q2500015000100005000100200300400500雷诺数(Re)(a)雷诺数阻力系数£(b)阻力系数Q3MsiLS图3・19径流累积Br•量与雷诺数及阻力系数的尖系Fig.3-19RelationsofReynoldsnumberandresistancecoefficientwithcumulativeBr(2)径流累积Br-量与径流剪切力的尖系图3・20为径流剪切力与径流累积BL量之间的矢系•采用幕函数拟合•拟合方程为:S=63321严°(r2=o$9)。300002500020000005015000QIIIIII1II1I0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0平均径流剪切力(Pa)图3-20径流累积BF量与径流剪切力的尖系Fig.3-20RelationshipbetweencumulativeBrinrunoffandflowshearstress3.3小结通过野外放水冲刷试验研究了不同上方来水流量对黄土坡面土壤水分及溶质迁移的影响，主要结论如下：(1)不同上方来水流量条件下径流量的变化有着相同的规律：冲刷前期径流量随时间迅速的增大，随着放水时间的延续径流量增长缓慢，再越来越稳定。上方来水流量为9L/min时径流过程线最平缓，变化的波动的幅度也小，上方来水流量依次增大时，径流过程线较为陡急。上方来水流量对侵蚀泥沙量影响：上方来水流量为9L/min侵蚀泥沙量随放水时间的波动变化相对平缓；而上方来水流量依次为18L/min、27L/min、36L/min时侵蚀泥沙量随放水时间的波动变化相对剧烈。总之，上方来水流量越大，侵蚀泥沙量也随之越大，侵蚀产沙量随时间的波动变化越剧烈。(2)上方来水流量在影响坡面土壤侵蚀的同时也会影响坡面溶质的迁移。利用幕函数
可以较好地反映不同上方来水流量径流溶质BF的浓度随时间的衰减过程。不同上方来水流量径流溶质BL的浓度变化为：总体都是放水初期径流溶质BL的浓度较高•随着放水的进行径流溶质Br-的浓度迅速衰减・之后径流溶质BF的浓度逐渐衰减趋于一个较小值。随着上方来水流量的增加，径流溶质BL的浓度衰减趋于的较小的浓度值的速率也增加；相同放水时间，径流溶质Br_的累计质量随着上方来水流量的增加也增加。(2)随上方来水流量增加，坡面流平均流速、平均水深、雷诺数、径流剪切力、坡面的阻力系数和糙率均呈增大趋势，弗洛得数呈减小趋势。雷诺数均小于500-各処理坡面流均为层流；费汝德数Fi•均大于1•各处理坡面流均为急流。(3)坡面水流的阻力系数f随着雷诺数Re的增大也增大。坡面水流的平均径流剪切力随着阻力系数f的增大增大•可知•坡面水流在流动过程中•坡面水流的平均径流剪切力越大，则所受的阻力也就相应越大。对两者进行尖系线性拟合，尖系式为t=9934^0004(R2二0.872)，坡面流的平均径流剪切力和阻力系数呈良好的幕函数尖系。(4)坡面水流侵蚀产沙过程与坡面水流的水力特征有着密切的尖系。累计泥沙总量随着雷诺数Re的增加而增加，由统计分析可得尖系式：W泥沙=7.87Re+560.9("=0.928)。径流迁移溶质BF的累计质量随着水流的雷诺数Re的增加而增加•通过统计分析，在0.01显著性水平上•径流迁移溶质Br-的累计质量与雷诺数Re呈正相尖尖系，相尖系数为0.849。
4不同覆盖类型条件坡面物质迁移及坡面流水力学参数的研究4.1不同植被覆盖度植被有效覆盖度是植被水土保持作用的尖键。由于研究人员的研究角度和对象不同•对于有效覆盖度概念的理解也存在着较大的差异，张光辉等⑻】在研究中指出，有效覆盖度指在一定区域内草地或者林地保持土壤并且使土壤侵蚀量降低到土壤允许的最大侵蚀量以下所达到的植被覆盖度。植被覆盖对坡面土壤侵蚀的作用主要表现在三方面：一是坡面植被改变了坡面原有的土壤侵蚀环境•即植物的根部与土壤相互作用以改变土壤抗蚀性・土壤水分的渗透性等。二是植物的茎叶对雨滴有一定的消能截留作用。三是而植被增加了坡面糙率，对坡面径流有阻碍作用，而改变坡面流的水力学特性。4.1.1不同植被覆盖度对坡面物质迁移的影响a.径流变化过程(1)径流变化过程线不同植被覆盖度条件下，坡面径流的动态变化过程可以通过径流变化过程线得以反映。图4-1显示了不同植被覆盖度的径流变化过程线。由图4・1可知•各处理总的径流过程随时间递增，不同植被覆盖度下，其径流量的大小、径流量递增的快慢及径流变化幅度贝U有差异。Fig.4-1Runoffintensitychangedovertime不同植被覆盖度径流量的变化有着相同的规律那就是放水冲刷前期径流量快速的增长，随着放水时间的延续径流量缓慢的增长，之后逐渐趋于稳定。越大坡面放水冲刷的单宽径流量也越大。裸坡径流量在前5分钟内急剧增长，有植被覆盖度小区径流量lOmin内呈持续增长趋势，其后产流量基本保持稳定这是因为裸坡时表层土壤含水量很快达到饱和，之后径流基本不入渗，因此在短时间内流量达到稳定；而植被覆盖情况，植物根系的密布缠绕提高了土壤渗透性⑼】，坡面径流持续入渗时间较长•因此产流量达到稳定所需时间较长。(2)累积径流过程图4・2为不同植被覆盖度F累计径流总量随时间的变化曲线。
图4・2不同植被覆盖度下累计径流量的变化过程Fig.4-2Cumulativerunoffchangedovertimeunderdifferentvegetationcoverage由图4・2可以看出，植被覆盖具有显著减流作用，随着覆盖度的增加，累计径流量呈减小趋势，裸坡产流量为446L，30%，45%和60%覆盖度下径流量与对照裸坡相比，径流总量依次减3.9%，10%和16.1%。说明植被覆盖能够增加土壤入渗，减少产流量，且覆盖度越高减流作用越明显。地表径流随植被盖度增大径流减小的原因有二：一方面是随着盖度的增加，植被截留量增加；另一方面是随着植被覆盖度的增加，入渗量也增加•这和王升(91】等人的在陕西神木的硏究结果—致。为进一步分析植被覆盖对径流的影响•对图4・2的累积径流曲线用对数尖系进行拟合，拟合结果如表4・1所示。由表4・1可以看出，0-30%•45%和60%植被覆盖度时拟合直线的斜率依次为为15、14.7、13.8、12.8，其大小与植被覆盖度呈反比例。因此可知，植被覆盖度显著影响着累计径流量的变化。表4・1不同植被覆盖度下累计径流量变化曲线拟合尖系Table4-1Fittingcurveforchangesofcumulativerunoffunderdifferentvegetationcoverage不同植被覆盖度(％)0304560拟合方程y=12.4x1082y=lO.lx1156尸9.081X1212y=8.283x1126R20.9360.9940.9990.999b.对坡面产沙量的影响植被生长时，其根系伸入土壤，对其产生挤压，并对土壤颗粒有固结作用•提高了土壤的抗侵蚀性能。植被覆盖度的不同抗侵蚀能力也有差异。
(1)侵蚀产沙量变化过程Fig.4-3Sedimentyieldratechangedwithtimeunderdifferentvegetationcoverage图4・3为不同植被覆盖度侵蚀产沙量随时间的变化过程。从图4・3可以看出，总体上•植被覆盖度为45%、60%时，侵蚀产沙量随放水时间的波动变化较平缓，尤其60%最为平缓；而裸坡及覆盖度30%时侵蚀产沙量随放水时间的波动变化比较强烈。除了60%覆盖度，其他処理其产沙量在前7min都岀现波峰，这是由于初始阶段表层干土未能与下层土壤颗粒紧密结合而易被冲刷所造成。随着冲刷的继续，坡面细沟迅速形成•并迅速溯源发育，在三维方向不断扩张，细沟周边土块塌落•被径流冲走•每一次塌落都导致径流含沙量迅速增大，如此反复，便出现了侵蚀产沙量呈锯齿状的变化规律，尤以裸坡最为明显。(2)累积产沙量图4-4不同植被覆盖度下累计泥沙量隨时间的变化过程Fig.4-4Cumulativesedimentchangedovertimeunderdifferentvegetationcoverage
图4・4为不同植被覆盖度条件下累计泥沙量隨时间的变化过程。从图4・4可以看出•黄土坡面侵蚀产沙过程中，累计泥沙总量随着植被覆盖度的增大而减小，说明植被覆盖减少侵蚀泥沙的效果显著。不同植被覆盖下小区的累计产沙量大小顺序为裸坡小区＞30%植被覆盖的小区＞45%植被覆盖的小区＞60%植被覆盖的小区。裸坡小区的产沙总量为3446g；30%植被覆盖的小区产沙总量为3087g•相对于裸坡的泥沙总量减少10.4%；45%植被覆盖的小区产沙总量为2575g，相对于裸坡的泥沙总量减少74.7%；60%植被覆盖的小区产沙总量为130.5g，相对于裸坡的泥沙总量减少96.2%。植被减沙效果归于两方面的原因：一方面由于植被的挡水作用，使坡面径流的能量减少，将而对坡面土壤的作用减小；另一方面由于植被的上层根系能够束缚坡面表层土壤颗粒，增强土壤的聚合力，加上根系对土壤水分的吸收，降低了孔隙水压，提高了土壤负压，增强了土壤强度，从而大大提高了土壤的抗侵蚀性能。对图4・4中的曲线用对数函数进行拟合•拟合结果见表4-2。表4・2不同植被覆盖度下累积产沙量变化曲线拟合尖系Tabic4・2Fittingcurveforchangesofcumulativesedimentyieldunderdifferentvegetationcoverage不同植被覆盖度(%)0304560拟合方程y=909Ln(x)+470y=525Ln(x)+213y=20兀n(x)+182y=38.3Ln(x)+19.7R210.9990.9990.999c.对坡面径流BF迁移过程的影响植被覆盖度对坡面产流和产沙过程都有显著作用，随着植被覆盖度的变化坡面表层土壤的水土环境也发生的不同变化，因此也影响了坡面溶质迁移。(1)径流中Br•的浓度的变化规律
图4-5不同植被覆盖下径流BL的浓度随时间的变化(UE/7)就痊Lqtp抿型Fig.4-5ChangeprocessofBrconcentrationovertimeunderdifferentvegetationcoverage图4-5显不了不同植被覆盖度下径流溟离子浓度随时间的变化过程。由图4・5可以看出，无论是裸坡还是有植被覆盖的小区，径流漠离子浓度总体表现随时间延长呈现递减过程。王全九等过室内模拟试验分析了黄土坡面径流溶质浓度的变化过程，并提出了等效对流传递模型，该模型认为径流溶质浓度随时间推移呈幕函数变化，尖系表示为:y=atb。式中：y为径流溶质的浓度；t为产流时间；a•b均为参数。利用该公式分别模拟4个盖度下漠离子浓度与时间的尖系，拟合结果如表4・3所示。由图4・5和表4・3可见，无论裸坡还是有植被覆盖，其溶质浓度隨时间的变化均可用幕函数描述，且相尖系数都很高。表4・3不同植被覆盖径流溶质BL的浓度变化曲线拟合尖系Tabic4・3FittingcurveforchangesofBrconcentrationunderdifferentvegetationcoverage不同植被覆盖度(%)拟合方程R20C(t)=566t_125R2=0.9830C(t)=699t_126R2=0.99345C(t)=420f°96R2=0.98360C(t)=491f108R2=0.994(2)径流中BL累积质量的变化特征图4-6给出了不同下径流溶质Bi•一的累计质量随时间的变化过程。可以看出，随着植被覆盖度的增加，相同放水时间内径流溶质BF的累计质量也越大。
图4-6不同植被覆盖径流溶质BF的累计质量随时间的变化Fig.4-6ChangesofcumulativeBr"inrunoffovertimeunderdifferentvegetationcoverage从图牛6可以看出，有植被覆盖的小区累计溶质流失量要明显小于无植被覆盖的小区，说明植被覆盖能够显著减少养分流失。不同植被覆盖下小区的径流溶质Bi••累计流失量大小顺序为裸坡小区＞30%植被覆盖的小区＞45%植被覆盖的小区＞60%植被覆盖的小区。裸坡小区的BL累计流失量为21912mg；30%植被覆盖的小区BL累计流失量为21693mg，相对于裸坡的BL累计流失量减少0.1%；45%植被覆盖的小区BL累计流失量为
21489mg，相对于裸坡的BL累计流失量减少2%；60%植被覆盖的小区BF累计流失量为17030mg•相对于裸坡的BL累计流失量减少22.3%。由于坡面的养分流失主要是通过径流和泥沙携带•因此植被是通过减少侵蚀而对养分流失产生影响。表4-4不同植被覆盖度(%)径流溶质BF的浓度变化曲线拟合尖系Tabic4-4FittingcurveforchangesofBrconcentrationunderdifferentvegetationcoverage不同植被覆盖度(%)拟合方程R20y=2085Ln(x)+635.1R2=0.98430y=3281Ln(x)+2164R2=0.97845y=4293Ln(x)+6668R2=0.99860y=4381Ln(x)+9617R2=0.9694.1.2不同植被覆盖度水动力学参数对植被覆盖度对坡面土壤侵蚀和养分流失的影响从水动力学角度来分析研究。表4-5显示了不同植被覆盖下的水力参数：产流时间、平均流速、平均径流深、水力半径、雷诺数、费劳德数、阻力系数及糙率。4-5不同植被覆盖度下水动力学参数Table4-5Dynamicsparametersunderdifferentvegetationcoverage植被覆盖度(%)产流时间/s平均流速/(ms")平均径流深/mm水力半径/mm雷诺数弗洛得数平均糙率/(m"13-s)阻力系数剪切力/Pa0460.1461.7331.7272511.1060.04191.173」130630.1062.3342.3242460.6960.07002.964」845790.0852.7522.7372310.5110.09795.484.9360980.0683.1803.1602150.3830.13369.735.69a.坡面水流的平均流速和平均水深图4・7给出了植被覆盖度与平均流速和平均水深之间尖系曲线，从4・7可知，平均流速和平均水深均隨植被覆盖度的增大而增大。经分析，平均流速和植被覆盖度的尖系可用幕函数拟合，拟合公式如下:v=-0.0013V+0.1453(R2=0.999)平均水深和植被覆盖度的尖系可用线性函数拟合，拟合公式如下：h=0.024V+1.69(R2=0.991)
6421811411*o••••••■ooooooo(<3®俱密件060402(g)01111111oliiiiiii010203040506070010203040506070植械覆盖度(幻植被覆盖度(％)图4・7植被覆盖度与平均流速和平均水深尖系曲线Fig.4・7Relationsofaveragewaterdepthandaveragevelocitywiththevegetationcoverage对于坡面水流流速与植被覆盖度的尖系拟合・与流速与上方来水流量的尖系结果一致。b.坡面水流的流态判别根据公式(2・2)和(2・3)分别计算出不同植被覆盖度坡面水流的雷诺数和费汝德数算结果见表4・5。由表4・5可知，随着植被覆盖度的增加，坡面水流的雷诺数Re逐渐减小，变化范围为215-251*均为层流。从表4・5也可以看出，不同植被覆盖度下坡面水流的费汝德数Fr裸坡时大于1•为急流；有植被覆盖条件下Fr均小于1，为缓流。图4・8显示了植被覆盖度与平均流速和平均水深之间矢系曲线，分别可用幕函数拟合，拟合结果如下：Re=-0.578V+255(R2=0.84)Fr=-0.012V+1.088(”=0.992)21864Lp€50.2o.1901111111010203040506070植被覆盖度(％)(a)雷诺数QI||||||010203040506070植被覆盖度(灯(b)弗洛得数图植被覆盖度与雷诺数和弗洛得数的尖系曲线Fig.4-8RelationsofReynoldsnumberandFroudenumberwiththevegetationcoveragec.坡面水流阻力系
阻力系数f反应了下垫面对水流的水力阻力大小，在流量、坡度等水动力条件相同的情况下，阻力系数越大水流克服阻力所消耗的能量越多。根据公式（2-6）计算出不同秸秆覆盖量阻力系数，如表4・5所示。阻力系数与植被覆盖度的尖系曲线图4・9所示。对图中的曲线进行拟合・拟合方程如F:f^l.l2e0035（R2=0.994）121086413播廉-RS20010203040506070植被覆盖度（旳图4・9植被覆盖度与阻力系数的尖系Fig.4-9Relationshipbetweenvegetationcoverageanddragcoefficientd・坡面水流剪切力尖系根据公式（2-5）计算得不同处理的平均径流剪切力如表4・5所示。图4-10表示了平均径流剪切力与上方来水量的尖系，可以看出，随着植被覆盖度的增大，平均径流剪切力也增大。对该曲线进行拟合拟方来水流量呈线性正相尖•拟合方程如下所示：t=0.043V+3.03（R2=0.991）010203040506070植被覆盖度（％）图4・10剪切力与植被覆盖度的尖系Fig.4-10Relationshipbetweenflowshearstressandvegetationcoveraged・平均糙率根据公式（2-7）计算出不同植被覆盖度的平均糙率，如表4-5所示。糙率与植被覆盖
度的尖系如图4・11所示•从图中可以看出糙率随植被覆盖度的增大而增大，这与王升⑼】等人的研究结论相符。对图中的曲线进行拟合，拟合方程如下：n=0.0015V+0.036(R2=0.947)0.02-QI||1I■I010203040506070植械覆盖度(％)图4・11平均糙率与植被覆盖度的尖系Fig.4-11Relationshipbetweenaverageroughnessandvegetationcoveraged・平均糙率累积产沙量及BF累积流失量与植被覆盖度的尖系如图4・12所示•对图中的曲线进行拟合，拟合方程如下：W二51.49V+3090(R2=0.942)S二28V+32187(2=0.966)植被覆盖度(％)2E植被覆盖度(%)图4・12累积产沙量及BL累积流失量与植被覆盖度的尖系Fig.4-12RelationsofcumulativesedimentyieldandBfinrunoffwiththevegetationcoverage4.2不同秸秆覆盖量421不秸秆覆盖量对坡面物质迁移的影响a.径流变化过程(1)径流变化过程线
不同秸秆覆盖量条件下•坡面径流的动态变化过程可以通过径流变化过程线得以反映。图4・13给出了不同放水流量条件下的径流变化过程线。182-Q|||||||05101520253035(uw/q)»俟d冲刷时间(min)图4J3径流量随时间的变化过程Fig.4-13Runoffintensitychangedovertime由图4-13可知・裸坡及各覆盖量的玉米秸秆覆盖下小区的径流量随时间延长均呈先增加然后再趋于稳定的趋势・裸坡(覆盖量0)时径流量在前5min内急剧增长，5min以后增长较缓•基本达到稳定；有秸秆覆盖时径流量在前lOmin内保持较大增长趋势UOmin后基本稳定。这是因为裸坡时表层土壤很快达到饱和，之后径流基本不入渗，流量达到稳定；而有秸秆覆盖时•可延长产流时间•坡面径流持续入渗，较长时间才能达到稳定。(2)累积径流过程图4・14表示了不同秸秆覆盖量累计泥沙量总量随时间的变化尖系。5330522015O1A5O图4・14不同盖量下累计径流量的变化过程Fig.4-14Cumulativerunoffchangedovertimeunderdifferentcoverquantity
由图4・14可知，随着覆盖量的增加，累计径流量呈减小趋势，裸坡产流量为468.9L，与每平米500g、lOOOg、1500g覆盖量径流量对照相比・径流总量依次减少12%，19%和21%。说明秸秆覆盖能够增加土壤入渗-减少径流量，本研究结果偏小，是由于径流小区坡面土壤含水量偏高所致⑼】。地表径流随秸秆覆盖量增大径流减小的原因有二：一方面是随着盖量的增加，秸秆截留量增加；另一方面是随着盖量的增加•减小径流流速，增加入渗时间，从而增加入渗，进而减小径流。为进一步分析秸秆覆盖对径流的影响-对图4-13的径流累积过程线进行拟合，拟合结果如表4・6所示。表4・6不同秸秆覆盖下累计径流量变化曲线拟合尖系Table4-6Fittingcurveforchangesofcumulativerunoffunderdifferentcoverquantity秸秆覆盖量(g/m2)050010001500拟合方程y=15.5xy=13.5xy=10.18x,094y=12.77x,065R20.9990.9980.9990.993b.对坡面产沙量的影响(1)侵蚀产沙量变化过程700600(2)»弐细蟆型05101520253035冲刷时间(C图4・15不同盖量侵蚀产沙量变化过程Fig.4-15Sedimentyieldratechangedwithtimeunderdifferentcoverquantity图4・15给出了不同盖量侵蚀产沙量随时间的变化过程。由图4-15可以看出，其产沙量在前10min会出现小峰，尤其裸坡最为明显，这是由于初始阶段表层干土未能与下层土壤颗粒紧密结合而易被冲刷所造成的。随着冲刷的继续，坡面细沟迅速形成，并迅速溯源发育，随着细沟在三维方向的不断扩张•细沟周边土块塌落，被径流冲走•每一次塌落都导致径流含沙量迅速增大，反映在产沙量过程线上就是一次大的跳跃，如此反复，便出现了侵蚀产沙量呈锯齿状的变化规律。(2)累积产沙量
图4・16显示了不同秸秆盖量累计产沙量的变化趋势。
图4・16不同盖量累计泥沙量随时间的变化过程Fig.4-16Cumulativesedimentchangedovertimeunderdifferentcoverquantity由图4・16可以看出，有秸秆覆盖的小区累计产沙量要明显小于无秸秆覆盖的小区•说明秸秆覆盖减少侵蚀泥沙的效果显著。不同秸秆覆盖下小区的累计产沙量大小顺序为裸坡小区>每平米500g秸秆覆盖的小区>每平米lOOOg秸秆覆盖的小区>每平米1500g秸秆覆盖的小区。放水时间均为30min，裸坡小区的产沙总量为3322g；每平米500g秸秆覆盖的小区产沙总量为1152g•相对于裸坡的泥沙总量减少64.21%；每平米lOOOg覆盖的小区产沙总量为627.3g，相对于裸坡的泥沙总量减少81.12%；每平米1500g秸秆覆盖的小区产沙总量为306.lg，相对于裸坡的泥沙总量减少90.95%。植被减沙效应归因于两方面的原因：一方面由于秸秆的挡水作用，使坡面径流流速减少，对土的冲刷力减少；提高了土壤的抗蚀性。随着覆盖度的增大，地表粗糙度增大彳圣流出现所需时间越来越长⑼】•即土壤的湿润速度越来越慢•团聚体的破碎和结皮都较少⑼】•降低土壤产沙量。为进一步分析秸秆覆盖对坡面产沙量的影响，将图4-16的累积径流过程线用对数尖系进行拟合，拟合结果如表4・7所示。由表4・7可以看出•拟合曲线线对数项系数随覆盖度的增加而变小，变化范围为85.60〜885.3°表4・7不同秸秆覆量下累计径流量变化曲线拟合尖系Table4-7Fittingcurveforchangesofcumulativerunoffunderdifferentstrawcovers(g/m2)050010001500拟合方程R2Y=885.45(x)+402.30.994Y=320.55(x)+59.290.989Y=165.85(x)+66.990.999Y=85.605(x)+11.000.997c.对坡面径流Br•迁移过程的影响(1)径流中Bi"的浓度的变化规律
7033XSCK10015203035冲刷时间(t)图4・17不同下径流BL的浓度随时间的变化Fig.4-17Brconcentrationchangedovertimeunderdifferentstrawmulching图4-17为不同下径流溶质BL的浓度随时间的变化过程。由图可以看出，无论是裸坡还是有秸秆覆盖的小区，径流漠离子浓度总体表现随时间延长呈现递减过程。王全九等疏】通过室内模拟试验分析了黄土坡面径流溶质浓度的变化过程.并提出了等效对流传递模型，该模型认为径流溶质浓度随时间推移呈幕函数变化•尖系表示为：y=atb式中：y为径流溶质的浓度；t为产流时间；a，b均为参数。利用该公式拟合4个盖度下漠离子浓度与时间的尖系，拟合结果如表4・8所示。由表4・8可见，无论裸坡还是有秸秆覆盖，其溶质浓度隨时间的变化均可用幕函数描述，且相尖性很好。表牛8不同秸秆覆盖量径流溶质的浓度变化曲线拟合尖系Tabic4・8FittingcurveforchangesofBrconcentrationinrunoffunderdifferentstrawmulchingquantity(g/m2)拟合方程R20C(t)=635f108R2=0.947500C(t)=74Of,09R2=0.9771000C(t)=763.9f106R2=0.9051500C(t)=844.3f108R2=0.856(2)径流中Bi••累积质量的变化特征图4・18给出了不同下径流溶质BL的累计质量随时间的变化过程。
图4-18不同秸秆覆盖量径流溶质BF的累计质量随时间的变化Fig.4-18CumulativeBr"inrunoffchangedovertimeunderdifferentstrawmulching从图4・18可以看出•有秸秆覆盖的小区累计溶质流失量小于无秸秆覆盖的小区，说明秸秆覆盖能够少养分流失。不同秸秆覆盖下小区的径流溶质Br-累计流失量大小顺序为裸坡区〉每平米500g秸秆覆盖的小区〉每平米lOOOg秸秆覆盖的小区〉每平米1500g秸秆覆盖的小区。放水时间均为30min，裸坡小区的时累计流失量为32236mg；每平米500g秸秆覆盖的小区B广累计流失量为31337mg，相对于裸坡的BF累计流失量减少2.8%；每平米lOOOg秸秆覆盖的小区BL累计流失量为30747mg相对于裸坡的BL累计流失量减少4.62%；每平米1500g秸秆覆盖的小区Br•累计流失量为30645mg，相对于裸坡的Bi•「累计流失量减少4.93%。由于坡面的养分流失主要是通过径流和泥沙携带-因此植被是通过减少侵蚀而对养分流失产生影响。对图4・18的产流过程线用对数尖系进行拟合•拟合结果如表4・9所示。由表4・9可以看出•产流过程线对数项系数随覆盖度的增加而变增大，变化范围为7930~8443。表4・9不同秸秆覆盖径流溶质BL累计曲线拟合尖系Table4-9FittingcurveforcumulativeBfinrunoffunderdifferentstrawmulching覆盖量(g/m2)拟合方程R20y=7930Ln(x)+5399R2=0.996500y=7782Ln(x)+4818R2=0.9961000y=8099Ln(x)+3245R2=0.9981500y=8443Ln(x)+2159R2=0.9994.2.2不同秸秆覆盖度水力学特征的研究对秸秆覆盖量对坡面土壤侵蚀和养分流失的影响从水动力学角度来分析研究＜4-10显示了不同秸秆盖量下的水力参数：产流时间、平均流速、平均径流深、水力半径、雷诺数、费劳德数、阻力系数及糙率。
表4J0不同秸秆覆盖量水力学参数Tabic4-10Hydrodynamicparametersfordifferentstrawmulchingquantity秸秆覆盖/g/m2L汎口VIE/S平均流速平均径流水力半径苗"1右效平均糙率/剪切力/Pa()PH力系姒/(m・s)/mm/min0500」51.821.822631.0770.0431.243.27500780.092.512.492350.5970.0834.024.491000860.082.762.742160.4760.1056.324.9415001040.053.893.862090.2750.19218.876.95a.坡面水流的平均流速和平均水深图4・19给出了秸秆覆盖量与平均流速和平均水深之间尖系曲线，从可知，平均流速和平均水深均随秸秆覆盖量的增大而增大。经分析・平均流速和秸秆覆盖量的尖系可用幕函数拟合・拟合公式如下：v=0.58E-5S+0.146(R2=0.939)平均水深和秸秆覆盖量的尖系可用线性函数拟合•拟合公式如下：h=0.0013S+1.78(R2=0.939)0.2O0««1>0500100015002000秸秤覆盖重(g/m2)05O.02004006008001000120014001600秸秆覆盖里(&Zm2)73俄俱型密件(a)平均流速(b)平均径流深图4J9平均流速和平均水深与秸秆盖量的尖系Fig.4-19Relationsofaverageflowvelocityandaveragewaterdepthwithamountofstrawcoverb.坡面水流的流态判别根据公式(2・2)和(2・3)分别计算出不同秸秆覆盖量坡面汇流水流的雷诺数和费汝德数，计算结果见表。由表4・10可知，随着秸秆覆盖量的增加，坡面水流的雷诺数Rc逐渐减小，雷诺数变化范围为209〜263，均为层流。从表4-10也可以看出・不同秸秆覆盖量下坡面水流的费汝德数Fi■除了无秸杆，为急流，其余均小于1•为缓流。图4・19显示了雷诺数额弗洛得数与秸秆盖量的尖系•均可用线性函数拟合•拟合结果如下：Re=-0.036S+258(R2=0.938)
Fr=-0.0005S+0.993(R2=0.916)02004006008001000120014001600秸秤覆盖星(0m2)5251502.L0.(g)嵌俱型牡胖2004006008001000120014001600秸秤覆盖里(g/m2)图4・20雷诺数及弗洛得数与秸秆盖量的尖系Fig.4-20RelationsofReynoldsnumberandFroudenumberwithstrawcoverb.坡面水流阻力系数根据公式(2・6)计算出不同秸秆覆盖量阻力系数，如表4・10所示。阻力系数与秸秆盖量的尖系如图4-21所示，由图可知随着盖量增加阻力系数也随之增大。对图4-21中的曲线进行拟合•拟合方程如下：050521(3)埶曲-RS0f^l.35e0002Q(R2=0.983)02004006008001000120014001600秸秆覆盖里图4・21阻力系数与秸秆盖量的尖系Fig.4-21Relationshipbetweendragcoefficientandstrawcoverd・坡面水流剪切力及与其他水力参数的尖系根据公式(2・5)计算得不同处理的平均径流剪切力如表4・10所示。图4・22表示了平均径流剪切力与秸秆盖量的尖系，从图中可以看岀，随着秸秆覆盖量的增大，平均径流剪切力也增大。剪切力与秸秆盖量线性相矢，拟合方程如下所示：t=0.0023S+3.19(R2=0.940)
(启)KS1-Q03304006008001000120014001600秸秆覆盖里(g/m2)图4・22平均剪切力与秸秆覆盖量的尖系Fig.4・22RelationshipbetweenFlowshearstressandstrawcoverb.平均糙率根据公式(2-7)计算得不同处理的平均糙率如表4-10所示。图4-23表示了平均糙率与秸秆盖量的尖系，从图中可以看出•随着秸秆覆盖量的增大，平均径流糙率也增大。平均糙率与秸秆盖量线性相尖，拟合方程如下所示：n=0.0001S+0.36(R2=0.924)250502004006008001000120014001600秸秆覆盖里（&/^2）图4・23平均糙率与秸秆覆盖量的尖系Fig.4-23Relationshipbetweenroughnessandstrawcovere•产沙量及Br•流失量与秸秆覆盖量的尖系累积产沙量及BF累积流失量与秸秆覆盖度的尖系如图4・24所示•对图中的曲线进行拟合•拟合方程如下：W=2966e-00016S(R2=0.942)S=-1.072S+32046(”=0.966)
3032500320003150031000305003000001111111129500111111110200400600800100012001400160002004006008001000120014001600秸秆覆盖重（g/m2）秸秆覆盖重（g/m2）（a）累积产沙量（b）径流B「累积流失量图4-24累积产沙量及BF累积流失量与秸秆覆盖量的尖系Fig.4・24RelationsofcumulativesedimentandBr"cumulativeinrunoffwithstrawcover4.3不同碎石覆盖度前面研究了植被覆盖与秸秆覆盖对坡面物质迁移及坡面流水力特征的影响尖于碎石覆盖董文财⑼】等人在神木地区也有研究.为了进一步研究碎石覆盖对长武黄土沟壑区土壤侵蚀的作用，本文进行了不同碎石覆盖度及碎石类型的冲刷试验。碎石覆盖度为地面碎石有效覆盖面积占试验区总面积的比例。4.3.1不同碎石覆盖对坡面物质迁移的影响a.径流变化过程（1）径流变化过程线图4-25给出了不同碎石覆盖条件的径流变化过程线。由图4-25可知•碎石覆盖可以减小坡面将流量，碎石覆盖与植被覆盖对径流的影响不同之処在于，植被根系可以促进水分入渗，减少径流量•而碎石覆盖只是增加了坡面糙率，减小径流流速，增加入渗时间，从而增加入渗，减小径流量；由图4・25还可以看出，碎石有效底面积越小径流强度也越小。
碎石覆盖度（旳图4・25径流量随时间的变化过程Fig.4-25RunofFintensitychangedovertime^3M偵札（2）累积径流过程图4・26表示了不同碎石覆盖条件下累计径流总量随时间的变化曲线。50005101520253035碎石覆盖度（幻图4-26不碎石覆盖下同下累计径流量的变化过程Fig.4-26Cumulativerunoffchangedovertimeunderdifferentgravelcoverage从图4・26可以看出，碎石覆盖度每增加10%，径流量平均减少12%左右；不同碎石覆盖下荒草地小区的累计径流量大小排列顺序为：5%碎石覆盖荒草地＞有5%碎石覆盖（小型）的扌畧荒草地＞有15%碎石覆盖荒草地〉有25%碎石覆盖荒草地。可见，坡地侵蚀的径流量随着碎石覆盖度的增加而减小；并且，碎石有效底面积越小减流效果越好。为进一步分析碎石覆盖对径流的影响作用，对图4・26中各曲线进行线性拟合，拟合的结果见表4・11。从表4・11可以看出，累计径流量拟合曲线的一次项系数随覆盖度的增加而减小，变化范围是11.9~15.34。
表4・11不同碎石覆盖度下累计径流量变化曲线拟合尖系Table4-11Fittingcurveforchangesofcumulativerunoffunderdiflbrentgravelcoverage碎石覆盖度（%）515255(S=30CM2)y=11.53x1089y=&918x1125y=5.76xk223y=11.96x10620.9970.9970.9910.999b.对坡面产沙量的影响图4-27表示了不同碎石覆盖条件下径流泥沙含量量及累计泥沙量随时间的变化过程。碎石覆盖会对坡面侵蚀的泥沙产生显著影响。4504003503002502001501005005101520(£072)«鸟札•5灑盖度■15癩盖度▲25灑盖度x小型碎石5%253035碎石覆盖度（旳（a）产沙量4000350030002500200015001000•5燿盖度■15燼盖度▲25燼盖度X小型碎石5%4500500101520253035碎石覆盖度（％）（b）累积产沙量图4-27不同碎石覆盖条件径流泥沙量及累计泥沙量随时间的变化过程Fig.4-27Changeprocessofsedimentyieldrateandtheaccumulatedsedimentwithtimeunderdifferentrubblecoverage由图4・27可以看出，侵蚀中的累计泥沙量：不同碎石覆盖下荒草地小区的累计泥沙
量大小排列顺序为：5%碎石覆盖的荒草地〉小型5%碎石覆盖的荒草地＞15%碎石覆盖的荒草地＞25%碎石覆盖的荒草地。放水时间均为30min，有5%碎石覆盖的泥沙总量为3910g，小型5%碎石覆盖的泥沙总量为2589g•15%碎石覆盖的泥沙总量为1828g•25%碎石覆盖的泥沙总量为931.6g。由此可见•覆盖碎石单元本身大小（本文中为底面积）也会对侵蚀泥沙产生较大影响。在相同的覆盖度下，小型碎石单元减小泥沙的作用较明显。对图4-27中累积泥沙量各曲线进行拟合，拟合的结果见表4・12。从表4・12可以看出•累计径流量拟合曲线的对数项系数隨覆盖度的增加而减小，变化范围是282〜1243。表4・12不同碎石覆盖覆盖下累计泥沙量变化曲线拟合尖系Table4-12Fittingcurveofaccumulatedsedimentchangeunderdifferentgravelcover不同碎石覆盖度（%）515255(S=30CM2)拟合方程尸943Ln(x)+336y=476Ln(x)+186y=282Ln(x)-51.3y=741Ln(x)+126R20.9860.9970.9890.995c.对坡面径流Br•迁移过程的影响在黄土坡地水分及溶质迁移过程中，水分运动是溶质迁移的主要动力来源，溶质的迁移的主要载体是土壤水分。土壤溶质随降雨或上方来水沿坡面的迁移方式主要有以下两种：其一是土壤养分溶质随地表径流的迁移，也叫做溶质的坡面迁移；其二是土壤溶质随入渗水分和再分布的土壤水分垂直于坡面向土壤层的迁移，也叫做土壤溶质的剖面迁移。对于降雨的条件下，再坡地降雨过程中坡面产生径流之前时•坡地土壤溶质的主要以剖面迁移的方式为主，这个过程中入渗水分是溶质迁移的主要载体。而放水冲刷的条件下，坡面水流从放水冲刷幵始到坡面流流岀集水口所用时间比较短，即说初始产流时间较少，其中大部分坡面水流是以汇流的形式流出集水口，因此•这种情况坡地土壤溶质的迁以坡面迁移的方式为主。（1）径流中Br-的浓度的变化规律不同碎石覆盖度下径流溶质浓度隨时间的变化过程见图4-28。
图4・28不同碎石覆盖下径流中BL的浓度隨时间的变化Fig.4・28Bfconcentrationchangedovertimeunderdifferentrubblecoverage从图中可以看岀，各处理径流溶质BF的浓度随时间的增加均呈逐渐减小趋势。碎石覆盖并没有减小径流中Br•的浓度。这是由于，径流中养分浓度的大小主要取决于径流对土壤表层溶质的稀释作用和径流在坡面传递过程中与土壤溶质的相互作用。当相互作用大于稀释效应时•径流中的养分浓度增加-随着碎石覆盖度的增大＞在增加了江流的入渗和延迟产流的同时，加剧了径流与表层土壤的相互作用，相互作用的结果加速了土壤溶液中溶质向径流释放；在碎石覆盖度较小时，虽然碎石对径流消能作用小，径流的冲刷作用较强•但是碎石对径流截留小，则坡面流流速较快，与土壤溶质作用程度减小，因而，稀释作用大于径流与土壤相互作用，径流溶质浓度低；反之，覆盖度越大，径流量相应越小，进而径流溶质浓度越大。不碎石覆盖BF浓度曲线可用幕函数较好的拟合•拟合结果见表4-13。表4-13不同碎石覆盖度下径流溶质的浓度变化曲线拟合尖系Tabic4-13FittingcurveofBrconcentrationunderdifferentrubblecoverage不同碎白覆盖度(%)拟合方程R25C(t)=503.6f147R2=0.99915C(t)=408.7f125R2=0.95825C(t)=716.3t"142R2=0.7165(S=30CM2)C(t)=434.5f145R2=0.974(2)径流中BL累积质量的变化特征碎石覆盖在影响坡面径流的同时也同样的影响着随径流迁移的溶质质量。图4・29给出了不同碎石覆盖随时间径流溶质BF的累计质量的变化过程。
图4-29不同碎石覆盖下径流溶质BL的累计质量随时间的变化Fig.4・29CumulativeBr"inrunoffchangedovertimeunderdifferentstonecover从图4・29可知，不同碎石覆盖扌畧荒地小区的径流溶质BL的累计质量大小顺序如下：5%碎石覆盖扌畧荒草地〉小型5%碎石覆盖荒草地＞15%碎石覆盖荒草地＞有25%碎石覆盖荒草地。可见•土壤侵蚀过程中的径流溶质BL的累计质量随着碎石覆盖度的增大而减小；相同的覆盖面积下・碎石单元底面积小的碎石要比单元底面积大的碎石覆盖径流BL累计质量减小的多。相同放水时间，5%碎石覆盖的地径流Bi"的总质量为14778mg，小型5%碎石覆盖地径流溶质BF的总质量为13311mg，15%碎石覆盖地径流溶质BF的总质量为12863mg•25%碎石覆盖随径流迁移溶质BF的总质量为13983mg0表4-14不同碎石覆盖径流溶质Br•累积质量的变化曲线拟合尖系P3Table4-14FittingcurveofaccumulatedBfinrunoffunderdifferentnibblecoverage不同碎白覆盖度（%）拟合方程R25y=26585(x)+6166R2=0.98615y=2808Ln(x)+3886R2=0.99925y=3393Ln(x)+1766R2=0.9935(S=30CM)y=2324Ln(x)+6399R2=0.9894.3.2不同碎石覆盖水力学特征的研究对碎石覆盖覆盖对坡面土壤侵蚀和养分流失的影响从水动力学角度来分析研究。表4-15显示了不同秸秆盖量下的水力参数：产流时间、平均流速、平均径流深、水力半径、雷诺数、费劳德数、阻力系数及糙率。
4-15不同碎石覆盖水动力学参数Tabic4-15Differentgravcl-covcrcdhydrodynamicparameters覆盖度产流时间平均流速/(ms-1)平均径流深/mm水力半径/mm雷1右釵弗洛得平均糙率/平均剪切力/Pa阻力系数(%)/s数(m13s)5470.1431.7851.7792531.0670.04373.201.2615580.1141.9771.9702240.8080.05873.552.2025690.0962.1112.1022010.6590.07273.783.30(小型)5530.1261.9421.9342440.9070.05213.481.74a.坡面水流的平均流速和平均水深图4・30给出了碎石覆盖与平均流速和平均水深之间尖系曲线，从可知，平均流速和平均水深均随碎石覆盖的增大而增大。经分析・平均流速和碎石覆盖的尖系可用线性函数拟合・拟合公式如F:v=・0.234R+0.152(R2=0.98)平均水深和碎石覆盖的尖系可用线性函数拟合•拟合公式如下：(a)平均流速(b)平均径流深图4-30碎石覆盖度与平均流速和平均水深尖系Fig.4-30Relationsofaverageflowvelocityandaveragewaterdepthwiththegravelcoverageb.坡面水流的流态判别根据公式(2・2)和(2・3)分别计算出不同碎石覆盖度坡面水流的雷诺数和费汝德数计算结果见表4・15。由表4・15可知，随着碎石覆盖的增加•坡面水流的雷诺数Re逐渐减小，变化范围为201〜253，均为层流。从表4・15也可以看出，5%碎石覆盖是坡面水流的费汝德数Fr均大于1，为急流；其余处理随着覆盖度增大，弗洛得数变小，均小于1，为缓流。图4-31显示了碎石覆盖度与平均流速和平均水深之间尖系曲线，分别可用线性函数拟合，拟合结果如下：Re二261R+265(2=0.993)Fr二2.04R+1.15(2=0.976)
isQI」」」iii0%5%10%15%20%25%30%碎石覆盖度WQI11111I0%5%10%15%20%25%30%碎石覆盖度5(a)雷诺数(b)弗洛得数图4・31碎石覆盖度与雷诺数和弗洛得数的尖系Fig.4-31RelationsofReynoldsnumberandFroudenumberwiththegravelcoveragec.坡面水流阻力系数根据公式(2-6)计算出不同碎石覆盖度阻力系数・如表4-15所示。阻力系数与碎石覆盖度的尖系曲线图4・32所示。对图中的曲线进行拟合，拟合方程如下：425.4R+0.0503(R2=0.997)765432isQI11II110%5%10%15%20%25%30%碎石覆盖度（幻图4・32阻力系数与碎石覆盖度的尖系Fig.4-32Relationshipbetweenresistancecoefficientandgravelcoveraged・坡面水流剪切力根据公式(2-5)计算得不同处理的平均径流剪切力如表4-15所示。图4-33表示了平均径流剪切力与碎石覆盖度的尖系。由图可以看出，随着碎石覆盖度的增大•平均径流剪切力也增大。对该曲线进行拟合拟方来水流量呈线性正相尖，拟合方程如下所示：t=2.9R+3.07(R2=0.989)
28IIIIIII0%5%10%15%20%25%30%碎石覆盖度(％)图4・33平均剪切力与碎石覆盖度的尖系Fig.4-33Relationshipbetweenflowshearstressandgravelcoveragee・糙率根据公式(2・7)计算得不同处理的平均径流剪切力如表4・34所示。图4・34表示了平均糙率与碎石覆盖度的尖系，可以看出•随着碎石覆盖的增大•平均糙率也增大。对该曲线进行拟合拟方来水流量呈线性正相尖，拟合方程如下所示：n=0.145R+0.037(R2=0.999)432oooo.o.o.o.o.o.o.UM架轻胖0.01・QII||||0%5%10%15%20%25%30%碎石覆盖度图4-34平均糙率与碎石覆盖度的尖系Fig.4-34Relationshipbetweenaverageroughnessandgravelcoverage4.4小结本章研究了不同植被盖度度、秸秆覆盖量和碎石覆盖对坡面径流、径流含沙量以及可溶性溶质在放水冲刷条件下的影响。得到了以下主要结论：(1)随着植被覆盖度0%增加到60%•植被覆盖使产流时间滞后•坡面流速减小，坡面糙率增大，累积径流量减少16.1%、产沙量减少96.2%、溶质流失量减少22.3%；其溶质浓度随时间的变化均可用幕函数描述。坡面糙率与植被覆盖度的尖系可用线性函数拟合•拟合方程为：n=0.0015V+0.036(”=0.947)；累积产沙量及累计Bi"流失量与植被覆盖度均呈良好的线性矢系。(2)随着秸秆覆盖量从0增加到15000/，秸秆覆盖使产流时间滞后，坡面糙率增大•累积径流量减少21%、产沙量减少91.0%、溶质流失量减少5.0%:其溶质浓度随时间的变化均可用幕函数描述；累积产沙量及累计BF流失量与秸秆覆盖量均呈良好的线性尖系。坡面糙率增大可导致其流速减小，增加了表层土壤养分与地表径流的作用，使溶解和解吸于单位径流中的BL含量增加，但还是减少了总径流Br•流失量；坡面糙率与秸秆覆盖量的尖系可用线性函数拟合-拟合方程为：n=0.0001S+0.36(R2=0.924)
；累积产沙量及累计B广流失量与秸秆覆盖量均呈良好的线性尖系。(3)碎石覆盖与植被覆盖对径流的影响不同之处在于，植被根系可以促进水分入渗，减少径流量•碎石不能；碎石覆盖只是增加了坡面糙率•改变了坡面流的水力学特征，减小径流流速，增加入渗时间•从而增加入渗•减小径流量，进而减小径流泥沙含量•减少可溶性溶质随径流流失量；碎石覆盖度在5%和25%之间每增加10%，累积产沙量减少50%，累积径流减少12%；坡面糙率与碎石盖度的尖系可用线性函数拟合，拟合方程为：n=0.145R+0.037(R2=0.999)。还有，相同的覆盖度下，小型碎石减流减沙的作用较好；碎石有效底面积越小，坡面平均糙率越大。
5不同覆盖类型水动力学参数与物质迁移尖系研究土壤侵蚀是当今世界普遍尖注的环境问题之一，尤其是对于那些发展中国家来说，因严重的土壤侵蚀而导致的水土流失问题已成为其发展的主要障碍。因此要改善生态环境•促进经济的发展•就必须先解决好土壤侵蚀这一环境问题。近十几年来，随着对侵蚀机理研究的不断深入，越来越多的许多学者也逐渐将水流动力学、泥沙动力学等的知识应用到坡面侵蚀问题的研究中，这不仅会促进土壤侵蚀预报的研究，同时也有助于人们对土壤侵蚀机理的深入认识。本文以黄土坡面冲刷条件下坡面水流的水力学特征参数及与坡面物质迁移实验资料的对比分析为出发点，试图获得黄土坡面水流侵蚀、物质迁移特征的水力学解释，为探明黄土坡面水流力侵蚀的水动力学特点及规律奠定一定基础。5.1径流水动力参数之间的矢系5.1.1雷诺数弗洛得数的尖系对于费汝德数与雷诺数的的尖系曲线见图5・1。从图5・1可知•弗洛得数与雷诺数正比例，对图中的曲线进行拟合•雷诺数Re与费汝德数Fr之间显著正相尖，拟合方程为：Fr=0.016Rc-3.04(R2=0.882)图5・1费汝德数与雷诺数的尖系Fig.5-1RelationshipbetweenFroudenumberandReynoldsnumber5.1.2阻力系数与雷诺数的矣系雷诺数与阻力系数的尖系如图5・2所示，拟合方程为：Fr=-0.2338Re+60」5(2=0.627)
205-A050100150200250300雷诺数Re图5-2阻力系数与雷诺数的尖系Fig.5-2RelationshipbetweenresistancecoefficientandReynoldsnumber5.1.3坡面水流剪切力与其他水力参数的矢系在坡面侵蚀的水动力学研究中，一个重要的水力学参数就是坡面水流的剪切力。已有前人的研究⑼】表明.坡面水流的侵蚀能力与水流的剪切应力之间有着密切的尖系，认为坡面水流的侵蚀能力水流的切应力呈正相尖尖系，即水流的剪切力越大则侵蚀能力越大。a.剪切力与雷诺数的矢系图5-3表示了平均剪切力与雷诺数Re尖系，从图5-3可以看出剪切力与雷诺数同时增大。并对曲线进行拟合•发现剪切力与与雷诺数也呈线性相尖-拟合方程如下所示：T=-0.0632Re+19.37(”=0.873).QIIIIIII050100150200250300雷诺数腕图5-3剪切力与雷诺数的尖系Fig.5・3RelationshipbetweenflowshearstressandReynoldsnumberb.剪切力与阻力系数的矢系图5・4为各处理平均径流剪切力与阻力系数的尖系。如图5・4所示，坡面汇流水流的平均径流剪切力随着阻力系数f的增大而增大，说明坡面汇流水流在流动的过程中，径流的平均径流剪切力越大，则相应的阻力也越大。进一步对剪切力与阻力系数的尖系用线性函数进行线性拟合・可得：t=0.2168R3.2(R2=0.884)。
1・QIIIIIIIII1102468101214161820阻力系数£图5-4径流剪切力与阻力系数的尖系Fig.5・4RelationshipbetweenFlowshearstressandresistancecoefficient5.1.4雷诺数与糙率的尖系另一个被各国学者普遍尖注的水力学参数则是糙率系数n-1771。糙率系数n为表征水流流动边界表面影响水流阻力的各种因素的一个综合系数，其大小受到坡面土壤的性质、表面覆盖物的覆盖程度以及水流运动边界的形态特征等因素的共同影响。尖于糙率系数n和坡面侵蚀量间的尖系目前的认识还不统一。糙率与雷诺数的尖系如图5・5所示，两者的矢系进行线性拟合，可得：n=-0.002Re+0.658(R2=0.842)OO.OUM架密片001A50JLI3502:|02雷诺数Re图5-5平均糙率与雷诺数的尖系Fig.5-5RelationshipbetweenaverageroughnessandReynoldsnumber5.2径流水动力学参数与坡面物质迁移的矢系5.2.1径流水动力参数与径流量的尖系a・雷诺数及阻力系数与径流量的尖系利用雷诺数(Re)判别水流的流态•它表征的是惯性力与粘滞力的出值，雷诺数越大表明水流越不稳定。
图5-6表不了累积径流量与雷诺数的尖系，累积径流量与雷诺数表现出正相尖线性尖系，拟合方程为：L=1.95Re-44.2(R2=0.986)。5040Q||||||050100150200250300雷诺数Re图5-6累积径流量与雷诺数的尖系Fig.5-6RelationshipbetweencumulativerunoffandReynoldsnumberb・径流量与弗洛得数的尖系图5-7表示了累积径流量与弗洛得数的尖系，可用线性函数拟合，拟合方程如下:L=106Fr+338(R2=0.829)°图5-7累积径流量与弗洛得数的尖系Fig.5-7RelationshipbetweencumulativerunoffandFroudenumberC•径流量与阻力系数的尖系图5-8表示了累积径流量与阻力系数的尖系，可用线性函数拟合•拟合方程如下:L=458f0084(R2=0.86)
504540353050•QI|||||||||02468101214161820阻力系数£图5-8累积径流量与阻力系数的尖系Fig.5-8Relationshipbetweencumulativerunoffandthedragcoefficientd.累积径流量与径流剪切力的矢系图5-9为径流剪切力与累积径流量之间的尖系•采用线性方程拟合，拟合尖系为:L=6O8t"027(R2=0.735)。图5・9累积径流量与平均剪切力剪切力的尖系Fig.5・9Relationshipbetweencumulativerunoffandtheflowshearstresse.累积径流量与平均糙率n的矢系图5-10表示了累积径流与平均糙率之间的尖系，用幕函数进行拟合，拟合方程为:L=608严6(r2=o.921)
平均孵n图5・10累积径流量与平均糙率的尖系Fig.5-10Relationshipbetweencumulativerunoffandthetheaverageroughness522径流水动力参数与产沙量的尖系a.产沙量与雷诺数的矢系利用雷诺数(Re)判别水流的流态，它表征的是惯性力与粘滞力的比值，雷诺数越大表明水流越不稳定。图5・11为累积产沙量与雷诺数之间的尖系，累积径流泥沙含量与雷诺数表现出正相尖线性尖系‘拟合方程为:W泥沙=71.6Re・14902(R2=0.844)°432图5-11径流含沙量与雷诺数的尖系Fig.5-11RelationshipbetweenrunoffsedimentandReynoldsnumberb.径流含沙量与弗洛得数的矢系图5・12•表示了含沙量与弗洛得数Fi•的尖系•在对该曲线进行拟合•拟合方程为：W泥沙=4466Fr・1456(R2=0.941)
005001=111100.20.40.60.811.2弗洛得数氏图5-12径流含沙量与弗洛得数的尖系Fig.5-12RelationshipbetweencumulativesedimentandFroudenumberc.径流含沙量与径流剪切力的矢系图5・13径流剪切力与累积径流泥沙含量之间的矢系•采用线性方程拟合•拟合方程为:W泥沙=4546严(R2=0.968)。图5J3累积含沙量与径流剪切力的尖系Fig.5-13Relationshipbetweenaccumulatedsedimentandflowshearstressd.径流含沙量与阻力系数的矢系阻力系数f反应了F垫面对水流的水力阻力大小。图5・14为阻力系数与累积径流泥沙含量之间的尖系，采用幕函数拟合•拟合方程为:W泥沙=2.3E+5f3.7i(r2=0.899)。
ooooooooooooooo54321305101520阴力系数£图5.14累积含沙量与阻力系数的尖系Fig.5-14Relationshipbetweenaccumulatedsedimentandthedragcoefficiente.径流含沙量与糙率的尖系尖于糙率系数n和坡面侵蚀量间的尖系目前的认识还不统一一部分学者认为糙率系数越大侵蚀量越小。图5・15为平均糙率与累积径流泥沙含量之间的矢系，采用幕函数拟合‘拟合方程:W泥沙=6・47rf2(r2=0.965)。0050oooOoooOoooO43210.050.10.150.2平均糙率n图5J5累积含沙量与糙率的尖系Fig.5-15Relationshipbetweenaccumulatedsedimentandtheroughness5・3小结水流是坡面流侵蚀的源动力本文通过不同覆盖类型坡面流动力学特性和径流泥沙流失量的相尖分析得出以下几点主要结论：(1)雷诺数与弗汝德数、阻力系数与径流剪切力呈正的线性矢系，雷诺数与阻力系数、剪切力、糙率呈负的线性尖系。糙率与雷诺数的拟合尖系为:n=-0.002Re+0.658(R2=0.842)。(2)雷诺数越大表明水流越不稳定，径流泥沙含量就会越高。累积径流泥沙含量与雷诺数、弗洛得数表现出良好的正相尖线性尖系。径流剪切力与累积径流泥沙含量之间的拟合尖系为:W泥沙=4546宀叫R2=0.968)；糙率与累积泥沙含量的拟合尖系为:W^=6.47n2(R2=0.965)。
6不同碎石分布格局坡面物质迁移及坡面流水力特性的研究6.1对坡面物质迁移的影响6.1.1径流变化过程在上方来水流量恒定条件下，由于下垫面条件的变化，导致流速有所差异，从而使地表径流发生相应的变化，最终引起坡面土壤侵蚀量有所不同。因此，研究不同碎石分布格局条件对产流的影响•对于分析各种格局措施保持水土的功能具有重要意义。a・径流变化过程线图6-1、6-2分别显示了不同碎石格局的径流变化过程及累积径流变化过程。161412W8642(.51W5M俱型坡顶一坡中一•-坡底353025冲刷时间(min)(b)累计径流量图6・1不同碎石格局径流强度和累计径流量的变化过程•一X•一X•一X•一XSOoooO5050505332211n-0510152025冲刷时间(min)3035
(a)径流量Fig.6-1Runoffintensityandcumulativerunoffchangedovertimeunderdifferentpatternsofthegravel
由图(a)可知，不同碎石分布格局径流量小区的径流量随时间延长均呈先增加然后再趋于稳定的趋势。从图(b)可以看出•三种不同碎石分布格局条件下累积产流量，大小顺序为：坡底分布〉坡顶分布〉坡中分布，坡中分布的产流量最小。坡中分布格局不仅对坡面上部的径流有拦截作用，而且对坡面下部的径流有减缓流速，而减少冲刷的作用，另外其本身也有存储水源，量增加入渗的作用。坡顶分布仅对坡面上部拦截的径流，对坡中和坡底一泻而下的径流没有受到任何阻挡，因此这种格局的减流量小于坡中分布格局；坡底分布格局对坡面中上部没有起到减缓流速，消能作用，这种情况下的坡面水流径流到达坡下时，流量都很大，极容易中间形成股流，受到碎石拦截的水流断面减小，形成能量较大的径流。因此，坡底碎石格局的径流量最大，坡中分布格局对坡面产流量的减少所起的作用大于坡顶和坡底分布格局。将图(b)的累积径流过程线用幕函数数尖系进行拟合，拟合结果如表6-1所不°表6・1不同碎石分布格局累计径流量变化曲线拟合尖系Tabic6-1Fittingcurveforchangesofaccumulatedrunoffunderdifibrentdistributionpatternsofgravel碎石格局坡顶坡中坡底拟合方程y=7.29x1182y=6.848x1181y=8.626x1148R20.9980.9990.9986.1.2对坡面产沙量的影响图6・2和图6・3分别表示了不同碎石格局侵蚀产沙量变化过程和不同碎石格局累计泥沙量随时间的变化过程。图6-2不同碎石格局侵蚀产沙量变化过程Fig.6-2Sedimentyieldratechangedwithtimeunderdifferentpatterns
900800700600500400300200100005101520253035冲刷时间（min）图6・3不同碎石格局累计泥沙量随时间的变化过程Fig.6-3Cumulativesedimentchangedovertimeunderdifferentpatternsofgravelwithtime从图6・2可知，侵蚀产沙量过程曲线在前5分钟均会出现波峰，这是由于初始阶段表层干土未能与下层土壤颗粒紧密结合而易被冲刷所造成的。随着冲刷时间的延长，产沙量呈变小趋势。三种处理，坡面平均产沙率依次为坡顶27.5g/min•坡中23.8g/min•坡底13.8g/min。从图6-3可知•累积产沙量顺序为：坡顶〉坡中〉坡底。这是因为•坡顶碎石分布格局尽管对整个坡面起到了减缓流速，减少流量的作用，但是对坡面中下部的径流和泥沙不会起到任何作用，仅能拦截顶部泥沙；而坡底格局的碎石不但可以通过自身机械作用阻挡整个坡面的径流泥沙流失，还能够通过泥沙沉积改变坡面微地貌形态，减缓坡度-从而减少土壤侵蚀量。将图6-3的累积泥沙过程线用对数尖系进行拟合，拟合结果如表6-2所示。表6・2不同碎石分布格局累计径流量变化曲线拟合尖系Table6-2Fittingcurveforchangesofaccumulatedrunoffunderdifferentdistributionpatternsofgravel碎石格局坡顶坡中坡底拟合方程y=285Ln(x)+226y=187Ln(x)+107y=90.2Ln(x)+84R20.9650.9880.9766.1.3对坡面径流BF迁移过程的影响a・径流中BF的浓度的变化规律图6・4为不同碎石格局下径流溶质BL的浓度随时间的变化过程。
□『3—xq任俟型图6・4不同碎石格局径流BF的浓度随时间的变化Fig.6-4Br"concentrationchangedovertimeunderdiflerentgravelpattern由图6・4可以看出-不同分布格局下径流溶质BL的浓度变化特征为：总的都是放水前期径流溶质Br•的浓度较高，随着放水的进行径流溶质Br•的浓度迅速衰减，之后逐渐径流溶质BF的浓度微微波动并衰减趋于一个较小的浓度值。三种处理，径流BL的平均浓度从大到小依次为：坡中47.55mg/L，坡顶45.57mg/L，坡底31.14mg/L。这是由于径流中养分浓度的大小主要取决于径流对土壤表层溶质的稀释作用和径流在坡面传递过程中与土壤溶质的相互作用；由前面可知•不同処理的径流强度为：坡底〉坡顶〉坡中•径流强度不同，径流稀释作用与径流与土壤相互作用各占比例不同。对不同处理径流溶质B广的浓度递减曲线进行幕函数拟合分析，拟合结果见表6-3所示。由表6-3可知，径流溶质Br-的浓度的衰减曲线利用幕函数拟合结果较好，且系数随着来水量增大呈减小趋势。这说明对于不同下径流溶质BF的浓度随时间的变化过程•利用幕函数可以更好的反映其衰减过程，这一试验结果与王全九⑻】、王辉⑻】的研究结果相一致。表6-3不同碎石分布格局径流溶质BF的浓度变化曲线拟合尖系Table6-3FittingcurveforchangesofBr"concentrationunderdifferentgraveldistributionpatterns不同碎石分布格局拟合方程R2坡顶C(t)=469fk28R2=0.98坡中C(t)=502f134R2=0.973坡底C(t)=220严R2=0.96b.径流中BF累积质量的变化特征图6・5给出了不同碎石格局径流溶质Bi"的累计质量随时间的变化过程。
60IJU140001200010000顶中底坡坡坡♦一▲QIIIIIIII05101520253035冲刷时间（min）图6-5不同碎石格局径流溶质BF的累计质量随时间的变化Fig.6-5CumulativeBr"inrunoffchangedovertimeunderdifferentgravelpatterns从图6-5可以看出•坡底碎石格局减少养分流失的效果最显著。各处理径流Br-流失总量从大到小依次为：坡顶13442mg•坡中12842mg-坡底11019mg；坡底养分流失量分别比坡上和坡中减少18.02%•14.2%。这是由于•坡面养分流失主要是通过径流泥沙携带-与土壤侵蚀量密切相尖。将图6-5的径流累积Br-量隨时间的过程线用对数尖系进行拟合‘拟合结果如表6・4所示。表6-4不同碎石格局径流溶质BF的浓度变化曲线拟合尖系Table6・4FittingcurveofBrconcentrationchangingunderdifferentgravelpattern不同碎石分布格局拟合方程R2坡上y=2927Ln(x)+3560R2=0.999坡中y=2583Ln(x)+4164R2=0.999坡下y=2883Ln(x)+902R2=0.9736.2不同碎石分布格局水力学特征的研究6.2.1对基本水力参数的影响表6-5显示了碎石分布格局下的水力参数：产流时间、平均流速、平均径流深、水力半径、雷诺数、费劳德数、阻力系数及糙率。
表6・5不同碎石格局水力参数Tabic6・5Hydraulicparametersunderdifferentpatternsofgravel碎石格局产流时间/S平均流速/(m*s1)平均径流/mm水力半径/mm雷诺数弗洛得数平均糙率/剪切力/(m"1/3*s)(Pa)阻力系数坡顶480.1052.2282.2182320.70130.06893.992.91坡中450.0992.2352.2252190.65900.07344.013.30坡底520.1082.2562.2462420.71940.06734.042.77表6-5可知•不同碎石分布格局下•坡面水动力学参数表现出较大的差异。产流时间从小到大顺序依次为坡中、坡顶、坡底；平均流速、雷诺数、弗劳德数及平均径流剪切力按坡中、坡顶、坡底的顺序依次增大；平均径流深和水力半径按坡顶、坡中、坡底的顺序依次增大；坡面平均糙率和阻力系数按坡中、坡顶、坡底的顺序依次减小。坡中格局的坡面平均糙率，比坡顶格局的增加了6.5%•比坡底格局的平均糙率增加了9.0%。622对不同碎石格局水力特征空间变化的研究a.平均流速及平均径流深的空间变化图6-6分别给出了不同格局下各小区上、中、下(分别用A、B、C表示)各断面与整个坡面(AVER)的平均流速与平均水深的变化。图6-6平均流速与平均水深与碎石位置的尖系Fig.6-6Relationsofflowvelocityandaveragewaterdepthwithgraveldistributionpatterns从图6-6可知，不同碎石格局下的平均流速和平均水深在小区上中下不同位置大小变化明显。碎石坡顶分布处理：平均流速的大小顺序为AAVER>B>C；碎石坡中分布：BAVER>A>C；坡底分布処理：CA>AVER>B。由此可见，不同碎石格局条件下，小区上中下三部分的平均流速及平均水深均因碎石格局的不同而产生有规律的变化并且平均流速与平均水深负相尖。
b.坡面水流的流态判别图6・7分别给岀了不同碎石分布格局下各小区上、中、下（分别用A、B、C表示）各断面与整个坡面（AVER）的雷诺数与弗洛得数的变化。匚认醪CDAVERoooooO543210222222碎石位置图6・7坡面上中下位置的雷诺数与弗洛得数Fig.6-7ReynoldsnumberandFroudcnumberfor3positionsofslope从图6-7可知，不同处理，坡面上中下断面的雷诺数基本保持不变，坡中分布雷诺数最小，坡底分布雷诺数最大；而弗洛得数变化较大-坡顶分布弗洛得数的大小顺序为AAVER>B>C；碎石坡中分布：B>AVER>A>C；坡底分布処理：C>A>AVER>B。由此可见，不同碎石格局条件下‘小区上中下三部分的阻力系数与径流剪切力均因碎石格局的不同而产生有规律的变化并且变化趋势与径流深的变化一致。
e.坡面水流剪切力及与其他水力参数的矢系图6・9分别给出了不同碎石分布格局下各小区上、中、下(分别用A、B、C表示)各断面与整个坡面(AVER)糙率的变化。□ASBKOAVER坡上坡中坡底碎石位蓋0.1200.100u^■0.080^0.060胖0.0400.0200.000图6-9坡面上中下位置糙率变化Fig.6-9Roughnesschangedwith3locationofslopesurface从图6・9可知，不同碎石格局下糙率在小区坡面上中下不同位置大小变化明显。碎石坡顶分布处理：A>AVER>B>C；碎石坡中分布：B>AVER>A>C；坡底分布处理：C>A>AVER>B0由此可见-不同碎石格局条件下，小区上中下三部分的平均糙率因碎石格局的不同而产生有规律的变化•并且与平均水深的变化规律一致。6.3小结本章研究了野外径流冲刷条件下不同碎石格局对黄土坡面产流产沙养分流失规律及坡面水流的水力特征，研究结果如下：(1)三种不同碎石分布格局条件F累积产流量，大小顺序为：坡底分布〉坡顶分布〉坡中分布。不同格局产沙情况：坡面平均产沙率依次为，坡顶27.5g/min、坡中23.8g/min、坡底13.8g/min；累积产沙量：坡上〉坡中〉坡底。不同碎石格局下•径流的平均浓度依次为：坡中47.55mg/L，坡上45.57mg/L•坡下31.14mg/L。幕函数可以很好的拟合BL浓度递减曲线。各处理径流BL流失总量依次为：坡顶13442mg•坡中12842mg•坡底11019mg；坡底养分流失量分别比坡上和坡中减少1&02%，14.2%。(2)不同碎石分布格局下・坡面水动力学参数表现出较大的差异。产流时间从小到大顺序依次为坡中、坡顶、坡底；平均流速、雷诺数、弗劳德数及平均径流剪切力按坡中、坡顶、坡底的顺序依次增大；平均径流深和水力半径按坡顶、坡中、坡底的顺序依次增大；坡面平均糙率和阻力系数按坡中、坡顶、坡底的顺序依次减小。坡中格局的坡面平均糙率，比坡上格局的增加了6.5%•比坡底格局的平均糙率增加了9.0%。不同碎石格局下水力学参数在小区上(A)中(B)下(C)不同位置大小也出现差异：其中雷诺数基本保持不变；
平均流速、弗洛得数的大小规律表现为，坡顶分布：AAVER>B>C•坡中分布：B>AVER>A>C，坡底分布：C>A>AVER>B。
7结论与建议7.1结论本文采取理论分析与试验研究相结合的方法进行深入研究，得出如下主要结论：(1)在坡度一定的情况下，上方供水量越大坡面径流量也越大，相同放水历时内的侵蚀泥沙量也越多，而且侵蚀泥沙量随放水时间的波动变化也越强烈。不同上方来水条件下径流溶质BL的浓度随时间的变化呈现幕函数尖系。(2)通过分析坡面水流的水动力特征，结果表明坡面水流的平均流速与上方来水量之间呈较好的幕函数尖系-雷诺数Re随着总供水强度的增加而增大。坡面水流的雷诺数均小于480•坡面水流的流态为层流；坡面水流费汝德数的变化范围是1.54~3.14，坡面水流均为急流。坡面水流的阻力系数f随着雷诺数Re的增大而增大，阻力系数f与雷诺数Re呈较好的幕函数尖系。(3)植被覆盖度从0%到60%，产流时间滞后，坡面流速减小•累积径流量减少16.1%、产沙量减少96.2%、溶质流失量减少22.3%，坡面糙率与植被覆盖度的尖系可用线性函数拟合：n=0.0015V+0.036(R2=0.947)。秸秆覆盖从0到1500g/n?，产流时间滞后，累积径流量减少21%、产沙量减少91.0%、溶质流失量减少5.0%，糙率与秸秆盖量的尖系可用线性函数拟合：n=0.0001S+0.36(R2=0.924)。碎石覆盖度越高减流减沙效果越好；相同的碎石覆盖度(5%)的坡面侵蚀中-碎石单元类型底面积小的要比底面积大的减流减泥沙效果好。不同类型覆盖减小径流溶质BL的效果也很显著•径流溶质Bi•-的平均浓度并未随覆盖度增大呈减小趋势，但总的流失量呈减少趋势。(4)不同覆盖类型，平均剪切力、阻力系数、平均糙率均随随覆盖度增大而增大，坡面坡面平均流速、累计径流量、累计产沙率均随糙率系数n的增加而减小，累计径流量与糙率的拟合尖系：L=277.8n016(R2=0.921)；累计产沙量与糙率的拟合尖系：W=6.47n20(R2=0.965)。(5)不同碎石分布格局・累积产流量大小为：坡底分布〉坡顶分布〉坡中分布；产沙情况：坡面平均产沙率依次为-坡顶27.5g/min、坡中23.8g/min、坡底13.8g/min0径流Br_的平均浓度依次为：坡中47.55mg/L，坡上45.57mg/L，坡下31.14mg/L。幕函数可以很好的拟合BL浓度递减曲线。(6)不同碎石分布格局下•坡面水动力学参数表现出较大的差异。平均流速、雷诺数、弗劳德数及平均径流剪切力按坡中、坡顶、坡底的顺序依次增大；平均径流深和水力半径按坡顶、坡中、坡底的顺序依次增大；坡面平均糙率和阻力系数按坡中、坡顶、坡底的顺序依次减小。坡中格局的坡面平均糙率，比坡上格局的增加了6.5%•比坡底格局的平均糙率增加了9.0%。不同碎石格局下水力学参数在小区上(A)中(B)下(C)不同位置大小也出现差异：其中雷诺数基本保持不变；平均流速、弗洛得数的大小规律表现为，坡顶分布：AAVER>B>C，坡中分布:B>AVER>A>C，坡底分布：C>A>AVER>B。
7.2建议(1)本文只进行了上方来水条件下•黄土坡面土壤侵蚀及养分流失的研究-以后应在上方来水与降雨共同作用条件下，对各因素进行研究。(2)本文运用明渠流水力学原理对水力侵蚀过程中的各水力学参数进行分析，后面的研究中应尝试将其他理论运用到土壤侵蚀水动力特征的研究中。(1)本试验中只考虑了径流中养分流失•以后的研究应考虑泥沙中携带引起的养分流失。
致谢时光如梭，三年的研究生生活随着毕业论文的收笔，即将划上句号，将近二十年的学生生涯也即将谢幕。硕士论文的顺利完成是对我这三年努力的最大回报，也归功于我恩师和家人以及无数位给过我无私帮助的老师、同学和朋友。毕业来临之际，首先要深深感谢我尊敬的导师一吴军虎副教授。就读期间，无论是在学习还是在生活上，导师都给予了我亲切的矢怀和孜孜不倦的教诲。他治学严谨、学识渊博、平易近人、对科学的敬业精神以及诚恳待人的处事作风都令我十分钦佩、受益匪浅。三年来.我从恩师身上学到很多东西.这些将成为我一生中最为宝贵的财富。在此•向恩师吴老师示以学生最诚挚的感谢和最崇高的敬意。从论文的开题到实验完成，水资源研究所的王全九教授、费良军教授、白丹教授、沈冰教授、张建丰教授、李鹏教授、聂卫波副教授等各位老师对我的实验完成给予了指导和建设性的建议。在此向他们表示最衷心的感谢！在长武国试验站试验期间得到了李师傅等帮助，第一次野外试验，他们是我最好的老师，感谢他们。感谢王升师兄、赵伟师兄、邢旭光师兄每次试验遇到问题时对我的帮助与鼓励;特别感谢师弟师妹王海洋、陶汪海、贾亮和我一起解决试验过程中的难题，感谢他们；也感谢西北农林科技大学的王翔翔师姐、周珊珊师姐、王晓林师兄・以及周俊梅、王艳萍等的帮助；也感谢同级的李云、罗小东、徐飞、王珍珍、武晓暄等。感谢给我这次野外试验，让我独立解决问题，开阔了我的视野，锻炼了我的意志。深深感谢试验过程中给我帮助的老师、同学和朋友，是他们陪伴我渡过了那段艰辛，但充实快乐的日子。感谢西安理工大学水资所为我提供了良好的学习氛围，真诚地祝愿我的母校生机蓬勃；水资所的各位老师和同学身体健康！快乐安康！还有，感谢家人对我学业的全力支持，是他们用艰辛的劳动和无私的爰为我铺筑了成功的道路，没有他们的支持就不会有今天的我。祝愿家人身体健康•幸福快乐。也感谢我的朋友对我的鼓励和支持，祝他们事业有成，幸福快乐！最后，再次向恩师表示崇高的敬意，向给予我帮助和尖心的每一位老师、亲人、同学和朋友表示最真诚的感谢和良好祝愿，祝愿您们平安幸福！谨以此文献给所有给予我帮助和尖爰的人。马亚2014年3月
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附录一、在校期间发表论文马亚，吴军虎,王海洋，淘汪海.秸秆覆度对黄土坡面产流产沙与养分流失的影响[J].水土保持学报(审稿中)赵伟・吴军虎・王全九.马亚.灌水矿化度对土壤盐分分布和棉花生长影响研究[J].农业工程学报二、在校期间参与的科研项目1、973计划前期研究专项《黄土坡面土壤养分流失特征与控制机理》(2011CB411903)2、水利部公益性行业科研专项《地下水幵发与绿洲安全用水尖键技术研究》(201301102)3、国家自然科学基金重点项目《黄土坡地土壤养分随地表径流流失动力机制与模拟模型》(51239009)4、国家重点实验室基金项目《黄土高原灌溉施肥对土壤有机质与结构稳定性影响研究(K318009902-1419)'
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