砒砂岩坡面侵蚀产沙规律及多元回归估算模型研究

[目的]揭示砒砂岩坡面侵蚀产沙规律并初步建立侵蚀产沙估测模型,为创新砒砂岩区水土流失综合治理新措施提供参考。[方法]利用室内人工模拟降雨试验,依据18个工况的试验数据,定量研究了不同降雨强度、植被覆盖度和坡度3个因素对砒砂岩坡面降雨侵蚀产沙量的影响规律,并通过多元非线性回归方程建立了坡面侵蚀产沙预测模型。[结果](1)砒砂岩坡面产沙规律曲线均属于平缓型,每分钟产沙量随降雨历时呈现逐渐增大并直至稳定。(2)坡面产沙量受降雨强度的影响最为强烈,植被其次,坡度最小,且降雨强度对植被的减沙效益具有一定的影响,随着降雨强度的增加,低覆盖度的植被减沙效益降低。(3)产沙量同降雨强度呈幂函数关系,而同坡度和植被覆盖度在一定范围内呈线性关系。[结论]通过多元非线性回归方程所建立的侵蚀产沙估算方程的拟合相关系数(R^(2))可达到0.980,可以有效反映坡面侵蚀产沙量与各个影响因素的相互关系,具有较高的适用性。

基于三维激光扫描的坡沟系统侵蚀产沙过程研究

为了探究野外自然坡沟系统土壤侵蚀过程,研究于黄土丘陵沟壑区典型流域辛店沟内自然坡面开展5场放水冲刷试验,利用地面三维激光扫描技术(Terrestrial laser scanning, TLS)获取高精度地形信息,并采用DEM of difference(DoD)地形变化监测方法计算产沙量,利用实测产沙量评估TLS的监测精度,并探讨了坡沟系统侵蚀/沉积的变化特征。结果表明:(1)累积场次中,DoD不确定性(即level of detection, LoD)平均值(范围)为16.5 mm(16.2~16.8 mm)。单场次中,LoD值平均值为16.4 mm(16.2~16.6 mm);(2)累积场次中,梁峁坡、沟谷坡、坡沟系统TLS扫描所得产沙量相对误差的平均值(范围)为52.63%(26.06%~106.98%),56.68%(30.26%~75.49%)和56.28%(33.37%~73.28%),与实测数据显著相关(R2>0.9,p<0.05)。单场次TLS扫描相对误差波动范围更大且平均值高于累积场次,其值分别为83.70%(4.08%~190.40%),91.41%(0.95%~225.09%)和87.58%(4.09%~215.55%),与实测值非显著相关(R2<0.57,p>0.05),表明TLS更适合于坡沟系统累积场次侵蚀产沙监测,而单场次监测精度较差;(3)随冲刷次数的增加,梁峁坡、沟谷坡和坡沟系统侵蚀产沙均呈增长趋势,但沟谷坡和坡沟系统沉积量快速增长后趋于平稳。(4)梁峁坡侵蚀区域主要位于梁峁坡上中部,沉积主要分布于梁峁坡中下方,沟谷坡大部分区域侵蚀剧烈,沉积主要分布于沟底,梁峁坡和沟谷坡侵蚀区占地形变化区域的比例均高于79%。结果可为黄土高原土壤侵蚀监测与机理研究提供参考。

坡面草被覆盖对坡沟侵蚀产沙过程的影响

通过室内放水冲刷试验方法,研究了坡沟系统坡面不同草被覆盖度及空间配置下,坡沟系统侵蚀产沙变化过程及特征。结果表明,放水流量较小时,覆盖度越高,侵蚀产沙量越小;坡面草被不同空间配置下的产沙量大小依次是:坡上部>坡中部>坡下部。大流量时,不同草被覆盖度间的产沙量差异增大,不同草被空间配置下的产沙量变化规律不十分显著。沟坡产沙比随坡面草被覆盖度的增加呈指数增加,大流量比小流量下的增加幅度要大。坡面草被布设在坡下部时,其对沟坡侵蚀的危害最大。坡沟系统侵蚀产沙变化过程是增加—稳定—下降,其变化的阶段性不如单一坡面明显。

不同因素对重庆紫色土坡面细沟侵蚀产沙过程的影响研究

为揭示重庆紫色土坡面细沟形态、降雨强度和坡度对侵蚀产沙过程的影响,通过室内模拟人工降雨试验,定量分析不同降雨强度、不同坡度、细沟形态变化和不同降雨方式对细沟侵蚀产沙过程的影响,探讨细沟侵蚀强度在不同试验条件下的变化特征。结果表明:重庆紫色土坡面细沟侵蚀径流量和产沙量均随着坡度和降雨强度的增加而增加;坡面的水沙过程与细沟在形成和发育时关系密切,产沙量和侵蚀速率与细沟形态参数有显著的对数关系(r>0.7)。研究结果可以为紫色土耕地细沟侵蚀防治提供理论支持。

延河流域极端暴雨下侵蚀产沙特征野外观测分析

针对黄土高原目前侵蚀环境明显改善条件下能否经受得住极端暴雨事件的考验及可能出现的问题,该文依据在延河6个典型小流域的植被调查及土壤侵蚀监测结果,分析了2013年极端暴雨条件下延河流域不同尺度的侵蚀产沙特征。结果表明,天然乔木(辽东栎和三角槭)植被的平均侵蚀强度<1 000 t/km^2,自然灌木植被在1 118.1~1 161.2 t/km^2之间,演替中后期的草本植被在1 245.2~1 827.8 t/km^2之间,而演替中前期的草本植被在3 087.6~4 408.4 t/km^2之间;人工灌木林(2 119.7~2 183.9 t/km^2)比人工乔木林(2 625.7~5 149.6 t/km^2)具有较强的减蚀能力。坡面良好的植被覆盖能有效抵御暴雨侵蚀,小流域坡面平均侵蚀强度基本<2 500 t/km^2;但滑坡侵蚀占主导地位,占各小流域侵蚀总量的49.0%~88.5%,特别是距暴雨中心较近流域的南部2个小流域的滑坡侵蚀可达7 290.3和7 424.9 t/km^2左右。不同小流域内有6.4%~18.3%的侵蚀量淤积在沟道里;延河甘谷驿以上不同河段的淤积量为13.2~145.2万t,平均占总侵蚀产沙量的15%。延河甘谷驿控制区的侵蚀产沙强度变化在2 326.7~7 774.4 t/km^2之间,其中强度为5 000~8 000 t/km^2的面积占59.3%。因此,加强沟间地径流蓄排措施,减轻坡面径流下沟对沟坡重力侵蚀的影响,是土壤侵蚀研究与防治中值得重视的问题。

降雨过程中红壤表土结构变化与侵蚀产沙关系

通过人工模拟降雨和表土微形态观测,研究了发育于泥质页岩、第四纪红粘土和花岗岩3种母质的红壤在降雨侵蚀过程中表土土壤结构的变化及其对侵蚀的影响。结果表明:降雨过程中,泥质页岩红壤极易形成土壤结皮,增加径流,响应结皮的形成,径流速率和含沙量较高,且迅速达到最大值,随后径流稳定而含沙量持续下降。第四纪红粘土红壤团聚体稳定,较难形成结皮,且结皮易被破坏,导致侵蚀过程中产流产沙量较低,均随降雨时间的延长而呈缓慢上升趋势。花岗岩红壤基本上不能产生结皮,粗化现象严重,因此产流量和产沙量也较低;由于土壤团聚体稳定性差以及径流的选择性运移,泥质页岩红壤和花岗岩红壤侵蚀泥沙中细颗粒(<0.02mm)含量远高于土壤中该粒径颗粒。而第四纪红壤侵蚀泥沙中粗颗粒较多,以多级团聚体的团聚体为主。

植被格局对侵蚀产沙影响的研究评述

土壤侵蚀是人类可持续发展的重要挑战,植被重建则是防控侵蚀产沙的有效手段。在当前水土资源日益稀缺的新形势下,优化植被布局将成为黄土高原等生态脆弱地区未来阻蚀减沙、改善环境的重要途径,有关植被格局对侵蚀产沙影响的科技需求更加急迫、意义更加重要。为此,从坡面与流域两个尺度,总结评述了侵蚀产沙研究中的植被格局表征、侵蚀产沙对植被格局的变化响应两个议题的研究进展。分析认为,目前主要存在缺乏反映侵蚀产沙过程的植被格局表征指数、较少考虑植被与地形叠置格局对侵蚀产沙的耦合影响、尚未建立侵蚀产沙对植被格局的直观响应关系等问题。为促进有关研究,今后在格局指数和耦合关系的构建中应重视植被和地形对侵蚀产沙过程的耦合影响,并选用具有良好应用精度的分布式物理成因模型,以获得反映植被格局影响的流域侵蚀产沙结果。同时,可通过采用GIS空间分析技术,设计获得更多的典型植被格局及对应情景的侵蚀产沙,以丰富基础资料,减少信息干扰。

苜蓿草地侵蚀产沙过程及其水动力学机理试验研究

利用人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度(45mm/h、87mm/h、127mm/h)下20°陡坡苜蓿草地的产流产沙变化规律,分析了苜蓿草地侵蚀产沙的水动力学机理。试验结果表明,苜蓿草地累积径流量和累积产沙量与降雨时间呈良好的幂函数关系,随着降雨时间的增大而增大。在45mm/h和87mm/h降雨强度时,草地径流量和侵蚀产沙量呈高-低-稳定的变化趋势;在127mm/h降雨强度时,草地径流量和侵蚀产沙量呈高-低-高的变化趋势。苜蓿草地的水土保持作用通过改变土壤的入渗特性实现,草地坡面入渗率与径流量和产沙量呈明显负线性相关。从水动力学角度对苜蓿草地径流剪切力和单位水流功率与输沙率的关系进行了分析,得出试验条件下苜蓿草地的临界径流剪切力值为2.857N/m2,临界单位水流功率值为0.0114m/s,输沙率随径流剪切力和单位水流功率的增大而增大。

黄土丘陵沟壑区景观格局对流域侵蚀产沙过程的影响——斑块类型水平

在黄土丘陵沟壑区,景观格局对侵蚀产沙过程有着复杂的影响,且与尺度密切相关。选取河口—龙门区间内42个水文站控制流域为研究对象,以侵蚀模数、输沙模数和泥沙输移比作为表征各流域单元内土壤侵蚀、产沙及泥沙输移过程的特征指标,运用景观指数和CCA排序,系统分析了斑块类型水平上景观格局对流域侵蚀产沙过程的影响。结果表明:流域侵蚀产沙及泥沙输移过程中,空间分异特征随景观类型不同而异;对于不同用地类型,影响"过程"空间分异的景观格局指标不同,显著影响流域侵蚀产沙及泥沙输移过程的景观指数有草地平均斑块面积(AREA_MN3)、居民建设用地景观面积百分比(PLAND5)、居民建设用地和其它类型用地景观的斑块密度(PD5和PD6),其中斑块密度(PD)是影响流域侵蚀产沙及泥沙输移过程的共性指标;草地、居民建设用地、其它类型用地的景观格局特征对"过程"变化的解释程度要高于其它景观类型。开展景观格局与生态过程关系研究时,不仅需要考虑景观格局的整体效应,更应关注单一景观类型及其格局特征对一些生态过程的指示意义。

川中丘陵区和三峡地区小流域侵蚀产沙的塘库沉积^(137)Cs断代

选择川中丘陵区和三峡地区四川盐亭、南充和重庆开县的4个小流域,采集塘库沉积泥沙137Cs样品,确定了1963年以来塘库淤沙量,并据此分析了流域输沙模数和侵蚀模数。研究表明,开县春秋沟的淤沙模数最高,为1869t.km-2.a-1;盐亭武家沟和集流沟分别为701t.km-2.a-1和710 t.km-2.a-1;南充天马湾沟为566 t.km-2.a-1。对小流域地貌特征的分析和谷地水田取样结果表明,除塘库淤积区外,各小流域谷地内基本无泥沙淤积。因此,除南充天马湾沟按现有水面面积作为淤积面积求算的淤沙模数明显偏小外,其他小流域的塘库淤沙模数基本可以表征各研究小流域的侵蚀模数。对研究小流域侵蚀产沙影响因素的分析表明,除降雨和土地利用状况外,地形起伏、土壤抗蚀性及岩层产状也是三地侵蚀程度差异的重要原因。

喀斯特山地石漠化过程中地表地下侵蚀产沙特征

喀斯特地区特殊的地表、地下侵蚀产沙是引发石漠化发生发展的重要物理过程。以喀斯特山地石漠化过程中不同石漠化状况的裸坡面为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下孔(裂)隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究其地表及地下侵蚀产沙特征。结果表明:无石漠化、潜在石漠化和轻度石漠化的裸坡在相同条件下的地表产沙量总体上高于地下产沙量,且10 min降雨时段内地下产沙量在0~100 g之间。不同石漠化强度的裸坡地表、地下侵蚀产沙量均随雨强的增大而增加;小雨强(30~80 mm h^(-1))下,随着石漠化强度加剧其地表越不易发生侵蚀,而石漠化强度达到一定程度时(基岩裸露率40%)土壤流失以地下流失为主;大雨强(150 mm h^(-1))下,地表产沙量及其分配比例随基岩裸露率变化不明显,而地下产沙量则呈先增加后减小的变化且在基岩裸露率为30%时达到最大。不同石漠化强度的裸坡地表产沙量及其分配比例随地下孔(裂)隙度变化不明显,地下产沙量及其分配比例总体上随地下孔(裂)隙度增加而增加;在不同地下孔(裂)隙度下(1%~5%),地表、地下产沙量及其分配比例随基岩裸露率变化(10%~50%)差异较大。研究结果对认识喀斯特地区石漠化发生发展机制、揭示土壤侵蚀特征、防治地表地下水土流失具有重要的理论和现实意义。

坡沟系统侵蚀产沙特征模拟试验研究

坡沟系统介于坡面尺度和流域尺度之间,揭示其侵蚀产沙特征对于认识流域侵蚀产沙及建立流域土壤侵蚀预报模型有重要意义。采用放水冲刷法,通过2.125、3.205、5.250、7.185L/min4个不同的放水流量,在4m长坡面(坡度为20°)和3m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统上,对坡沟系统的侵蚀产沙特征进行了模拟试验研究。结果表明:对试验条件下的每一个放水流量来说,坡沟系统内的侵蚀产沙垂直分布都呈双峰曲线,侵蚀量的变化均呈现出沿坡沟系统从上到下先减小后增大再减小的趋势。沟坡部分的侵蚀量占全坡侵蚀量的百分比由放水流量2.125L/min时的38.13%,增加到放水流量7.185L/min时的56.01%。对于黄土高原水土流失治理,单纯治坡或治沟均不能明显减少土壤流失量,采取坡、沟兼治才是有效减少土壤流失的有效措施。

基于分形信息维数的流域地貌形态与侵蚀产沙关系

流域地貌形态的科学准确量化是建立具有广泛适用性的流域尺度土壤侵蚀预报模型的关键科学问题之一,分形理论的提出为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文基于分形理论,利用GIS技术和多元回归统计方法,以黄土高原丘陵沟壑区第一副区的岔巴沟流域为例,对该流域以分形信息维数为量化指标的流域地貌形态与降雨侵蚀产沙耦合关系进行了初步探讨。研究表明,引入地貌形态分形信息维数的岔巴沟流域降雨侵蚀产沙与地貌形态耦合关系模型可将岔巴沟各支流域差异明显的水沙关系简化为统一的数学表达,消除了由于地貌形态等下垫面因素导致的空间变异性;基于该耦合关系模型的西庄和蛇家沟流域次降雨输沙模数预测值和观测值相对误差较小、总体吻合较好;将地貌形态分形信息维数作为流域土壤侵蚀预报模型中地貌形态因子量化指标不仅可行,而且可靠。

黄土高原小流域植被变化和侵蚀产沙的孢粉示踪研究初探

如同137Cs和210Pbex核尘埃,土壤和坝库沉积物中的孢粉也源于大气沉降,是否能用于侵蚀产沙的示踪研究?在陕北吴旗周湾水库采集了一些表层土壤和现代淤地坝、古代聚湫坝沉积泥沙的样品,尝试土地利用/覆被变化和侵蚀产沙的孢粉示踪研究。初步研究表明:草地表土孢粉丰富,平均浓度为26077粒/g;有33个科属的花粉,孢粉组合反映了当地以蒿属为主的半干旱温带草原植被;坡耕地表土的孢粉组合和草地一致,但孢粉平均浓度远低于草地,仅5844粒/g。坝库沉积剖面中,和137Cs核素一样,孢粉也富集于每一洪水沉积旋迴的上部层位,可用于沉积旋迴的区分。现代沉积旋迴的孢粉平均浓度,远低于草地和坡耕地表土,这表明草地和坡耕地土壤不是沉积泥沙的主要来源。古代沉积物的孢粉平均浓度高于现代沉积,表明流域内300年前的植被好于现代,或300年前沟谷地的相对产沙量低于现代。古代孢粉组合中十字花科花粉比例高达36·85%,明显高于现代的0·58%含量,这表明草地退化严重,十字花科植物比例急剧降低。孢粉示踪技术在植被环境恢复,沉积旋迴区分,和泥沙来源确定等方面具有一定的潜力,但应建立针对土地利用/覆被变化和侵蚀产沙研究的孢粉示踪技术方法。

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 。

黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙的地貌分带研究

根据黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙规律 ,将晋西羊道沟小流域划分为坡面、沟坡和沟道 3个大的地貌单元 ;并在坡面、沟坡和沟道不同的地貌部位建立了相应的侵蚀产沙关系式 ;在GIS空间分析的基础上 ,计算出流域的汇流网络 ,并引入到地貌分带研究中 ,计算结果反映了小流域不同地貌单元的侵蚀产沙规律 ,揭示了水沙汇流在小流域产沙中的重要意义。

贵州茂兰峰丛草地洼地小流域侵蚀产沙的^137Cs法研究

在贵州茂兰峰丛洼地区的工程碑草地洼地典型小流域进行了洼地沉积泥沙137Cs示踪分析研究。研究结果表明:(1)草地洼地土壤剖面属于堆积土壤剖面,土壤剖面中137Cs浓度分布特征反映了泥沙堆积与表层土壤侵蚀的信息。受岩土分布、微地形的影响,137Cs初始沉降后出现不均匀再分布,面积活度的空间变化较大,变异系数为1.35,不能表征土壤侵蚀状况。(2)根据草地洼地典型堆积农耕地土壤剖面A-1的137Cs浓度分布特征,1963年以来的流域平均堆积泥沙数量是16.6t/km2.a,流域平均土壤侵蚀速率为45.95t/km2.a,约占侵蚀产沙数量63.88%的泥沙以地下流失的形式散失;(3)草地洼地小流域内地面土壤流失与地下土壤流失的相对贡献率分别是70.13%和29.87%;(4)以茂兰地区最大成土速率为依据推算出的允许土壤侵蚀量是13.51t/km2.a,草地洼地的土壤侵蚀危险程度极高。

紫色土坡面壤中流形成与坡面侵蚀产沙关系试验研究

采用人工模拟降雨法,在长5.0 m、宽1.5 m、6个不同坡度(10°,15°,20°,25°,30°,35°)的径流小区上,通过3个不同降雨强度(1.0,1.5,1.8 mm/min),对紫色土坡面产流形式及侵蚀产沙关系进行了模拟试验研究。结果表明:紫色土坡面总径流主要由地表径流和壤中流两种形式组成,地表径流和壤中流在总降雨量中的比例随雨强和坡度的不同而发生变化,在相同坡度情况下,壤中流占总降雨量的比例随雨强的减小而增大,在雨强相似的条件下,壤中流占总降雨量的比例随坡度的增大而增大。普遍存在的壤中流在土壤侵蚀尤其是重力侵蚀中起到了相当重要的促发作用,甚至由壤中流促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式,这与以往研究表明的长江流域坡面侵蚀以面蚀为主的结论有所不同。

流域侵蚀产沙模拟研究中的尺度转换方法

影响侵蚀产沙过程的因素在时空上具有很大的不均匀性和变异性 ,增加了不同尺度间侵蚀产沙模拟的复杂性。尺度转换定义为不同尺度间信息传送 ,是指利用某一尺度上所获得的信息和知识来推测其他尺度上的现象。尺度转换是进行不同尺度间侵蚀产沙模拟的关键所在。认识侵蚀产沙过程中的尺度转换方法是进行不同尺度间侵蚀产沙模拟和尺度转换的基础。本文在介绍了侵蚀产沙的尺度特征后 ,对侵蚀产沙尺度转换的类型和理论方法进行了总结 。

坡沟侵蚀产沙关系的模拟试验研究

黄土高原坡面从分水岭到坡脚,径流侵蚀产沙方式和产沙强度等特征表现出明显的垂直分带性。为了揭示造成这种垂直分带性特点的形成机理,本文设计了4m长坡面(坡度为20°)和3m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统试验土槽,采用四个不同流量(2.1Lmin-1、3.2Lmin-1、5.2Lmin-1、7.2Lmin-1)的放水冲刷试验,研究了坡面不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡侵蚀产沙的影响,并建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。结果表明:坡面放水径流强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率均影响着沟坡部分侵蚀产沙量的大小。坡面放水径流强度与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系;坡面来水含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量之间呈线性关系。根据单位水流功率的概念,计算得出试验条件下沟坡侵蚀产沙的临界单位水流功率值为0.632。最后,根据改进的Yalin公式及沟坡侵蚀产沙的影响因素,分别建立了坡面和沟坡侵蚀产沙的数学模型,经计算后与实测值进行对比发现结果基本令人满意。