坡面草本植物对土壤分离及侵蚀动力的影响研究

植被是影响坡面水力侵蚀过程的重要因素,深入理解草本植物坡面不同降雨和径流特性对土壤分离的作用是研究土壤侵蚀动力学的基础。为此基于坡面土壤分离试验,通过定量测定2种草本植物草冠、根系对降雨和径流的影响,研究了不同侵蚀力作用下的土壤分离特征。结果表明,草本植物对坡面径流和泥沙具有重要的调控作用,相同覆盖度下狗尾草坡面的径流含沙量低于青蒿坡面（P〈0.05）。对比草本植物结构对坡面土壤分离的影响,植物根系对坡面的减沙贡献率均高于其冠层（P〈0.05）,其中,青蒿草冠对于坡面降雨的阻滞作用高于狗尾草草冠（P〈0.05）,而狗尾草根系的减沙效益高于青蒿根系（P〈0.05）,这主要与草本植物叶面积指数（LAI）及根系形态分布有关,不同植物的根长密度与土壤分离率呈指数函数关系。坡面土壤分离过程受到侵蚀阻力的影响,在草本植物覆盖坡面,随着植物覆盖度的增加,颗粒阻力和波阻力均呈增大趋势。降雨侵蚀力和径流剪切力是坡面土壤分离的主要侵蚀动力,不同试验条件下草本植物对降雨和径流侵蚀力的降低值为189.21~698.92 J·mm/（m2·min）和6.27~20.38 kg/（m·s2）,减弱系数分别为22.75%~84.04%和19.68%~63.97%。

土壤侵蚀过程中坡面流水力学特性及侵蚀动力研究评述

土壤侵蚀动力过程是水流和土壤两者相互作用的复杂物理过程,而含沙水流是土壤侵蚀的主要动力,深入理解坡面流水力学特征及侵蚀动力是研究土壤侵蚀动力学规律的基础。本文从坡面流水力学特性及侵蚀动力,包括:流速、水深、流态、阻力规律以及坡面流的切应力、冲刷动力、运动能量等多方面对国内外关于土壤侵蚀动力过程研究进行了系统深入的评述,并探讨了研究中存在的问题,重点指出:坡面流作为三维、非恒定非均匀沿程变量流,流动形态千变万化,坡面状况较为复杂,其均匀流理论远不能真实反应自然界复杂地表状况下的水流水力学特性及其变化规律。开展复杂地表的水流运动过程、水力学参数变化规律及坡面侵蚀水动力过程研究是今后土壤侵蚀水动力学研究的重要方向,这对于深入了解土壤侵蚀水动力过程的内在机制、构建物理侵蚀模型具有重要的研究意义。

植被坡面产流特征及其侵蚀动力研究进展

植被覆盖变化状况直接影响流域水文过程,通过对黄土高原植被坡面产流特性已有研究成果进行总结,以期为评价植被对水沙调控的作用提供参考。从黄土高原生态建设和水土保持效益评价的需求出发,回顾了植被作用下坡面产流特征和侵蚀动力学特性研究的主要进展,包括植被增强土壤入渗能力和减缓径流的作用、植被对坡面产流的影响、植被作用下坡面流侵蚀动力学特性;明确了需进一步深化研究的主要方向,包括植被作用下坡面降雨-入渗非线性过程、坡面产流机制发生胁变的被覆临界、不同产流机制的侵蚀动力参数特性等。

植被-侵蚀动力学模型参数的确定及在黄土高原的应用

植被-侵蚀动力学是研究流域植被与侵蚀在人类活动影响下演变规律的一门新的边缘学科。由植被-侵蚀动力学模型可绘制植被-侵蚀状态图,以预测停止人为干扰后植被及侵蚀变化趋势,评价水土保持措施成效,提出小流域优化治理方略。植被-侵蚀动力学模型4个参数a、c、b、f是流域重要特征参数,其值的确定是进行植被-侵蚀动力学模拟及绘制植被-侵蚀状态图的前提和基础。它们依赖于流域气候、土壤和地形地貌。本文以黄土高原典型小流域为例,采用试算法确定了它们的取值,通过相关分析发现参数a与P、T,参数c、b、f与D50、S之间存在明显的相关关系,并得到了相关关系式。将其用于吕二沟小流域植被-侵蚀动力学模拟,结果与实际情况符合较好。绘制了各参数的取值分布图。最后以燕儿沟小流域为例,将以上相关关系式用于植被-侵蚀状态图的绘制,及小流域自然状况、植被-侵蚀状态及水土保持效果的评价。

基于MIKE模型的不同淤地坝型组合情景对小流域侵蚀动力和输沙量的影响

为科学认识黄土高原淤地坝建设对小流域侵蚀动力过程的影响,通过分布式水文模型MIKE SHE和一维水动力模型MIKE 11耦合模拟了王茂沟流域的洪水过程,并计算了流域主沟不同断面的侵蚀动力参数和不同坝型组合的减沙效益。结果表明:(1)淤地坝建设在不同程度上改变了小流域沟道的侵蚀动力分布,坝系建成后沟道的侵蚀动力参数减幅最大。(2)小流域径流侵蚀功率表现为上中游剧烈变化,下游趋于稳定,且下游径流侵蚀功率明显小于上游。(3)淤地坝建设可以有效减小流域的输沙量,其中单独建设骨干、中型、小型坝相比流域未建坝时,输沙模数分别减少24.74%,47.11%,64.11%;流域坝系建成后减沙效益最明显,流域输沙量减少83.92%。研究成果可为黄土高原淤地坝减沙效益评估提供科学参考。

现代黄河口海岸侵蚀动力灾害预测探讨

自1976年黄河人工改道走清水沟流路以来，现代黄河口总体处于淤进状态。由于海洋动力的侵蚀作用，使得现代黄河口也产生了海岸侵蚀动力灾害，造成了水土流失。经过对河口地区1986-2004年间遥感图像进行比较分析，有关海岸位置的原始数据间存在有近似的二元一次线性相关关系，通过建立回归模型，对2005-2010年河口地区海岸侵蚀动力灾害进行了预测探讨，供有关部门参考。

高位堆积体远程滑坡动力侵蚀过程量化预测模型

高位远程滑坡快速解体后,往往形成碎屑流,会沿程动力侵蚀坡体表层第四纪松散物质,改变滑坡滑移动力学特征,导致滑坡体积显著放大,灾害效应强烈,已成为近年来防灾减灾研究的重点。首先,针对高位堆积体远程滑坡动力侵蚀过程量化预测问题,基于深度积分水动力计算理论与固液两相界面剪应力侵蚀模型架构,构建了高位堆积体远程滑坡动力侵蚀过程量化预测的连续介质数值模型,自主进行了数值实现,编制了具有二阶计算精度的软件程序DisasterFlowV1.0。然后,通过经典的溃坝水流算例验证,结果表明所构建的数值模型的数值求解格式正确并具有较好的总变差不增特性(total variation diminishing,TVD)。再后,通过对柏杨林高位堆积体远程滑坡案例动力侵蚀过程预测可知,所构建的数值模型与传统雪橇模型对该滑坡滑移速度预测结果基本一致,但相较于传统雪橇模型,所构建的数值模型对滑动路径地形的适应能力强,滑移速度预测值振荡性较小。最后,利用所构建的数值模型在时间和空间维度上对柏杨林高位堆积体远程滑坡的动力侵蚀过程进行量化表达,结果表明所构建的数值模型能够对该滑坡动力侵蚀过程中各历时的滑移深度、速度及侵蚀堆积深度进行量化,这是传统雪橇模型所不具备的。所做研究可充实高位远程滑坡动力侵蚀过程量化预测理论与技术体系。

植被-侵蚀动力学的初步探索和应用

植被侵蚀动力学是一个新的边缘学科,研究流域植被与侵蚀在人类活动影响下的演变规律.讨论了作用于植被的各种生态应力,给出了定量表达式并且统一在植被-侵蚀动力学方程组中.推导得出了动力学方程组的理论解并且用于模拟黄土高原安家沟流域和云南小江流域的植被侵蚀演变过程,结果表明动力学方程组精确地模拟了实际演变过程.利用动力学方程组和特征参数作出了植被侵蚀状态图,由此可以预测在停止人类干预后的植被发展趋势,说明了有效治理所需的治理强度和控制侵蚀对植被发育的重要性.植被侵蚀状态图还说明在雨量较丰、气温较高的云南高原小江流域,减少侵蚀是改善植被的重要措施,植被改善后比较稳定.而在比较干旱、水土流失严重的黄土高原上,增加植被能够明显地减少侵蚀,但控制侵蚀对于促进植被发育没有太大的作用.即使植被已经大大改善,仍然不稳定,还需要不断地护理才能维持植被的良性发育.

基于植被-侵蚀动力学的黄土高原分区及治理策略

为了控制水土流失,修复生态退化,对于中国黄土高原进行科学区划。以植被-侵蚀动力学理论为依据,将黄土高原划分为4个类型区:长城沿线区、黄土丘陵沟壑东区、黄土丘陵沟壑西区和黄土高原沟壑区。利用植被-侵蚀状态图,探讨了这4区控制侵蚀和修复植被的前景。该文所提出的综合治理策略是:黄土高原生态环境恶劣,只有黄土高原沟壑区具有自我修复功能,可通过治理,形成能承受一定程度破坏的植被;其他3区,只有通过小流域高强度治理,才能有效地改善植被和减少侵蚀,并需要持续的防护和治理才能维持。

河水动力侵蚀模型及其在构造地貌研究中的应用

活动造山带的地形地貌是构造运动与气候变化相互作用的产物。在地貌演化过程中,河流作为对构造-气候相互作用最为敏感的地貌单元,无论是流域平面展布还是河道剖面形态,都深受构造、气候、岩性等的影响;同时,这些因素及其变化特征也被流域水系所记录。研究造山带河流水系,从中提取构造活动和气候变化信息,有助于理解区域地貌演化过程.

植被覆盖坡面土壤侵蚀的水动力学机理

[目的]研究植被覆盖坡面土壤侵蚀发生的动力学机制,为揭示华北土石山区植被覆盖坡面侵蚀机理提供理论支撑。[方法]从坡面径流水动力学特性出发,基于人工模拟降雨的方法,定量研究油松、侧柏、栓皮栎和酸枣覆盖坡面径流水动力学过程和侵蚀过程的相互关系。[结果]侧柏覆盖坡面的产流量最大,平均总产流量为56.85 L。而产沙量最高的则是栓皮栎覆盖坡面,平均总产沙量高达1189.15 g。各植被覆盖坡面径流流速范围为0.803±0.213~4.276±0.430 m/min。栓皮栎覆盖坡面径流流速最快,平均流速为2.930 m/min。4种植被覆盖坡面径流雷诺数和弗劳德数范围分别为7.271~62.630和0.177~0.900,径流雷诺数与弗劳德数均随着降雨强度的增大而增大。[结论]坡面植被覆被具有良好的减流减沙效果。植被覆盖坡面径流水动力学要素与产沙率密切相关,是预测土壤侵蚀过程的重要因子。

中国土壤风力侵蚀空间格局及驱动因子分析

利用遥感与地理信息系统方法对全国土壤风力侵蚀状况进行了宏观调查 ,建立了全国1∶ 1 0万土壤风力侵蚀数据库。对导致土壤风力侵蚀的原因进行分析 ,指出风速、土壤干燥度、地表植被指数、土壤质地和坡度是土壤风力侵蚀的重要驱动因子。分析了这些因子与土壤侵蚀的空间关系。利用主成份分析方法 ,建立风力侵蚀动力指数模型。模型输出的风力侵蚀动力指数与全国土壤风力侵蚀遥感调查的结果有较好的一致性 ,表明土壤风力侵蚀动力指数可以较好地反映地区土壤风力侵蚀过程 ,并对沙漠化治理有指导意义。

土壤分离与坡面流侵蚀水动力的相关性研究

土壤分离与坡面流侵蚀是当前我国环境问题中较为重要的一项内容,由于水土流失现象严重以及环境的恶化,我国土壤分离和坡面流侵蚀研究的工作越来越繁重。通过研究土壤分离与坡面流侵蚀中的水动力,制定防治水土流失的措施,以此提升我国的环境保护水平。分析了土壤分离与坡面流侵蚀水动力的相关性,希望为土壤分离与坡面流侵蚀水动力的相关性研究提供参考。

不同空间尺度次暴雨径流侵蚀功率与降雨侵蚀力的对比研究

【目的】提出径流侵蚀功率的概念,对比分析降雨侵蚀力和径流侵蚀功率在表征次暴雨水力侵蚀动力上的优劣。【方法】基于次暴雨洪水过程中径流深和洪峰流量模数2个重要的水文特征参数,提出了径流侵蚀功率的概念,并利用岔巴沟流域团山沟径流场和纸坊沟流域2个不同空间尺度实测降雨径流泥沙资料,对径流侵蚀功率和降雨侵蚀力表征次暴雨水力侵蚀动力的优劣进行了比较。【结果】径流侵蚀功率可以更好地表征坡面和流域尺度的次暴雨水力侵蚀动力,更能体现天然降雨和下垫面特性对次暴雨侵蚀产沙的综合影响。【结论】与通用的降雨侵蚀力相比,径流侵蚀功率更适宜用作坡面、流域尺度次暴雨侵蚀产沙模型的侵蚀动力因子。

地形因子对紫色土坡耕地土壤侵蚀作用的试验研究

地形因子在坡耕地土壤侵蚀过程中起着重要作用,重庆市紫色土坡耕地的地形具有坡度陡、坡长短的特点。该文采用野外人工模拟降雨方法研究了不同地形因子条件下紫色土坡耕地的产流产沙特征,结果表明:(1)径流输沙率过程与雨强变化表现为具有一定相关性和一致性的动态响应过程,随着坡长增加,产流量增加很快,4m坡长的产流量约为2m坡长的2.7倍;在20.6°坡度以下,随着小区坡度增大,产流量以接近直线的关系增长,在20.6°时产流量增加到最大。(2)相同坡长小区不同降雨条件下的产沙量存在一定波动性,相同坡度和降雨下4m坡长小区的产沙量约为2m小区的1.3倍,经推导,4m坡长坡耕地径流输沙率大致为2m坡长的0.48倍。(3)在相同坡长条件下,坡度与土壤流失量可拟合为二次多项式关系,紫色土坡耕地土壤侵蚀的临界坡度约为22°。研究成果可为重庆市三峡库区坡耕地水土流失量预测和坡耕地综合整治提供参数和依据。

福建省花岗岩坡地沟谷侵蚀试验研究初报

根据野外考察和定点径流泥沙资料,对花岗岩坡地沟谷侵蚀动力机制、径流泥沙运行规律、发育过程、侵蚀模数等进行定量分析。指出浅沟在坡地折坡处是引发切沟发育的主要地段,是浅沟治理的重点部位。崩岗沟发育地区土壤侵蚀模数大,是花岗岩坡地水土流失防治的重点。

科学出版社新书推荐

由西北农林科技大学郑粉莉教授领衔编著的《浅沟和切沟侵蚀研究》已于2023年12月在中国科学出版社出版发行。本书针对流域侵蚀治理的迫切需要,聚焦浅沟和切沟侵蚀过程量化与机理研究的前沿领域,基于大量的野外定位观测和控制条件模拟试验资料,结合立体摄影测量和三维激光扫描等现代测量技术,揭示了浅沟和切沟的发生发展过程,明确了降雨、汇流、壤中流和土壤管道流等侵蚀动力和地形因子对沟蚀过程的影响。

黄丘区小流域暴雨径流动力特征对淤地坝配置的响应

为定量揭示淤地坝措施配置对黄丘区小流域暴雨径流形成及演进过程的影响,采用室内小流域人工模拟降雨试验,对不同淤地坝措施布设情景下(无坝、单坝、双坝)小流域不同断面径流的水动力、侵蚀动力特征进行研究。结果表明:径流量与含沙量整体均随时间推移而增大,无淤地坝布设情景下径流量增幅为114.60 cm^(3)/s,双坝情景的径流量增幅仅有70.11 cm^(3)/s;淤地坝对小流域暴雨径流演进过程的影响显著,淤地坝布设后径流流态由主要的紊流—缓流变为以层流—缓流为主,雷诺数Re减小幅度达到12.04%~85.85%;动力参数中径流功率ω和雷诺数Re可以被认为是能够较好描述不同淤地坝布设下侵蚀产沙的动力因子。研究结果对于揭示流域暴雨径流过程及成灾机理具有重要现实意义,可为科学评价水土保持措施调控径流过程的效应提供理论依据。

基于地理探测器的江苏省沿江地区土壤侵蚀定量分析

[目的]研究江苏省沿海地区土壤侵蚀空间分布特征,识别主要影响因素并开展驱动力因子定量归因,为该区域水土流失防治与生态环境建设提供科学指导。[方法]以江苏沿江地区为对象,基于高分辨率遥感影像、数字高程模型和长系列降雨等数据,采用中国土壤流失方程、地理探测器等方法,探索土壤侵蚀空间分异性的主导影响因子及其交互作用影响程度,识别土壤侵蚀高风险区域。[结果]①平原区与山丘区土壤侵蚀均以坡度与土地利用类型为主导因素。茶园的土壤侵蚀以植被覆盖度为主导,其他类型土地的土壤侵蚀均以坡度为主导因子。②土壤侵蚀的主导交互作用为坡度叠加土地利用类型。茶园与草地主导交互作用因子为坡度叠加植被覆盖度,其他类型土地的土壤侵蚀主导交互作用因子为坡度叠加降雨量。③果园、茶园、林地与生产建设活动扰动地的土壤侵蚀高风险区域位于坡度>20°,降雨量1300~1400 mm,植被高覆盖度的丘陵山区。[结论]地理探测器操作简便,结果包括单因子影响、两因子交互作用及风险区域分析。江苏省生产建设活动扰动地、园地的水土流失问题应引起密切关注。

不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响

针对植被防护堆积体侵蚀动力机制的问题,通过野外模拟降雨试验,分析直根系和须根系植被对堆积体径流流速、水力和水动力参数的影响。结果表明:植被削减堆积体平均侵蚀速率达88.34%~92.88%,直根系消减平均流速效益为50.51%,须根系为21.32%~35.61%;裸坡和植被堆积体径流流型均属于层流(雷诺数<40),裸坡径流在降雨强度≤1.2 mm/min时处于急流态,直根系堆积体均处于缓流态,须根系堆积体在急流态和缓流态间变化。直根系对坡面径流的阻滞作用大于须根系;植被防护下堆积体侵蚀速率、水力和水动力参数与裸坡呈显著性差异(P<0.05),径流剪切力和径流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程,呈显著线性关系(R2为0.63~0.96)。研究成果可为生产建设项目工程堆积体水土流失量预测模型的植被因子修订提供科学依据。