长江中下游岸线大型临江港区工程水土保持设计探讨

为有效防治长江中下游岸线大型临江港区工程建设可能造成的水土流失,以武汉新港阳逻港区三作业区一期工程为例,分析了设计和施工中面临的平面布置制约因素多、土石方工程量大、生态环境敏感性强、施工组织复杂、水土流失风险高等难点。针对上述问题,提出了从水土保持角度优化工程布局和施工组织设计,制定完善的水土流失防治措施体系,采取蓄、渗、滞、排的雨洪集蓄利用技术等建议。经多年运行,工程经济、社会、生态效益显著,设计思路可为同类工程水土保持设计提供借鉴。

递增式连续降雨条件下典型山区坡面径流产沙水动力学特征

山区复杂的下垫面条件导致了山区小流域水文响应过程的复杂性,山区坡面作为山区小流域水文响应的基本单元,研究其不同下垫面条件下径流产沙水动力特征具有重要意义。为明晰山区坡面不同下垫面条件下径流水沙水动力特征,该研究选用官山河小流域作为研究对象,基于室内模拟递增式连续降雨试验方法,研究了坡度、土层厚度分布和土层底部透水性等山区坡面下垫面特性共同作用下的坡面径流产沙水动力学特征。结果表明:1)连续降雨条件下,雷诺数、水流剪切力和径流功率随着产流时间和雨强增加呈现增加趋势,Darcy-Weisbach阻力系数呈降低趋势。2)雨强增加使雷诺数均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),设计雨强60、90、120 mm/h时的雷诺数均值、径流功率均值分别比30 mm/h的雷诺数均值、径流功率均值增加了130%、276%、366%和171%、328%、435%;坡度增加使水流剪切力均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),坡度15°、25°的水流剪切力均值分别比坡度5°的增加了135%和187%,坡度15°、25°的径流功率均值分别比坡度5°的均值增加了224%和357%;土层厚度分布对阻力系数均值和土层底部透水的雷诺数均值、径流功率均值有显著影响(P<0.05),土层底部透水性仅对土层厚度分布为上薄下厚的雷诺数均值和水流剪切力均值有显著影响(P<0.05)。3)雨强是影响坡面产流产沙水动力特征的主导因素,对雷诺数的方差贡献率高达83.11%,水流剪切力主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达67.64%,径流功率主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达80.58%。在单一雨强条件下,坡度和土层厚度分布是影响水动力参数的主要因素,土层厚度分布和坡度的交互作用、土层底部透水性和土层厚度分布的交互作用对水动力参数也有一定影响。因此,在研究坡面产流产沙规律时,除考虑雨强和坡度外,还应兼顾考虑土层厚度分布和土层底部透水性及其交互作用的影响。该研究结果可为山区坡面复杂下垫面条件下的坡面产流产沙机理提供一定的理论支撑,并为改进山区小流域水文过程分布式模拟提供参数率定依据。

暴雨型山洪灾害链监测预警研究与展望

暴雨型山洪及其链生过程是山区常见的致灾隐患,因其点多面广、成因复杂,加之相关过程常表现显著的突发性、局地性与隐蔽性等特点,增加了灾害早期识别与监测预警的难度。目前,山洪灾害链转化机理与监测预警研究是防灾减灾领域具有综合交叉特色的国际前沿与热点问题。为此,通过梳理暴雨型山洪灾害链国内外研究现状与趋势,分析了相关研究中亟需突破的关键科学与技术问题,并针对性提出了研究方向和研究展望。其中亟待突破的关键科学与技术问题有:如何揭示暴雨-洪水-滑坡(崩塌)-泥石流的同源链生转化机理,如何建立灾害链精准监测与稳定传输技术,如何构建灾害链预警指标体系与动态预警平台。建议研究方向为:暴雨型山洪灾害链致灾因子辨识研究,暴雨型山洪灾害链关键要素监测预警技术研发,山区小流域山洪灾害链监测预警平台研发,暴雨型山洪灾害链监测预警技术集成与示范。研究展望包括:突出多科学交叉、多手段融合,以“致灾因子辨识-关键技术研发-软件平台构建-集成应用示范”为研究主线,最终在灾害链驱动演化机理、精准监测与动态预警技术等方面取得突破和创新,预期成果可为提升山洪灾害链防御能力、推动生态可持续和流域高质量发展提供科技支撑。

小流域水土流失治理优先度的评价与应用

中国水土流失防治任务仍然繁重,有计划分批次实施水土流失治理是现阶段条件下的必然选择,优先治理小流域识别是其首要解决的一项基础工作,然而目前相关成果较为缺乏,难以支撑小流域水土流失治理智能决策和精准施策。在当前大力推进智慧水土保持背景下,积极探索优先治理小流域识别方法非常迫切,对于科学、合理、高效促进水土流失治理工作具有重要意义。该研究立足于小流域自然禀赋条件,以中国水土流失重点区域——三峡库区秭归县为例,坚持科学性和可操作性相结合原则,以水土流失“减量和降级”双重目标和治理效益最大化需求为导向,综合水土流失面积和土壤侵蚀强度两个维度,提出小流域水土流失治理优先度定义及定量评价方法,为识别优先治理小流域提供科学依据和技术支撑。结果显示,秭归县2021年现状水土保持率为69.12%,远期(2050年)水土保持率为81.74%,总体提升12.62个百分点。秭归县2021年全域土壤侵蚀模数现状为758.50 t/(km^(2)·a),最小可能土壤侵蚀模数为408.71 t/(km^(2)·a),总体下降比例达46%。秭归县大部分区域均具有较大的水土保持率提升潜力和土壤侵蚀控制度,可完全治理和可降级的水土流失地块分布较为广泛,尤其在县域中西部的小流域存在较大的水土流失面积消减和土壤侵蚀强度降级空间。秭归县各小流域水土流失治理优先度的空间分布总体呈现中部高,东部和南部相对较低的分布格局,全县治理优先度大于0.6的小流域占总全县小流域的11.76%。通过典型县应用,该研究提出的小流域治理优先度涵盖了水土流失面积和土壤侵蚀强度两个维度,能更为全面满足小流域水土流失“减量和降级”双重目标和和治理效益最大化需求,直观反映了水土流失面积消减空间和土壤侵蚀强度降级空间的目标和相对大小,对支撑小流域治理决策更加准确、科学,治理优先度评价方法不仅可行,且易操作。

土壤侵蚀条件下土壤微生物生物量碳含量变化及其影响因素的Meta分析

土壤侵蚀是碳流失的重要驱动力,分析土壤侵蚀条件下土壤微生物生物量碳(SMBC)含量变化及其相关影响因素,对理解土壤侵蚀对土壤养分周转与碳循环机制具有重要意义。以未发生侵蚀为对照,基于2003—2022年间相关学者在中国区域内开展的有关土壤侵蚀对SMBC影响研究已公开发表的35篇学术论文的230组试验数据,按照土壤类型(紫色土、黑土、黄土和红壤)、土壤容重(高容重和低容重)、土地利用方式(林地、农田、草地和坡耕地)、水力侵蚀类型区(东北黑土区、西北黄土高原区、西南土石山区和南方红壤丘陵区)、年平均降雨量(1 000—2 000 mm、500—1 000 mm和≤500 mm)和年平均温度(≥20℃、10—20℃、5—10℃和<5℃)进行分组,采用Meta分析对土壤侵蚀条件下SMBC含量变化的特征进行综合分析,并通过亚组分析探讨了侵蚀对SMBC的影响。研究发现,与未发生土壤侵蚀相比,(1)土壤侵蚀导致SMBC含量显著降低(下降程度为35.39%,置信区间为-0.407 4—-0.300 5);(2)紫色土、黑土、黄土和红壤中,土壤侵蚀对SMBC含量的影响均表现出显著的负效应,下降幅度分别为78.72%、43.49%、42.52%和18.48%。不同土壤容重条件下,土壤侵蚀使SMBC含量显著下降,SMBC下降程度在高容重条件下是低容重的2.12倍。同时不同土地利用类型中林地(33.26%)SMBC下降最少,草地(39.73%)下降最多。SMBC含量的下降程度在东北黑土区(43.55%)最高,西北黄土高原区(42.57%)和西南土石山区(33.68%)次之,在南方红壤丘陵区(27.51%)最低;不同年均降雨量和不同年均温条件下的SMBC含量下降程度在年均降雨量1 000—2 000 mm、500—1 000 mm和≤500 mm的地区分别为29.91%、43.15%和37.52%,在年均温为10—20℃、5—10℃和<5℃的地区分别为40%、37.25%和43.58%。由此可见,土壤侵蚀显著降低SMBC含量;不同土壤类型、不同土地利用方式、不同土壤容重、不同水力侵蚀类型区、不同年均降雨量等条件下,土壤侵蚀对SMBC下降的作用程度不同。

基于Citespace方法的全球土地利用变化与土壤侵蚀研究进展

本研究收集了2000~2022年间发表在Web of Science数据库核心合集期刊10894篇,以CiteSpace为分析工具结合文献计量学方法,从文献的发表年份、国家、关键词共现和文献共被引频次4个方面,分析了近20多年来全球土地利用变化与土壤侵蚀的研究现状、发展方向和热点。结果显示中国在该领域研究方面展现出强大的科研能力和影响力;研究热点和发展方向受学科发展、政策导向及社会发展影响呈现了不一样的研究历程。最后,对未来的研究提出几点展望。

长江源典型地区高寒草地退化对土壤分离的影响

长江源高寒草地存在不同程度的退化,导致局部水土流失仍呈增加的趋势。为研究高寒草地退化对土壤分离速率的影响,开展不同植被退化程度坡面径流冲刷试验。结果表明,植被完全退化坡面的高山草甸土平均分离速率(0.54 g/(cm^(2)·min))显著大于重度和中度退化坡面(0.34和0.12 g/(cm^(2)·min)),并远大于轻度退化的坡面(0.03 g/(cm^(2)·min));完全退化坡面的淡寒钙土平均分离速率(4.29 g/(cm^(2)·min))分别是寒钙土、草甸沼泽土和高山草甸土的3.25、7.27和7.94倍。不同退化程度的土壤分离速率随水流剪切力、径流功率与过水断面单位能量的增加,均呈较好的线性或幂函数关系,但与水流功率的拟合效果最好。在相同水流功率条件下,长江源土壤分离速率大于西南及黄土高原地区。本研究可为长江源区土壤侵蚀机理的研究和水土保持措施优化配置提供参考。

陡坡耕地施加PAM侵蚀产沙规律及临界坡长的试验研究

PAM(聚丙烯酰胺 )作为一种土壤结构改良剂施用于地表 ,能显著的减小径流和土壤侵蚀量。本研究设计了一系列人工降雨模拟试验 ,定量研究了坡度、坡长、PAM覆盖度、雨强对陡坡耕地土壤侵蚀产沙的影响。试验采用三种雨强 :5 0mmh- 1 、10 0mmh- 1 、15 0mmh- 1 ,四种坡度 :5°、10°、2 0°、2 5° (8 74%、17 63 %、3 6 4%、46 63 % ) ,四种当量坡长 :8m、16m、2 4m、40m ,五种地表处理 :对照、麦草覆盖、三种PAM覆盖度A、B、C(A <B <C)。通过侵蚀产沙试验结果 ,鉴别了不同坡度、PAM覆盖度、雨强条件下陡坡耕地无土壤侵蚀的临界坡长。结果表明 ,PAM能显著地减少土壤侵蚀产沙量 。

施加PAM的坡地降雨入渗过程及其模型研究

作为一种新型高效的土壤结构改良剂 PAM,在一定条件下能显著地提高土壤入渗能力 ,减小坡面径流。采用室内人工模拟降雨试验 ,研究了不同 PAM覆盖度下降雨产流随时间的动态变化及其与雨强、坡度的关系 ,以及入渗率随时间的变化规律 ,分析了 PAM、坡度、雨强对入渗率的影响。结果表明 ,地表施加 PAM后土壤的入渗率及稳定入渗率都比未施 PAM显著提高。通过对比施加 PAM后 Kostiakov入渗模型与 Horton入渗模型的显著性 ,表明

紫色土坡面植被覆盖度对水土流失影响研究

植被是防止地面水土流失的积极因素,但在三峡库区紫色土关于植被对水土流失的影响还相对比较薄弱。本研究通过人工模拟降雨试验,分析不同草地覆盖度对紫色土坡地径流产沙的影响,定量研究不同草地覆盖度的减水减沙效益。结果表明:流量随草地植被覆盖度的增加而减小,小雨强时表现特别显著。特别是当植被覆盖度>60%后,径流量明显低于裸地及20%,40%植被覆盖度;植被覆盖度越高,植被降低径流含沙率的作用也就越明显,径流含沙量就越低;与草地的减沙功能相比,其削减径流作用明显弱于减沙效应,且盖度对坡面的减水特征值影响不太明显;植被覆盖的减流减沙效益在中小雨强时随雨强的增加而增加,在大雨强时,其减流减沙效益反而降低。

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 。

流域侵蚀产沙过程随尺度变化规律研究

寻求不同尺度下侵蚀产沙过程的变化规律和普遍规律,是进行尺度转换的基础。本文以岔巴沟流域及其团山沟径流场实测水文数据为基础,探讨了不同尺度下流域径流过程、侵蚀产沙过程、水沙关系随尺度的变化规律。通过对峁坡、全坡面、毛沟、支沟、干沟的径流和泥沙分析表明,全坡面将流域径流过程、侵蚀产沙过程、水沙关系有机的区分开为坡面和沟道两种类型的变化过程,而全坡面又对毛沟的径流和泥沙起主导作用。

施加聚丙烯酰胺后坡长对侵蚀产沙过程的影响

坡长是影响坡面径流和水流侵蚀产沙的重要地貌因素之一。本研究通过一系列人工模拟降雨,研究了在不同条件下坡长对侵蚀产沙过程的影响。试验中测取了3种雨强(50mm h、100mm h、150mm h)、4种坡度(5°、10°、20°、25°)、4种当量坡长(8m、16m、24m、40m)和5种地表处理(对照、麦草覆盖和3种聚丙烯酰胺覆盖度)的产流和产沙量。试验结果表明,不同的雨强、地表处理和坡度下,坡长对侵蚀产沙过程的影响也不同。

聚丙烯酰胺对扰动红壤可蚀性及临界剪切力的影响

为了利用化学措施防治工程水土流失,研究了聚丙烯酰胺(PAM)对扰动红壤土壤可蚀性及临界剪切力的影响。采用室内人工模拟降雨试验,探讨了5o、10o、15o、20o、25o5种坡度,0.8、1.1、1.4mm/min3种雨强下不同土壤处理后坡面水动力学参数、径流输沙率与流量、土壤可蚀性及临界剪切力的变化关系。试验结果表明,在相同的径流流量下,对照的输沙率是施加PAM后的300倍;施加PAM后,红壤扰动土的可蚀性由13.223g/(min.N)降低到0.2693g/(min.N),径流的临界剪切力大小由0.77N/(m2.min)增加到1.47N/(m2.min)。施加PAM可显著降低土壤可蚀性,增加径流临界剪切力。研究成果为PAM应用于工程水土流失防治提供了一定的理论依据。

岔巴沟流域泥沙输移比时空分异特征及影响因素

本文以团山沟单元小流域作为流域系统产沙的源地,将其它中小流域输沙模数与单元小流域侵蚀模数之比定义为泥沙输移比,系统的研究了岔巴沟流域次暴雨泥沙输移比的时空变化特征及降水水文影响因子和地貌形态因子的综合影响。研究发现,从长远来看,流域系统的侵蚀与产沙可达到平衡,但就次降雨或年度而言,流域系统经常处于泥沙滞留和滞留的泥沙重新侵蚀搬运的状态,降雨量、径流系数、降雨时间、水流平均含沙量能很好的表达岔巴沟各流域次暴雨泥沙输移比,在考虑地貌形态因子的影响后,得到了岔巴沟流域次暴雨泥沙输移比的降水水文因子与地貌形态因子关系的综合表达式。

水土流失治理率综合评价指标体系框架研究

水土流失治理率综合评价指标体系,是对大量信息进行综合,并全面建立包括社会经济和资源环境在内的指标体系,能全面表征流域生态系统的主要特征。采用典型区域水土流失详查,从水土资源、生态与环境、经济发展等方面构建了水土流失治理率综合评价指标体系框架。根据建立的水土流失治理率评价指标体系框架,量化各指标,对各层次指标权重进行赋值,为典型区域健康综合评价作准备。

长江流域水土保持科学研究进展及展望

自20世纪80年代以来,长江流域水土保持科学研究取得了重要进展,为了解流域水土流失现状、制定水土保持政策与规划及实施水土保持防治提供了科学依据。当前,我国正处于推进生态文明建设的关键时期,系统总结长江流域水土保持科学研究发展历程、基础理论重点与亮点及水土保持关键技术、科研平台建设等取得的成果。但总体来看,长江流域水土保持科学研究还比较薄弱,理论研究还落后于水土保持实践。通过明确今后的研究重点,即土壤侵蚀动力学机制及其过程、水土保持措施防蚀机理及其适用性、退化生态系统的修复机理及其技术研发、重大生态治理工程生态过程及其效应评价,对于加强科技创新,推进流域水土保持事业发展具有重要意义。

坡耕地施加PAM对土壤抗冲抗蚀能力影响试验研究

提出了采用人工模拟降雨试验数据直接计算临界抗剪切应力的方法。该方法以水流动力学原理为基础 ,通过观测到的初始坡面侵蚀发生位置、雨强、土壤入渗率及测定坡面的平均流速来计算土壤的临界抗剪切应力。通过不同试验条件 ,分析了坡度、地表 PAM处理对土壤临界抗剪切应力的影响。试验条件为 :雨强 10 0 mm/ h,3种坡度 :10°、2 0°、2 5°(17.63 %、3 6.4%、46.63 % ) ,4种 PAM覆盖度 :40 %、60 %、80 %、裸地。结果表明 ,随着坡度的增加 ,临界抗剪切应力减小 ;随着 PAM覆盖度的增加 。

紫色土坡面植被格局对水土流失的影响

利用人工模拟降雨试验,研究了紫色土坡面不同植被格局对径流泥沙的影响。结果表明:在不同植被覆盖度下,不同降雨强度的流量顺序依次是坡顶格局>坡中格局>坡底格局。随着降雨强度的增大,植被格局对流量的影响趋向弱化。不同格局间的累积径流量随雨强的增大差异有所减小。植被格局对含沙量的影响变化趋势一致,即坡顶格局>坡中格局>坡底格局。植被格局对含沙量的影响随雨强的增大而增强,累积产沙量的差异也随之逐渐变大。

基于RS和GIS的乌东德水电站坝址区土壤侵蚀预测研究

选取乌东德水电站坝区一典型区为试验示范区,以通用土壤流失方程(USLE)为评价模型,运用GIS和RS对各指标因子赋值,对试验区的土壤侵蚀量进行估算与分析。结果表明,试验区平均土壤侵蚀模数为6 088.58 t/(km2.a),属于强度侵蚀。试验区中度以下的侵蚀面积占总面积的57.91%,土壤侵蚀量的贡献率仅为8.85%;而91.15%的侵蚀泥沙来自于面积42.09%的强度侵蚀以上的区域,其中,占11.53%的剧烈侵蚀区域贡献了43.83%的侵蚀泥沙。