7·26暴雨下不同土地利用坡面浅沟沟槽发育特征及体积估算

为明确黄土高原"7·26"特大暴雨下不同土地利用坡面浅沟沟槽形态发育特征,该文以黄土高原沟壑区岔巴沟流域为研究对象,采用实地的方法,研究休闲地、农地和撂荒地坡面浅沟沟槽侵蚀形态特征和沟槽体积估算。结果表明:1)休闲地、农地和撂荒地浅沟沟槽发育宽度集中分布在30～70cm、深度集中分布在20～60 cm、断面面积集中分布在0.05～0.25 m~2;沟槽平均宽度分别为46.46、47.41和43.11 cm,深度为47.11、36.06和41.47 cm,断面面积为0.23、0.17和0.19 m~2,其中,休闲地坡面沟槽深度和断面面积均显著高于农地(P0.05)。2)休闲地和农地的宽深比均为浅沟上坡段下坡段中坡段,而撂荒地为下坡段上坡段中坡段;三者宽深比均大于1且农地平均宽深比显著高于休闲地和撂荒地(P0.05),即3种土地利用坡面沟槽的横向侵蚀速率高于沟底下切速率。3)休闲地、农地和撂荒地坡面浅沟沟槽平均侵蚀体积分别为5.9、3.26和4.5m~3,其中,休闲地地侵蚀体积显著大于农地(P0.05)。4)3种土地利用坡面浅沟沟槽侵蚀体积可分别采用浅沟长度的线性函数、幂函数和指数函数进行估算。     

降雨和汇流条件下浅沟侵蚀过程试验研究

[目的]探究含沙水流汇入对含有浅沟微地形的裸土和草地坡面的侵蚀产沙过程的影响,为该地区浅沟侵蚀治理提供理论依据,并为坡沟系统的土壤侵蚀模型建立奠定基础。[方法]通过降雨和放水相结合的野外模拟试验和人工建筑的浅沟模型开展研究。[结果]含沙水流汇入裸土浅沟坡面的侵蚀量增加了15%～58%,而对草地浅沟坡面的侵蚀影响不显著,说明草地恢复对于减少由汇流作用的侵蚀具有显著效益。试验条件下裸坡和草地坡面泥沙浓度都在产流开始时达到最大然后逐渐降低,最后达到稳定,然而含沙水流汇入使得泥沙浓度达到稳定所需的时间延长。含沙水流汇入能够显著增加浅沟发育速度,特别是浅沟沟宽和下切深度增加明显,草地恢复可以显著减缓浅沟的下切侵蚀,进而减缓浅沟的发育速度。对于裸土和草地浅沟坡面,含沙水流汇入显著增加了浅沟部位流速,尤其是草地浅沟部位各坡段流速平均增幅达到了55%。[结论]增加含沙水流汇入会显著增加裸坡坡面上的浅沟侵蚀量和浅沟的发育速度,而对草地坡面上浅沟的侵蚀和发育影响不显著。     

浅沟发育对土壤侵蚀作用的研究

浅沟是坡面细沟侵蚀发生与发展的产物。浅沟形成后,改变了原坡面形态,加速了侵蚀作用过程,增大了土壤侵蚀量。本文采用人工模拟降雨装置在黄土小区上进行试验,结合野外调查,对浅沟侵蚀进行了研究:坡面浅沟的分布密度变化于10～65km/km~2之间;深度变化于0.3～3m之间,并且以1～2m的为多;新倾斜面的倾角变化于10°～30”之间。在相同降雨条件下,浅沟发育坡面的产沙率比未发育浅沟坡面的产沙率要大,二者可相差3倍多。当雨强为1.31mm/min和2.4mm/min时,有浅沟发育坡面的侵蚀量分别增加0.66倍和0.386倍。据估算,由于浅沟的存在,黄土丘陵沟壑区沟间地坡面的侵蚀量将增加25％左右。     

雨强和坡度对黄土陡坡地浅沟形态特征影响的定量研究

浅沟形态特征是建立陡坡地坡面浅沟侵蚀预报模型的基础。为了定量研究黄土陡坡地浅沟形态特征,在长8 m、宽2 m、深0.6 cm的试验土槽上制作了雏形浅沟,设计了2个降雨强度(50、100 mm/h)和3个浅沟发生的典型坡度(15°、20°、25°),利用模拟降雨和径流冲刷(10 L/min)相结合的试验方法定量分析了黄土陡坡地的浅沟形态特征。结果表明:降雨强度和坡度的增加均加快了坡面浅沟侵蚀过程并使浅沟沟槽宽度和深度不断增加,25°和100 mm/h降雨强度下的浅沟沟槽平均宽度和深度比15°和50 mm/h降雨强度下的分别增加1.40和0.61倍。根据测针板法得到的3 cm×10 cm精度的地表高程值数据,在Surfer软件中生成不同试验处理下的地面数字高程模型(DEM,digital elevation model)及水流流路图等,发现坡度的增加使两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长增大,而降雨强度的增加则导致浅沟沟槽两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长缩短,同时,沟道密度、地面割裂度和浅沟复杂度均随着降雨强度和坡度的增加而呈现增大的趋势,三者分别变化于0.74~1.48 m/m2、0.13~0.29和1.64~2.84之间,而不同降雨强度和坡度条件下浅沟沟槽宽深比变化于0.65~1.27之间。基于不同试验处理下的DEM,根据相邻格网关系在水平方向上计算方向导数后发现,方向导数格网等值线图可以有效地反映坡面浅沟和细沟的长度、表面积及侵蚀最严重的浅沟沟底位置。     

人为破坏植被开垦耕种对坡面细沟侵蚀的影响

作者利用野外调查资料和人工降雨资料研究了人为破坏植被开垦地耕种对细沟侵蚀的影响。所得结论为人为破坏植被开垦地耕种坡面细沟侵蚀急剧发展。细沟宽为5～30cm,深为5～15cm,此细沟深度值小于陕北安塞一带坡面上的细沟深;细沟侵蚀量为2200～6700t/（km²·a）,也小于安塞一带坡面上的细沟侵蚀量。在片蚀+细沟侵蚀带,一旦坡面上发生细沟侵蚀,则随着坡面土壤侵蚀的继续进行,细沟侵蚀占主导地位,而细沟侵蚀方式以沟头溯源侵蚀为主。降雨和地形因子对细沟侵蚀的影响非常明显。     

降雨、汇流和坡度对黑土浅沟坡面侵蚀影响的试验研究

[目的]为研究降雨、汇流和坡度对浅沟侵蚀的影响,实施精确的水土保持措施。[方法]通过室内模拟降雨和汇流试验,设计2个降雨强度(50,100 mm/h)和2个坡度(3°,7°),并在4种降雨强度和坡度组合下设置5个依次增加的汇流强度(15,30,45,60,75 L/min),分析降雨、汇流和坡度及其交互作用对浅沟坡面侵蚀的影响,明确浅沟侵蚀对坡面侵蚀的贡献。[结果](1)坡度和汇流强度对浅沟坡面侵蚀的影响均大于降雨强度。当降雨强度由50 mm/h增加到100 mm/h时,3°和7°对应的坡面侵蚀量分别增加52.3%～81.8%和29.4%～88.4%;而当坡度从3°增大到7°,50,100 mm/h降雨强度对应的坡面侵蚀量分别增加114.3%～395.5%和130.0%～320.9%;当汇流强度由15 L/min增加至75 L/min,坡面侵蚀量增加4.6～13.5倍。同时,汇流强度的增加加剧坡度对坡面侵蚀的作用,而减弱降雨强度对坡面侵蚀的影响。(2)降雨、汇流、坡度双因子和三因子交互作用对浅沟坡面侵蚀的影响以汇流强度—坡度交互作用和降雨强度—汇流强度—坡度三者的交互作用的影响最大,其...     

黄土区浅沟侵蚀沟槽发育及其水流水力学基本特性模拟实验研究

浅沟侵蚀是黄土区坡面侵蚀重要的侵蚀类型,通过模拟试验发现了浅沟侵蚀形态发育过程中宽深比的变化规律及其水流流态特性。结果表明:浅沟沟槽侵蚀发育重要参数宽深比的变化规律与是否进行耕作处理关系密切,随着侵蚀的进行其宽深比逐渐减小,并且稳定在1左右;浅沟水流属于紊流,其雷诺数随着坡度和雨强的增大而增大。耕作和汇水面积的增大造成雷诺数的波动范围变大;浅沟水流在急流和缓流之间不断转换。相同条件下,耕作使得浅沟水流的弗汝德数Fr值变小,且随着雨强和坡度的增大,耕作对弗汝德数的影响越来越小。研究结论对完善黄土区坡面侵蚀研究具有重要意义。     

陕北黄土区浅沟土壤水分空间分布特征

以陕北黄土区吴起县合沟流域浅沟土壤水分为研究对象,通过对研究区不同深度、不同坡向、不同坡位的浅沟土壤水分空间分布特征进行研究。结果表明:(1)根据浅沟与原状坡油松生长量关系,将浅沟划分为深浅沟(40 cm≤浅沟深度)和浅浅沟(20 cm≤浅沟深度40 cm);(2)研究区浅沟土壤水分高于原状坡;浅沟土壤水分在0—60 cm土层聚集,原状坡则在0—40 cm土层聚集;(3)浅沟不同土层土壤水分变异程度不同,阳坡土壤水分变异性较阴坡小;20—60 cm土层中,浅沟土壤水分变异系数较大,土壤水分较活跃,其他土层变异系数较小,土壤水分较稳定;(4)不同坡位、不同坡向和不同深度的浅沟土壤水分存在显著差异;在浅浅沟中,土壤水分表现为下坡位上坡位中坡位;深浅沟则为上坡位下坡位中坡位;在浅沟内,阴坡在中、下坡位土壤水分显著高于阳坡,阳坡上坡位土壤水分则高于阴坡;原状坡阴坡土壤水分显著高于阳坡。     

漫岗黑土区坡耕地中雨季浅沟发育机制

典型黑土区雨季的浅沟侵蚀非常严重，为制定有效的预防措施，分析坡耕地中浅沟的发育机制以及浅沟造成的实际水土流失量是十分必要的。通过在典型黑土区3年的野外调查，结合坡长小区的试验观测资料，分析了雨季浅沟的发育机理，结果表明：由微地形起伏以及不合理的耕作方式造成的一定范围内的水流汇集是漫岗黑土区发生浅沟侵蚀的主要原因，集水线处垄沟内的泥沙淤积使该处的水道连通是诱发浅沟侵蚀的直接原因；而只量算浅沟体积得到的侵蚀量并不能真实的反映浅沟侵蚀实际的破坏力，其汇水坡面上的侵蚀量也相当客观，甚至大于沟道的侵蚀量。     

基于RS和GIS的黄土丘陵沟壑区浅沟侵蚀地形特征研究

为了解黄土高原浅沟侵蚀地形特征,基于Qucickbird高分辨率遥感影像和数字高程模型,提取了坡面浅沟及其地形参数,并对浅沟侵蚀的地形特征参数和分布规律进行了统计分析,结果表明：黄土丘陵沟壑区,坡面坡度、长度、坡向以及上坡长度是影响坡面浅沟数量的主要地形要素,而浅沟侵蚀地形特征主要由坡面坡度、坡面长度、上坡长度和汇流面积共同决定;坡面长度与浅沟平均长度呈显著线性关系,坡面坡度与浅沟频度、浅沟坡度与其上坡长度间则均满足二次曲线;发生浅沟侵蚀的上限与下限临界坡度分别介于26～27°和15～20°,临界坡长介于50～80 m;由浅沟坡度的正弦值与汇流面积确定出浅沟分布的临界曲线;阳向坡面的平均浅沟长度小于阴向坡面。基于RS和GIS技术能有效确定浅沟侵蚀地形特征,为黄土区坡面水土流失治理提供了技术支撑。     

特大暴雨下不同土地利用类型坡面切沟发育特征

切沟侵蚀是黄土高原丘陵沟壑区水土流失的重要形式之一，然而极端暴雨条件下不同土地利用类型坡面切沟侵蚀研究还鲜见报道。该研究以陕北2017年"7·26"特大暴雨为例，研究了岔巴沟流域3种土地利用类型（农地、休闲地和撂荒地）坡面切沟发育形态特征及体积估算模型。结果表明：1）农地、休闲地和撂荒地切沟长度分布在20 m内的占比分别为55.6%、34.8%和44.8%；农地切沟平均深度为110 cm，分别比休闲地和撂荒地高18.3%、19.2%；农地和休闲地切沟平均宽深比分别为0.87和0.84，横断面呈"宽-浅型"，而撂荒地切沟呈"方型"（宽深比1.01）。2）撂荒地切沟侵蚀体积分别比农地和休闲地减少47.8%和28.3%，表明植被恢复有效地削弱了极端暴雨作用下的切沟侵蚀。3）农地切沟不同坡段侵蚀体积由高到低为下坡、上坡、中坡，而休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积沿坡长方向呈递增趋势；3种土地利用类型切沟在上坡段的沟岸拓宽速率大于下切速率，中下坡则相反。4）农地、休闲地和撂荒地切沟侵蚀体积均与切沟长度、横断面面积呈极显著幂函数关系（P<0.001），横断面面积是切沟体积估算更为有效的参数。研究结果可为黄土高原丘陵沟壑区不同土地利用类型坡面切沟侵蚀体积估算及其防治提供重要依据。     

黄土丘陵沟壑区微地形对土壤水分及生物量的影响

黄土丘陵沟壑区坡面内地表的起伏形成微地形,而按照微地形进行植被配置已经成为黄土丘陵沟壑区生态恢复建设的重要方向。采用样方调查与随机采样的方法,调查陕西省吴起县合家沟流域微地形及坡面生物量,并用探针式TDR测定土壤含水量。结果表明,随着土层深度的增加,各类微地形土壤水分的变异系数有减小的趋势,而0—60cm土层,陡坎的土壤水分变异系数最大,塌陷的最小;各微地形土壤水分顺序为:塌陷>缓台>切沟底>浅沟底>原状坡>陡坎;各类微地形及原状坡内生物量从大到小的排序为塌陷>切沟>浅沟>原状坡>缓台>陡坎,且微地形生物量与0—60cm土层土壤水分变异系数呈负相关性。     

根系密度对黄土塬沟头溯源侵蚀产沙和形态演化过程的影响

为明确根系密度对黄土塬沟壑区沟头溯源侵蚀产沙和形态演化过程的影响,采用野外"人工模拟降雨+放水冲刷"试验方法,以裸地试验小区(CK)为对照,研究冰草根系密度试验小区(株行距:20 cm×20 cm,C1;15 cm×15 cm,C2;10 cm×10 cm,C3)的沟头溯源侵蚀产沙过程、沟头溯源距离、沟道下切深度及发育面积等特征。结果表明:1)与对照小区相比,草被小区(C1~C3)产沙量分别降低64.32%、70.31%、69.92%;冰草株行距为15 cm×15 cm时,减沙效益最大。2)对照小区沟头溯源侵蚀过程主要包括沟口形成、贴壁流侵蚀、跌水侵蚀和沟岸崩塌等;而草被小区沟头溯源侵蚀则由贴壁流侵蚀、跌水侵蚀和根土复合体崩塌导致,崩塌是草地沟头溯源的主要原因;各根系密度下沟头溯源距离与时间均呈极显著幂函数关系;与对照相比,草被小区沟头溯源距离缩短75.61%~78.87%。3)对照小区侵蚀沟纵断面呈阶梯形,存在缓冲平台,沟头近似矩形;草被小区则呈梯形和圆弧状。与对照相比,草被小区沟道平均下切深度加深1.64~1.92倍;沟道面积随根系密度增加而缩小,草被小区沟道面积较裸地缩小68.0%~74.0%。结果可为该区"固沟保塬"工作的实施提供科学参考。     

Effect of vegetation changes on soil erosion on the loess plateau

Vegetation is one of the key factors affecting soil erosion on the Loess Plateau. The effects of vegetation destruction and vegetation restoration on soil erosion were quantified using data from long-term field runoff plots established on the eastern slope of the Ziwuling secondary forest region, China and a field survey. The results showed that before the secondary vegetation restoration period （before about 1866-1872）, soil erosion in the Ziwuling region of the Loess Plateau was similar to the current erosion conditions in neighboring regions, where the soil erosion rate now is 8 000 to 10 000 t km^-2 year^-1. After the secondary vegetation restoration, soil erosion was very low; influences of rainfall and slope gradient on soil erosion were small; the vegetation effect on soil erosion was predominant; shallow gully and gully erosion ceased; and sediment deposition occurred in shallow gully and gully channels. In modern times when human activities destroyed secondary forests, soil erosion increased markedly, and erosion rates in the deforested lands reached 10 000 to 24000 t km^-2 year^-1, which was 797 to 1682 times greater than those in the forested land prior to deforestation. Rainfall intensity and landform greatly affected the soil erosion process after deforestation. These results showed that accelerated erosion caused by vegetation destruction played a key role in soil degradation and eco-environmental deterioration in deforested regions.     

天山北坡典型小流域侵蚀沟形态特征及其成因

[目的]揭示天山北坡典型小流域侵蚀沟发育规律,为侵蚀沟的预警及防治提供科学依据。[方法]选取天山北坡典型小流域10条侵蚀沟进行分析,采用野外实地调查与地理信息技术相结合的方法,对研究区侵蚀沟形态发育特征及其成因进行分析。[结果](1)研究区侵蚀沟特征值之间存在着一定的相关关系:横截面积与平均沟宽、平均沟深呈极显著正相关;沟壑面积与沟长呈显著正相关;沟壑体积与横截面积、沟壑面积呈极显著正相关关系,与平均沟宽、平均沟深呈显著正相关关系;沟长、平均沟宽、平均沟深相互之间无明显的相关关系,汇水面积与特征值之间也无明显的相关关系。(2)研究区侵蚀沟均是开析型侵蚀沟和弱度割裂型侵蚀沟。(3)研究区侵蚀沟密度与坡度呈正相关关系,坡度越大,密度越大;侵蚀沟密度与沟长无相关关系,侵蚀沟密度随沟长的增加呈先增加后减小的趋势;研究区典型侵蚀沟密度在南坡最大,西坡和西南坡的密度相对较小。[结论]坡度和坡向是影响小流域尺度侵蚀沟发育的重要地形因素。     

沟头高度和土壤质地对细沟溯源侵蚀特征和形态发育的影响

沟头溯源侵蚀是黄土高原主要的侵蚀方式之一。为研究细沟沟头高度和土壤质地对侵蚀产沙、沟头溯源侵蚀过程及沟道形态发育的影响,该研究采用不同沟头高度的沟头,在室内进行了一系列冲刷试验(流量为2、4和6 L/min)。结果表明:1)随着沟头高度的增加,产沙率增加,土壤流失过程的波动程度也增加,且越易被侵蚀;2)对比不同土壤质地,总体上,壤质砂土的产沙率和溯源侵蚀速率大于粉砂质壤土。当沟头高度为15 cm、流量为6 L/min时,壤质砂土的沟头溯源侵蚀速率最大,为19.45 cm/min;3)粉砂质壤土土壤下切深度较深,更易发生下切侵蚀,壤质砂土土壤沟道横截面宽深比最大值是粉砂质壤土土壤的3倍多,且沟头溯源侵蚀累积距离为75cm时沟道横截面宽深比值较小,更易发生侧向侵蚀;4)4个细沟形态地形子参数(起伏度、粗糙度、切割深度和坡度)与产沙量有较好的线性线相关关系(R2≥0.48),沟头侵蚀下的微地形可以在一定程度上反映产沙量的大小,进而估算产沙量。研究结果可为黄土高原细沟侵蚀下的水土保持措施提供参考依据。     

黄土丘陵区退耕坡地植被自然恢复过程及其对土壤入渗的影响

生态系统自我修复是黄土高原植被恢复的重要途径。以永久性天然草地和三龄沙打旺人工草地为对照,在对黄土丘陵区坡地退耕植被自然恢复过程群落演替、地上部分生物量的增长及其组成动态变化特征调查的基础上,定量分析了不同恢复阶段主要群落下土壤的入渗能力。研究表明,随着植被演替的进展,群落生物量逐步增加,土壤入渗能力显著改善。退耕草地土壤表层0-20cm土壤渗透能力(K10℃)每年可提高0.10mm。植被改善土壤入渗能力的有效深度达40cm。说明黄土丘陵区通过坡地退耕还林还草恢复植被可以改善土壤渗透性能,强化降雨就地入渗,减少水土流失。     

陕北黄土区退耕前（1976—1997）坡面切沟发育特征

以陕北黄土区坊塌流域内7条大切沟及其谷缘上的小切沟为研究对象,通过Arc GIS和MATLAB从基于1976、1997年1:10000比例尺地形图生成的数字高程模型(DEM)上提取沟沿线,进而获得1976、1997年大切沟的面积、周长和大切沟上小切沟沟头前进距离,并结合当时的土地利用图和植被覆盖图,定量研究了退耕前陕北黄土区切沟发育的速率,以及土地利用类型和植被覆盖度对切沟发育的影响.结果显示:在1976-1997年间,7条大切沟的面积、周长增长率分别为11.01%~180.46%和8.07%~86.75%,大切沟上小切沟沟头年均前进速率为0.26~0.84m;由溯源侵蚀导致的小切沟沟头前进是研究区内大切沟上的主要侵蚀方式,大切沟沟谷拓宽和形成新的小切沟分别是对大切沟的面积和周长增长具有较高贡献率的侵蚀方式;林草覆盖能控制切沟发育,集水区内覆盖度大于65%的植被能更加有效地控制大切沟内以沟谷拓宽为主的、多过程、多部位的综合切沟侵蚀,覆盖度大于45%的植被能更加有效地控制大切沟上小切沟沟头的溯源侵蚀.研究表明基于GIS技术和不同年份的地形图,可以确定切沟侵蚀的方式及速率,实现对切沟发育的动态监测.