利用人工模拟降雨装置实验坡面微地形量化及其与产流产沙的关系

人工模拟降雨装置在研究土壤侵蚀过程、水土流失规律及其水土保持措施和效益等方面，有效地使用人工模拟降雨装置来进行降雨试验，是一种较理想的降雨方法，它不受时间和空间的限制模拟天然降雨，既能节约大量的人力和物力，又能在短时期内重复试验，缩短试验研究周期。

微地形条件是影响土壤侵蚀的重要因素之一，也是反映地表起伏变化与侵蚀程度的指标，目前研究中存在着测量方法落后，侧重定性描述的问题，少数定量研究中描述因子单一，而且没有明确指出微地形特征与土壤侵蚀之间的关系。针对这些问题，该文以室内连续降雨模拟自然状态下多次降雨过程，并使用三维激光扫描仪进行微地形测量，选取5个常规地形因子量化坡面微地形，说明了坡面土壤侵蚀过程中微地形的变化，并结合侵蚀过程中产流产沙变化说明了微地形特征与产流产沙之间关系。研究结果可为揭示微地形对土壤侵蚀的影响机理提供基础。

从传统的模拟降雨试验出发，设置1、1.5、2mm/min共3个降雨强度分别模拟暴雨、中等暴雨、特大暴雨，每个降雨强度下连续降雨4次，并对每次降雨前后的微地形扫描，在精确测量微地形条件的基础上，选择了微坡度、地表粗糙度、地形起伏度、地表切割度、洼地蓄积量5个地形因子来表征坡面微地形；对产流产沙过程进行取样，从而得出产流产沙过程和次降雨产流产沙量。分别分析了土壤侵蚀过程微地形特征和产流产沙特征，从而进一步分析了二者的关系。

得出以下的结果：

1）所选取的5个常规地形因子对坡面侵蚀的响应表现出随着侵蚀的加剧，参数值逐渐增大，然后趋于稳定。一场降雨后，地表粗糙度的增幅最小，对侵蚀的响应最弱；洼地蓄积量的增幅最大，对侵蚀的响应最强。

2）同一降雨强度下随着连续降雨的进行，产流率稳定，1 mm/min降雨强度下输沙率基本稳定，1.5与2 mm/min下输沙率不断减小；对于输沙率和累积输沙量，2 mm/min降雨强度下的值远大于其他2个降雨强度下的值，说明了该降雨强度下的坡面侵蚀强度出现飞跃。

3）所选取地形因子之间有很强的相关性，但通过主成分分析得出它们能从不同侧面反映地形的信息，而且都与产流率和和累积产沙量之间有较好的线性关系。

所选取的5个微地形因子源于地理研究，将其用于表达侵蚀过程中坡面微地形特征是可行的，初步得出坡面微地形因子与产流产沙关系密切。但微地形因子与不同产流产沙因子之间的关系存在差异，如产流率不受微地形变化的影响，输沙率随着地形因子的增大而减小，此种情形在降雨强度较大的条件下表现得尤为明显。前人对侵蚀过程中坡面微地形的研究，所选择的量化因子少，且多注重于坡面局部特征。与前人研究不同的是，该文试验设计上没有考虑侵蚀阶段交替时的地形变化特征以及详细分析以阶段划分的侵蚀过程，所选取地形因子代表着坡面微地形的整体特性，主要是侧重于探讨地形因子与坡面径流和产沙的关系；而所选取地形因子在表现坡面地形的空间异质性方面有所欠缺，使得在建立地形因子与侵蚀之间的关系时不足以表明某些极端条件，还需选取其他地形因子或者构建新的地形参数来全面表达地形信息，最终得出比较精确和适用性更广的微地形与产流产沙之间的关系式。