跌水高度对元谋干热河谷冲沟沟头侵蚀产沙特征的影响初探.docx

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1、跌水高度对元谋干热河谷冲沟沟头侵蚀产沙特征的影响初探*国家重点基础研究发展计划（973）项目(2015CB452704)、国家自然科学基金项目(41571277)和中国科学院“西部之光”重点项目(Y4R2060060)共同资助SupportedbytheNationalBasicResearchProgramofChina(973Program)(No.2015CB452704)，theNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.41571277)andtheKeyPr

2、ogrammeofthe“WesternLight”TalentsCultivationprogrammeoftheChineseAcademyofSciences(No.Y4R2060060).†通讯作者Correspondingauthor，E-mail：dhxiong@imde.ac.cn作者简介：张宝军（1990—），男，山东临沂人，博士研究生。主要从事冲沟侵蚀机理研究。E-mail:zhangbaojunaixiao@163.com收稿日期：；收到修改稿日期：张宝军1,2,3熊东红1,2†杨丹1,2,

3、3张素1,2,3校亮1,2,3苏正安1,2董一帆1,2(1中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，成都610041)（2中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041）（3中国科学院大学，北京100049)摘要元谋干热河谷冲沟侵蚀强烈，以沟头溯源侵蚀过程为主，而陡立沟壁跌坎是活跃沟头的重要形态特征之一。本研究采用野外原位放水冲刷试验，研究了25和50cm两种不同跌水高度对侵蚀产沙过程的影响。结果表明：2种跌水高度下，（1）径流跌水冲刷力差异显著。跌水势能转化量平均值分别为4.89和9.78Js-1，

4、跌水剪切力平均值分别为25.9和53.5Pa，均呈现倍数关系。（2）跌穴发育形态特征及下游侵蚀量差异大。2个小区跌水最大下切深度分别为7.38和7.50cm，平均下切深度分别为3.87和5.16cm；沟头沟壁及下游沟床部位侵蚀量累积贡献平均为41.3%和54%；（3）径流含沙量差异显著（p<0.1）。整个试验中2个小区径流平均含沙量分别为7.51和18.76gL-1，且径流经过沟壁跌坎后，含沙量分别平均增大6.25和25.49gL-1。本研究初步认为沟壁跌坎高度差异影响径流冲刷力及其侵蚀产沙特征，但仍需进一步开

5、展更多跌坎高度下的相关研究，这将对干热河谷区冲沟沟头溯源侵蚀动力学机制研究提供补充。关键词径流冲刷力；侵蚀产沙特征；跌水高度；冲沟沟头；元谋干热河谷中图分类号S157.1文献标识码A土壤侵蚀是当今世界普遍关注的重大环境问题之一，由于土壤侵蚀导致的严重水土流失制约着区域农业经济发展[1]。冲沟侵蚀作为一种重要的土壤侵蚀方式，受到国内外学者的广泛关注[2]，已有学者针对沟头溯源侵蚀过程展开了较多研究[3-4]，并认为这一过程对冲沟发生发展极为重要。在沟头溯源侵蚀发育过程中，常常由于土壤异质性和径流不均一、不稳定等原

6、因，导致沟头形态变化不均衡，逐渐产生跌水落差[5]。当坡面集中流到达跌坎时，由于地形突变转变为跌水（Jetflow），伴随着径流势能向动能转化，对跌坎底部土体直接冲蚀，导致沟头形态变化剧烈[6]。Dey等[7]研究认为，在某种程度上跌水高度和径流量可以决定沟头溯源侵蚀过程。Bennett等[8]采用模拟水槽冲刷试验，研究了不同跌水高度下（5～50mm）的沟头溯源侵蚀过程，发现随着跌水高度增加，溯源侵蚀速率、最大下切深度和产沙量均逐渐增大。金沙江干热河谷区是我国西南特殊的脆弱生态环境类型区，该区域冲沟侵蚀问题突出

7、，水土流失强烈，严重威胁着区域经济发展和下游水利水电工程安全[9]。由于该区域岩层特性复杂、降雨季节性差异等原因，导致冲沟沟头具有形态复杂多样、沟壁跌坎陡立、溯源侵蚀速率快等特征[10-11]。目前，已有学者针对该区域冲沟侵蚀过程中的水动力条件及其侵蚀产沙效应展开了较多研究[12-14]。Su等[15-16]研究认为干热河谷冲沟形态变化及侵蚀产沙，主要集中表现在一条沟上若干个活跃的沟头部位，沟头溯源侵蚀产沙约占整个冲沟活跃区产沙的62%～75%。沟壁跌坎作为沟头重要形态特征参数，在沟头不同发育阶段常表现出不同高

8、度大小[17]，而不同跌坎高度发育直接影响径流冲刷特性，导致沟头侵蚀产沙过程差异，但其具体如何影响沟头径流冲刷力及其侵蚀产沙效应尚不得而知，需开展深入研究。本研究采用野外原位放水冲刷试验，结合近景摄影测量技术，初步研究了跌水高度差异对沟头溯源侵蚀过程中的径流水动力条件、形态变化及侵蚀产沙特征的影响，旨在为冲沟溯源侵蚀动力学机制研究提供补充，同时为该区域进行植被恢复实践控制沟头溯源侵蚀提