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产流产沙尺度效应是目前地学研究的一个热点之一,近年来受到了众多研究者的广泛关注。但由于空间的异质性及时间尺度的差异,影响产流产沙及泥沙输移动态的因素及因素间的相互组合关系在不同的时空尺度上很可能会有所不同,使得小尺度上得到的产流产沙理论在应用到大的时空尺度上时存在着很大的难度,且由于区域的差异性,一个地区的研究结果,在应用到其他差异性较大的地区时也可能存在着困难。黄土高原尤其是黄土丘陵沟壑区是目前世界上土壤侵蚀最为严重的地区之一,且该区的水沙关系与世界上的其他地区差别较大。目前,虽然世界上的许多地区产流产沙研究已多有开展,但在黄土丘陵沟壑区坡面.流域尺度系列上的产流产沙尺度效应研究不多,同时也缺乏泥沙输移动态的有关研究。论文通过对黄土丘陵沟壑区的野外实地考察,利用黄土丘陵沟壑区大理河流域及其子流域和径流小区的水沙资料和地形数据等资料,对该区产流产沙的尺度效应及泥沙输移动态进行了研究,得出了一些有意义和创新性的研究结果:
(1)在坡面尺度上,受降雨特征、结皮的形成、土壤含水率和坡长、坡度及坡面所在位置的影响,与传统的研究结果不同,从坡顶至坡底,径流系数既不增加,也不减小,而是呈现先增加后减小的趋势,且在雨强大、历时短的A型雨影响下,径流系数峰值在较短的坡长上出现,相反,在降雨强度小、持续时间长的C型雨下,径流系数峰值出现在较长的坡面上;而产流尺度效应在C型雨下最大,在A型雨下最小。进入沟道流域后,在不同的流域空间尺度上,受潜水/洞穴水、沟道水流输送损失、地下水供应和沟谷密度的影响,径流系数在沟谷密度最大处出现峰值,而后开始减小。(2)在坡面-流域系统上,汛期平均含沙量呈现先增加后减小而后持续增加的趋势:在沟坡处,汛期平均含沙量出现峰值,进入初级沟道流域后,受坡降减小及径流增加的影响,含沙量变小,在进入更高级流域的过程中,在沟谷密度、径流能量和高含沙水流的正反馈作用下,汛期平均含沙量呈现递增的趋势;对产沙模数的研究表明,产沙模数随坡面/流域面积呈现双峰分布的“M”型非线性关系,即在坡面上,产沙模数持续增加,在沟坡处出现产沙模数峰值,而后开始减小:受沟谷密度、径流剪切力及二者的综合作用,产沙模数峰值在流域面积为96.1km2的杜家沟岔流域出现,而后减小。(3)利用曹坪水文站8年的水沙事件,在不同的时间尺度上对该区的泥沙输移时间动态进行了研究。在次洪水事件的时间尺度上,发现洪峰多超前于沙峰(占总洪水事件的63.2%),从泥沙滞后环的角度得出了该区泥沙主要来源于坡面的结论;且无论流量和含沙量峰值发生顺序如何,C-Q均呈现逆时针滞后环,不存在泥沙供应不足的现象。在月、年时间尺度上,C-Q多呈现顺时针滞后环,存在泥沙“存储-释放”的过程:产沙量年际变化大,产沙量的多少是由年内发生洪水的次数和大小决定的。此外,利用团山沟的3个径流场坡面和岔巴沟不同级别的3个流域对泥沙输移空间尺度的研究表明,在峁坡面上,沙峰多超前于洪峰,而在沟道流域,洪峰多超前于沙峰,从空间的角度再次证实了流域泥沙主要来源于坡面的结论.在峁坡面上超过50%的含沙水流呈现泥沙顺时针滞后环,且高含沙水流发育不稳定,发生频率低;在全坡面上,随着沟状水流的发育,高含沙水流发育趋于稳定,逆时针滞后环逐渐发育;当进入沟道流域和更高级别的沟道流域后,高含沙水流越趋稳定,发生频率越高,持续的时间更长,几乎所有的洪水事件呈现出陡涨陡落的特点。全坡面在流域侵蚀和高含沙水流发育过程中起着极为重要的枢纽作用。
以上研究探讨了产流产沙在时空尺度上的变化规律,研究了不同时空尺度上的泥沙输移动态,继而揭示了影响产流产沙及泥沙输移时空动态的主要影响因素。该研究不仅丰富了国内外产流产沙和泥沙输移动态的有关研究结果,也为我们探讨不同时空尺度上的水土流失机制,构建流域径流和侵蚀产沙模型及尺度转换研究打下理论基础,并且为进一步实施水利水保措施、寻找不同尺度上降低水土流失的最佳管理措施和治理该区的水土流失具有重要的理论与指导意义.在坡面尺度上,控制全坡面水流的发育,尽量减少水下坡和减少重力侵蚀的发生及控制泥沙来源,是控制高含沙水流发育,减少水土流失的关键一环;在流域尺度上,筑坝降低沟道能坡和减小水流流速,尽力控制每年雨季侵蚀和输送能力极大的几场暴雨和洪水事件,是控制该区水土流失的关键举措。