湖南武水流域泥沙颗粒特性及分形规律研究

流域土壤流失的泥沙颗粒及其分布与流域土壤有关,影响流域土地质量和输沙过程。以武水流域天然河道的53次降雨径流输沙过程实测资料为基础,运用R-R(Rosln-Rammler)粒径分布函数法分析了泥沙颗粒级配特性及其分形规律。结果表明,流域多年均悬移质泥沙颗粒组成为粘粒11%、粉粒51%、细砂粒32%和粗砂粒6%,以粉粒和细砂粒为主体,占83%。1981年以后,悬移质泥沙颗粒中粘粒和粉粒含量相对减少,悬移质泥沙颗粒呈变粗的趋势。悬移质泥沙颗粒组成具有分形特征,分形维数D与小于0.005 mm粉粒及粘粒含量呈较显著相关,与中值粒径相关性较差。流域推移质泥沙颗粒中值粒径平均为0.874 mm,推移质泥沙以砂、石砾为主。推移质泥沙颗粒组成具有分形特征,分形维数D与小于0.3 mm细砂及粉粒含量呈显著相关。流域泥沙级配及其变化,有利于分析泥沙来源,采取相应的治理措施,控制泥沙。     

典型淤地坝坝控流域水土保持措施的合理性分析

[目的]分析淤地坝坝控流域水土保持措施的合理性,为黄土高原的淤地坝建设与规划提供科学指导。[方法]对黄土丘陵沟壑区第一副区两座典型淤地坝进行分层土样采集,通过室内试验用常规方法对土样的颗粒组成进行了分析计算,在此基础上,利用分形理论,计算了分层土样颗粒组成的分形维数,分析了两座淤地坝坝地分层淤积物颗粒组成与其分形维数随淤积年限的变化趋势。[结果]两座典型淤地坝粒径组成的分形维数随淤积年限的增大都呈现逐渐减小的趋势。[结论]该典型淤地坝坝控流域不同土地利用类型表层或者更深层的土壤存在沙化趋势,淤积年限内坝控流域水土保持措施配置不合理。     

模拟降雨下覆沙坡面侵蚀颗粒特征研究

风水交错侵蚀是风蚀水蚀交错区土壤侵蚀的主要形式,研究风水交错侵蚀对土壤颗粒的影响对于进一步研究风水交错侵蚀耦合机制及其对环境的影响有重要意义。采用人工模拟降雨试验,研究不同雨强和覆沙厚度及长度)条件下覆沙坡面侵蚀泥沙颗粒的变化特征。结果表明:不同降雨条件下侵蚀泥沙颗粒中粉粒和砂粒的含量较高,分别达到了48.86%、42.77%;坡面覆沙后,侵蚀泥沙中以粗颗粒居多,以黄土作为供试土壤,表层覆盖沙物质以后,仅有黏粒的富集率大于1;侵蚀泥沙的分形维数随着覆沙厚度和长度的增大而减小,d50则随着覆沙厚度和长度的增大而增大;覆沙厚度和长度对分形维数和d50的影响大于雨强。     

元谋干热河谷区土壤粒径分布分形特征

应用JL-1177激光粒度分布测试仪,获取元谋干热河谷区内三种不同土地利用方式下45个土壤样品的粒径分布(PSD),利用分形几何学方法分析土壤粒径分布分形特征。结果表明:1)元谋干热河谷区土壤分形维数D分布在1.8854~2.7709,平均值为2.2895,D值与土壤粉粒含量线性相关较显著,其大小顺序为粉壤土粉土,林地土壤草地土壤裸地土壤。2)土壤分形维数D与土壤黏粒、砂粒含量呈正相关,与粉粒含量呈负相关。3)偏相关分析表明,0.5~0.25 mm与0.05~0.02 mm粒径含量越高,土壤分形维数D越低,0.25~0.05 mm与0.02~0.002 mm粒径含量越高,土壤分形维数D越高。     

黄土高原水蚀风蚀交错区小流域泥沙粒径的分形分析

泥沙颗粒特征是表征泥沙表面形态、泥沙机械组成、排列模式及泥沙絮凝现象的主要物理属性之一。在水土流失严重的水蚀风蚀交错区,不同地表覆被类型的侵蚀产沙方式和粗泥沙的侵蚀产沙强度很不均衡,导致其泥沙粒径分布的差异很大。以黄土高原典型淤地坝为例,采用分形原理和多重分形理论研究淤地坝坝控小流域泥沙粒径的分形特征,结果表明:淤地坝坝内泥沙与坡面泥沙存在线性关系,相关系数高达0.93;泥沙粒径分形维数D在淤地坝坝内垂直方向上随泥沙颗粒的增大而减小;分形的5个特征参数D,D（0）,D（1）,D（2）,D（0）/D（1）均表明不同地表覆被类型下,草地的粒度分布较均匀,裸地次之,分布最狭窄的是砂岩,该结果可为小流域泥沙来源和水土保持治理措施提供重要依据。     

黄土高原丘陵沟壑区临界地貌侵蚀产沙特征

深入研究流域临界地貌形态对侵蚀产沙的作用机制至关重要,也是建立流域侵蚀产沙预测模型的关键所在。该研究以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟为研究对象,开展了流域次降雨侵蚀产沙的BP人工神经网络(back propagation artificial neutral network,BPANN)模型与多重线性回归(multiple linear regression,MLR)模型比较研究,定量分析了流域侵蚀产沙的敏感因子及影响程度,并使用分形信息维数临界值和相对应的变量建立临界地貌侵蚀产沙预测模型,阐明临界地貌侵蚀产沙特征。结果表明,在侵蚀产沙模数预测方面,BPANN模型较MLR模型具有更好预测性能,能够有效表征综合条件下侵蚀产沙的动态变化过程。径流深和径流侵蚀功率对侵蚀产沙以及水文响应的影响程度受地貌形态因素制约。当分形信息维数大于地貌临界值时,采用径流侵蚀功率的预测精度高于径流深;相反,分形信息维数小于地貌临界值时,采用径流深的预测精度高于径流侵蚀功率。以分形信息维数为界,分别引入径流深或径流侵蚀功率所建立的临界地貌侵蚀产沙预测模型,具有较高的预测精度,具有一定的可行性、可靠性和普适性。     

PLA平铺沙障对沙丘土壤颗粒分形特征的影响

采用室外调查与室内分析相结合的方法,统计分析了毛乌素沙地PLA沙障铺设5年后的土壤颗粒粒径组成、分形维数及其与土壤砂粒(0.05 mm)、粉粒(0.05~0.002 mm)和黏粒(0.002 mm)含量的之间的关系。结果表明:研究区沙物质颗粒主要以粒径大于0.05 mm的细沙、极细沙为主。设置PLA沙障后,导致沙丘中粗沙含量减少,黏粒物质增加。沙障规格对土壤分形维数的影响表现为规格越小,土壤分形维数越大。沙丘表层分形维数与砂粒含量(0.05 mm)呈极显著的负相关关系,而与黏粒含量呈极显著的正相关关系。该地区颗粒分形维数的临界粒径为0.05 mm粒径物质,低于0.05 mm的颗粒含量越多,分形维数越高,反之则越低。设置PLA沙障后,黏粒物质聚集和沙粒物质的降低共同导致分形维数的增加。     

金沙江干热河谷区退化土壤结构的分形特征研究

分形理论是近年来兴起的一种新的研究工具。分析结果表明 :土壤粒径分布的分形维数能客观地反映退化土壤的结构状况和退化程度 ,可作为退化土壤结构评价的一项综合性定量指标。退化土壤的分形维数与土壤颗粒组成和微团聚体组成之间存在着明显的相关性。土壤中 <0 .0 0 1mm粘粒含量越高 ,>0 .2 5 mm团粒含量越低 ,则分形维数越高 ,结构性越差。对于同一土壤退化系列 ,分形维数越高 ,土壤退化越严重。     

杨树低效林下土壤粒径分布与分形特征

[目的]研究鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤粒径分布与分形特征,为该地区杨树低效林的成因分析及改造提供基础依据,并为杨树人工林的科学管理提供参考与决策支持。[方法]使用Mastersizer3000激光衍射粒度分析仪测量土壤粒径,采用土壤颗粒体积分形维数模型计算分形维数D值,并测定土壤养分。[结果]①鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤颗粒组成主要以细砂粒(42.33%)、极细砂粒(15.72%)、中砂粒(19.77%)为主;主要土壤质地类型为砂土;土壤颗粒的分形维数D值在1.222 5～2.204 5范围内,处于较低水平。②土壤颗粒分形维数D值与粉粒、极细砂粒、细砂粒含量呈显著正相关关系,与中砂粒、粗砂粒、极粗砂粒呈显著负相关关系。③随着土层加深,粒径250μm的土壤颗粒含量增加,粒径250μm的土壤颗粒含量减少;土壤颗粒分形维数D值随土层加深而增大,增大幅度不大。④土壤颗粒分形维数D值与土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷含量的关系均未达到显著水平,土壤各养分含量的变化对分形维数D值没有显著影响。[结论]鄂尔多斯地区杨树低效林下土壤颗粒组成以砂粒为主,土壤分形维数较低,土壤结构极不均匀,这样的土壤结构对杨树的正常生长发育极为不利,不良的土壤结构也在一定程度上导致了低效林的形成,因此在对杨树低效林进行预防和改造时也要改善林下土壤结构。     

流域地貌分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系试验研究

流域地貌形态科学、准确和综合量化成为建立具有广泛适用性的流域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定量研究开辟了新的思路。本文依据分形理论，在建立小流域概化模型基础上，采用模拟降雨试验、高精度摄影测量和GIS技术，对流域模型地貌形态分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系进行了研究。结果表明，基于消除了降雨特征影响的相对输沙率，可将流域模型侵蚀产沙过程划分为初期、活跃期和稳定期3个阶段；在不同侵蚀产沙时段，流域模型地貌形态分形信息维数Di呈现与相对输沙率Sr基本类似的变化趋势，即先增大再减小、最后趋于平稳；流域模型相对输沙率Sr与地貌形态分形信息维数Dr以乘幂形式呈显著正相关，相关指数r^2为0．7423；地貌形态分形信息维数Dr较好反映了地貌形态特征对流域模型侵蚀产沙过程的影响，可以作为流域模型侵蚀产沙过程预报地貌形态特征综合量化指标。     

基于土壤颗分粒径的泥沙来源量化研究

[目的]揭示黄土高原风水复合侵蚀区风力作用对水蚀的影响,为具有不同泥沙粒径侵蚀物质来源识别提供一种有效的方法支撑,也为风水复合侵蚀区侵蚀泥沙来源辨识提供理论参考。[方法]以覆沙模拟风蚀产物,基于室内模拟试验,研究覆沙之后坡面侵蚀发育特征,同时为了有效区分不同时刻侵蚀物质的来源,尝试采用泥沙粒径作为指纹因子进行侵蚀泥沙来源贡献的辨识。[结果]不同泥沙粒径组的3个指纹因子(粒径范围分别为：26.303～34.674,104.713～138.038,138.038～181.970μm)通过检验被确定为最佳指纹因子。基于最佳指纹因子,通过多元混合模型计算得出,在对同一土槽进行的3个阶段模拟降雨试验中覆沙层和黄土层的平均泥沙贡献率分别为48.2%和51.8%,24.8%和75.2%,6.8%和93.2%,且MAF>0.8。覆沙层的泥沙贡献率为第一阶段试验>第二阶段试验>第三阶段试验,计算结果与DEM相吻合。[结论]泥沙源地和侵蚀泥沙中的不同泥沙粒径组可作为指纹因子进行泥沙来源辨别,复合指纹法具有较好的适用性。     

南方水蚀区不同侵蚀程度土壤粒径分形研究

土壤粒径分布是土壤和环境要素综合作用的结果,因而可藉以指示环境要素的某种性状。对南方水蚀区不同侵蚀程度下土壤粒径的分布特征进行研究,计算土壤粒径分布分形维数值,并分析其与土壤质地和土壤侵蚀程度的关系。结果表明,研究区土壤质地主要为砾石土,其2 mm以下的体积分形维数和重量分形维数分别介于2.52～2.99和2.48~2.73之间,粒径重量累积百分比在2 mm处产生显著变化,粒径域的重量分形维数在2 mm以上和2 mm以下分别为1.79~2.81和2.52~2.79。2 mm以上粒径域的重量分形维数与土壤质地和土壤侵蚀程度呈显著的相关性。土壤质地越细,或土壤侵蚀越轻微,2 mm以上粒径域的重量分形维数越大,反之亦然。故土壤2 mm以上粒径域的重量分形维数可综合表征研究区土壤质地和土壤侵蚀程度。     

毛乌素沙地樟子松人工林恢复过程中土壤粒径演变特征

[目的]研究土壤颗粒分形维数与樟子松人工林恢复时间的关系,为评价毛乌素沙地植被恢复对土壤颗粒特征的影响提供数据支撑。[方法]以自然荒草地为对照,选择不同恢复年限樟子松人工林土壤为研究对象,分析了不同林龄樟子松林下土壤基本理化性质、颗粒粒径含量和分形维数,开展毛乌素沙地樟子松人工林恢复过程中土壤粒径演变特征研究。[结果] 3种不同林龄樟子松土壤中细砂粒含量最多,极粗砂粒含量最少,并且随着土层深度的增加细砂粒含量和粗砂粒含量呈增加的趋势,而黏粒含量、粉粒含量以及极细砂粒含量呈现减少的趋势。随着土层深度的增加土壤中全氮、全磷、有机质以及土壤含水率均呈现减小的趋势。不同林龄下樟子松土壤颗粒分形维数范围为2.27～2.71,均值大小顺序表现为50 a>60 a>40 a>CK;全氮含量和土壤含水率的均值大小顺序均表现为60 a>50 a>CK>40 a;全磷含量和有机质含量的均值大小顺序均表现为60 a>50 a>40 a>CK。全氮、全磷和土壤有机质含量与分形维数间呈正相关关系,相关系数分别为0.391,0.418,0.522。[结论]樟子...     

湖北低山丘陵区侵蚀泥沙颗粒特征及其与地形因子的关系

坡面地形变化是影响侵蚀泥沙颗粒特征的重要因素,深入理解地形因子与侵蚀泥沙颗粒粒径组成及分选特征的关系是研究坡面土壤侵蚀动力学的基础。采用野外降雨试验和粒径分析试验,结合ArcGIS系统识别和提取得到地形因子数据,研究低山丘陵地区侵蚀泥沙颗粒特征及其与地形因子的关系。结果表明:(1)在试验条件下,侵蚀泥沙中黏粒和粉粒总含量远高于砂粒,粗颗粒含量与坡度因子呈显著正相关关系(p0.01),粗颗粒与洼地蓄积量呈显著负相关关系(p0.05)。(2)试验样地平均质量直径MWD变化范围为0.031～0.164 mm,分形维数D的变化范围为2.021～2.778,MWD和D的决定因素是粗颗粒含量多少。从整体来看,雨强对泥沙颗粒分选特征参数影响显著,MWD随雨强的增大而增大,D随雨强的增大而减小,二者与坡度因子呈显著相关关系(p0.05)。(3)回归分析表明,MWD、D与坡度因子、洼地蓄积量呈显著幂函数关系(R~20.5),结合相关性研究结果,将坡度因子作为侵蚀泥沙粒径模型研究的优先选择。研究结果旨在揭示地形因子对坡面侵蚀泥沙颗粒的作用机理,为土壤侵蚀模型的构建提供科学参考。     

内蒙古十大孔兑西柳沟流域土壤侵蚀及水土保持措施调查

[目的]内蒙古十大孔兑地区属黄河中上游多沙粗沙区和生态脆弱区,对该区典型流域西柳沟的土壤侵蚀进行实地调查,分析流域土壤侵蚀特征及成因,为该区水土流失防治提供科学依据。[方法]于2022年9月19—26日和2023年6月21—26日沿X640解柴线(解家营—柴沟堡)和G109京拉线(北京—拉萨)2条公路分别布设15个调查点和14个集水区,对调查点及集水区植被、土壤、土壤侵蚀特征和水土保持措施等进行调查。[结果]流域内草地片蚀较为严重,耕地侵蚀不严重,沟谷内裸地风蚀较为严重。上游黄土高原丘陵区沟蚀严重,且溯源侵蚀、下切侵蚀及沟岸扩张未停止,伴随较为严重的重力侵蚀。中游风沙区以风水复合侵蚀为主,大幅增加了流域的产沙总量。流域内道路建设及边坡开挖等人为扰动进一步加剧了侵蚀风险。径流泥沙含量测定结果验证了流域泥沙的主要来源为上游地区。流域内水土保持措施以植被措施及工程措施为主,虽已起到一定水土保持作用,但由于形式单一而未能发挥理想效果。[结论]西柳沟短历时高强度的降雨特点叠加下层砒砂岩土壤条件共同加剧了该区土壤侵蚀,经济发展压力下的人类活动扰动加剧了生态风险,当地政府亟需持续增加水土保持投入,提...     

坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性

侵蚀泥沙颗粒大小的分布在一定程度上影响着侵蚀泥沙的搬运和沉积,了解侵蚀泥沙的分选作用将有助于解释泥沙的侵蚀和沉积过程。该文以覆沙坡面为研究对象,采用室内模拟降雨的方法,选取坡度12°、雨强1.5 mm/min的黄土坡面上分别覆盖0.5、1.0、1.5 cm的沙层进行试验。结果表明:坡面覆沙后,坡面粗颗粒物质大部分在产流开始0~10 min内便被冲刷带走;侵蚀泥沙颗粒主要以粉粒为主;坡面覆沙后,在细沟间侵蚀阶段,径流优先搬运大于0.054 mm的颗粒,在细沟侵蚀阶段和细沟侵蚀及细沟间侵蚀的组合阶段,径流搬运的泥沙颗粒以小于0.054 mm的颗粒为主;同时,在产流前期(0~10 min)侵蚀泥沙颗粒主要以大于0.054 mm的颗粒为主;而在产流后期(10 min以后)侵蚀泥沙则主要以小于0.054 mm的颗粒为主。坡面覆沙后,黏粒以团聚体的形式存在,粉粒以单粒的形式存在,而沙粒以细颗粒聚集体的形式存在。该文为进一步研究泥沙沉积后风蚀对水蚀的影响提供数据支撑。     

毛乌素沙地西南缘不同土地利用类型土壤颗粒分形特征

为揭示毛乌素沙地西南缘农田、荒地、草地、灌丛沙堆和林地等土地利用类型的土壤分形特征与防风固沙效果的关系,采用野外取样与室内粒度分析相结合的方法,分析了该区5种土地利用类型的土壤颗粒粒径分布、分形维数以及土层深度与分形维数间关系。结果表明:(1)草地、灌丛沙堆以及林地的土壤粒度组成以极细沙、细沙和中砂为主,耕地和荒地则以粉粒和细砂为主;(2)研究区不同土地利用方式的土壤粒径分布和分形维数差异明显,荒地>农田>灌丛沙堆>草地>林地,随土层深度增加,林地分形维数值减小,草地分形维数值增大,荒地、农田和灌丛沙堆分形维数值变化不大;(3)分形维数与<100 μm和>100 μm粒径含量分别呈显著正相关和负相关,其大小由<100 μm的极细砂粒和粉粒含量决定。研究区内5种土地利用类型土壤颗粒粒径分布与分形维数差异显著,这综合反映出在不同植被效应与人为耕作后,土壤的颗粒组成会发生明显变化。研究结果可为毛乌素沙地西南缘防沙治沙以及土壤恢复提供理论依据。     

不同岩性风化物分形特征及其与渗透系数关系研究

为了探讨不同岩性风化物的结构组成和渗透性能,在野外采样和室内分析的基础上,选择小江流域9种岩性风化物作为研究对象,采用分形理论,分析了不同岩性风化物的分形特征及其与渗透系数之间的关系。结果表明:（1）岩性风化物具有显著的分形特征,分形维数值为2.567～2.833,其关系为白云岩 > 砂岩 > 第四纪沉积 > 玄武岩 > 千枚岩 > 泥质灰岩 > 粉砂岩 > 板岩 > 泥岩;（2）分形维数与 < 0.005,0.005～0.05 mm的粒径含量呈极显著正相关,与10～20,20～40,40～60 mm的粒径含量呈极显著负相关,与其他粒径含量相关性不显著;（3）多元线性回归分析发现, < 0.05 mm的粒径是决定不同岩性风化物分形维数的决定粒径;（4）分形维数与渗透系数呈显著的一次函数关系:y=-276.84x+810.66,分形维数越大,细颗粒物质越多,渗透系数越小,渗透能力越差。因此,分形维数可以作为表征不同岩性风化物粒级组成和渗透性能的参数,可以为泥石流起动发生的研究提供一定的理论依据。     

伏牛山区迎河小流域不同土地利用类型的土壤粒径分布特征

为探讨伏牛山区坡耕地土壤物理性能的退化特征,在河南省鲁山县迎河小流域,利用激光粒度仪和土壤分形模型,比较分析了4种土地利用类型的土壤粒径分布(PSD)及其分形特征.研究结果表明:1)土壤PSD简单分维(Dv)以乔木林地最高(2.658),坡耕地最低(2.489),多重分维(容量维D0、信息维D1、关联维D2)以乔木林地最高(0.941、0.926、0.91),坡耕地最低(0.927、0.899、0.849).不同分形参数均表现为:坡耕地＜灌草坡地和水平梯田＜乔木林地;2)土壤PSD的Dv、D0、D1和D2,与黏粒和粉粒体积分数显著正相关,与砂粒体积分数显著负相关.因此,利用土壤PSD简单分形和多重分形维数,可量化表征土壤质地的粗细程度和非均匀性质的差别;坡耕地土壤质地的粗粒化程度和非均匀性明显大于其他土地利用类型;土壤细粒(黏粒和粉粒)物质流失是坡耕地土壤质地粗粒化和非均匀程度增大的重要原因.