依据河床比降、河宽的侵蚀模拟

评价预测泥石流泛滥区域和沟壑坝系等防御泥石流措施效果,最有效的方法是数值模拟。2009年日本学者铃木拓郎等人具体研究了伴随坡度变化、河床束窄区域及坝系工程的泥沙堆积过程。其结论:在侵蚀与堆积初期,在坡度变化点的下游发生侵蚀与堆积。在同等的水与泥沙总供给量、流量、持续时间的条件下,侵蚀与堆积过程在短时间内,由大流量供给,在下游有泥沙侵蚀与堆积现象。在固定坡度的条件下,河道宽度变化时,首先在狭窄部位上游发生堆积后,下游发生侵蚀,并慢慢上朔,最终出现全部发生侵蚀的结果。泥石流在冲击坝体的瞬间,泥沙急剧的堆积。流量变大,堆积坡度变小,坝下游的泥沙流出相应提前,更多的泥沙向下游流出。模拟结果符合现实发展的自然规律。     

山区流域形成与损毁浮材堰塞湖的条件

当大规模的洪水或泥沙流出时,常携带大量浮材流出,在河道某一部位产生堆积,形成浮材堰塞湖。可引起局部冲刷与堆积,堵塞整个河道,极可能造成严重的危害。2009年日本学者清水收就浮材群引起泥沙滞留作用,浮材堰塞湖的构造、河网内的分布及其运动形态、对泥沙动态影响进行了相关的研究。其结论:决定浮材堰塞湖形成原因:第一受地形和沟谷宽的影响。第二是浮材量、长度等相关因素。两种成因各占50%。浮材堰塞湖多数是在形成与破坏的过程中交替进行。主支流沟道浮材堰塞湖,与支毛沟道相比,不易破坏与冲毁。但当出现更大洪水时,仍有毁坝的可能。即使不被冲毁,主支流沟道河床也将被浮材堰塞湖堆积的泥沙掩埋。浮材堰塞湖的生存与残留时间,即泥沙滞留时间,取决于再次大雨洪水的规模与间隔时间。     

河床泥沙堆积发生泥石流时的形态

为研究泥石流发生、流动和堆积结构机理,常规采用水文模型试验。而研究泥石流发生时河床堆积泥沙的形状与时间和空间变化关系的相对甚少。2009年日本学者池田晓彦等进行了模拟自然河流的缓慢河道坡度,发生泥石流的试验,结果表明:当坡度为30°~27,°明显在前峰形成流动层,相对流动速度大。在24°~21°流动层停止时形成沙堆。在18°~12°区流动速度慢。相对于陡坡区间形成流动层是表面流或渗透流,在河床堆积的泥沙为饱和状态流动;相对于缓坡区间形成沙堆的表面流与渗透流,河床堆积泥沙是饱和状态。表面流具有越过沙堆肩胛流动的趋势。在坡度变化点等泥沙有大量堆积的现象。有关泥石流发生条件有待于深入研究。     

应用激光测量数据分析流域泥沙移动状态

激光测量技术的快速发展,并在多个领域得到应用。在水土保持领域,可为分析泥沙移动状态提供最有效方法。2009年日本学者松冈晓等人应用航空激光测量对流域泥沙进行动态研究。求出不同时段的海拔差量,成功获得泥沙流动量的动态信息。实践证明,航空激光测量数据在流域流出的泥沙量比较上,基本吻合。并证明从崩塌裸地坡面的峡谷侵蚀和小规模崩塌产生的泥沙量比坡面崩塌产生泥沙更容易。但日本的航空激光测量研究,通过过滤等可剔除植物的影响有限。分析结果还残存着植物对数据影响。特别进行差量处理分析时,对泥沙产生量有大的影响。在此方面,有待于进一步研究,提高过滤的手段和方法,将植物的影响降到最小。此项研究将为水土流失监测提供一种先进技术。     

茂县宗渠堰塞湖漫顶溃决洪水演进规律模型试验研究

5.12汶川大地震诱发了大量堰塞湖,这些堰塞湖一旦溃决,溃决洪水将对下游居民的生命财产造成很大的威胁,因此研究堰塞湖溃决洪水沿程水位变化规律对决策部门发布洪水预警,组织撤离与逃生,实施紧急救援等具有十分重要的意义。该文选取四川省茂县宗渠堰塞湖为原型进行野外模型试验,通过在堰塞湖库区及其下游建立一套高清晰DV摄影为主,辅以下游水位定点标记的模型试验方法,研究了堰塞湖库区水位变化过程,通过对时间差分推导出堰塞湖水量平衡方程,进一步得到溃口流量随时间变化规律;研究了下游水位变化过程揭示出堰塞湖漫顶溃决洪水的演进规律。溃口发展过程在纵向上主要以陡坎前进的方式推进,而横向上主要由土体坍滑失稳引起。此结果也可为今后堰塞湖的应急排险,溃决洪水的深入研究等具有参考价值。     

使用激光航测对水土流失监测

灵活运用激光航测DEM,可达到灾后地形或水土流失变化量的监测目的。但灾害的发生,具有突发性,而对其监测要求迅速性、准确性,要在短时间内拿出结果,就必须要研究出简捷的方法。根据山脊和山体等地形整体位置具有一致性原理,通过比较两个不同时期测得的地形等数据,可迅速掌握地形的变化。依据DEM的坐标、海拔等数据的不断变化,计算出崩塌、侵蚀与堆积等水土流失变量。2006年日本学者平川泰之应用两个不同时期测得的DEM,在没有标明基准点的情况下,对两个不同时期整体地形的叠加比较,分析崩塌、侵蚀与堆积等地形的变化量,输入程序,应用计算机自动处理成图像,算出地形的变化量。此种方法比过去人工制作,方法更敏捷,精度更准确。建议有关单位可应用此项技术进行水土流失监测。     

拦沙坝设置对泥石流拦截作用的数学分析

应用数学理论研究了拦沙坝对泥石流堆积过程产生的影响,探讨了泥石流的流动与堆积过程。用向量的观点分析泥沙在水坝内的运动与堆积,推出新的泥沙和泥石流运动、堆积计算公式,使计算的数值更接近实际状况。以大小2种粒径的泥沙作为讨论的对象,采用泥石流的流动堆积模拟实验模型方案,适用于不透水型拦沙坝设置地点的泥石流堆积过程。但缺乏与实地观测记录进行比较,因此,本数值模拟实验模型的妥当性要做验证,尚须用多级粒径数值模拟实验模型研究。泥石流的流量水位图对粒径变化的影响,没有采用混合沙砾模型,尚有许多不明之处。     

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。     

用航空激光器观测流域产沙过程之效果评述

对于水土流失调查,多采用航片判读加实测的方法,掌握泥沙移动规律。采用航空激光器测量,不仅提高了测量精度,而且测量迅速,不需要进入实地调查,即能对其观测点精确地反映出该地区真实情况。2006年日本学者中村良光等人实施了3个时期航空激光器测量试验,其结果是:能清楚观测河床部位的侵蚀、堆积;能够详细的把握河床的细微地形。对崩塌地河流变动量分析,航片测量和航空激光器测量的误差比较,航空激光器测量数据转换成地形图时其精度为1/1 000,航片测量只能是1/2 500。对河流横断面测量的精度和航空激光器测量的精度比较,激光器测量的数据能反映1.0~1.5m的地形的起伏变化,而常规测量却很难做到这一点。可见激光器测量的精度明显提高。特别是对水土流失调查,更显出敏捷、精确、实用。     

7Be示踪坡耕地次降雨细沟与细沟间侵蚀

对于坡面细沟与细沟间侵蚀过程的了解是建立侵蚀预报模型的基础,但传统方法难以对其进行深入研究。利用7Be示踪技术并结合人工模拟降雨,考虑坡脚沉积作用,研究了25°坡耕地径流小区次降雨过程中细沟与细沟间侵蚀动态。结果表明：根据流出径流小区泥沙7Be含量变化计算坡面明显细沟出现时间,由于坡脚沉积作用使得A、B两试验小区这一时间比实际细沟出现分别延迟了45 min和11 min;根据坡面-侵蚀泥沙中7Be总量守恒和泥沙质量平衡原理,坡面细沟间侵蚀及细沟侵蚀在坡面总侵蚀、坡脚沉积区泥沙及流出径流小区泥沙中的比例被定量区分开;总体上,细沟间侵蚀量在径流泥沙中的比例逐渐减少,而细沟侵蚀量逐渐增加。两试验小区中7Be示踪计算坡面细沟侵蚀量和坡脚沉积量与实测值相比相对误差均较小,因此7Be示踪技术可以对土壤侵蚀进行较为准确地定量研究。     

绵远河流域地震侵蚀与泥沙输移特征

汶川地震引发大量的崩塌滑坡、泥石流,为震区河流提供了丰富的泥沙来源。对处于地震极重灾区的绵远河流域进行了地震侵蚀与流域内的泥沙输移状况的调查统计。绵远河山区河段地震时产生了1.15×108 m3的松散堆积物,相当于正常年份土壤侵蚀量的约100倍。5a实地调查的结果显示,崩塌滑坡体绝大部分堆积在支沟中。在震后水文气候条件不变的情况下,松散堆积物中占多数的大粒径颗粒超过了河流输运能力,仅少量细颗粒物质以悬移质形式被输送到下游。研究表明,虽然绵远河上游地震侵蚀产沙总量巨大,但汶川地震后与震前进入绵远河平原河段的泥沙量变化不大,近期内对绵远河下游及沱江的泥沙输移没有明显影响。     

吉林省低山丘陵区地形因素对坡耕地侵蚀沟分布的影响

[目的]研究吉林省低山丘陵地貌内侵蚀沟与地形因素关系,从而发现地形因素对侵蚀沟发育及分布影响,为侵蚀沟综合治理与土地利用规划提供科学参考。[方法]采用RTK测量系统对东辽县辽河源镇境内坡耕地中25条侵蚀沟进行了精准地面测量,基于1∶10 000地形图,利用ArcGIS软件生成数字高程模型(digital elevation model, DEM),将侵蚀沟测量数据与DEM数据相叠加,获取侵蚀沟与地形要素各特征值,对各特征值进行相关性研究。[结果]①研究区沟壑密度为5.99 km/km~2,沟谷占坡地面积比例为5.12%。侵蚀沟主要分布于坡地中下部的耕地内,处于强烈侵蚀状态;②沟谷占坡地面积比例随坡度的变化呈现先增加后减少的趋势,在坡度为6°～9°范围内达到最大值;③沟壑密度与汇水区平均宽度呈幂函数关系;④沟壑密度随3°～6°坡地占总汇水面积比例的增加而减少,随6°～9°坡地占总汇水面积比例的增加而增加;⑤侵蚀沟平均宽度与汇水区平均宽度及形状系数均存在线性正相关关系,相关系数分别达0.57和0.84。[结论]吉林省低山丘陵区侵蚀沟处强烈侵蚀状态,且有继续发展的趋势,6°～9°坡地是侵蚀沟分布的集中区域。     

东柳沟沉积泥沙粒径空间分布与特征

选取东柳沟流域作为研究区域,通过分析主河道中泥沙颗粒的粒径特征,研究流域沉积物的分布规律及其粒径变化过程。应用激光粒度仪对研究区内的河道沉积土样进行测定,使用秩和检验对泥沙颗粒特征进行分析,得到流域沉积泥沙粒径分布及变化规律。结果表明,根据中值粒径和河道比降的变化,将东柳沟流域分为丘陵区、沙丘区和农田区3个区域。流域沉积泥沙的中值粒径从上游丘陵区到下游农田区逐渐呈减少的趋势。3个分区的沉积泥沙级配特征有显著不同,丘陵区的沉积泥沙主要由粗沙构成,极粗沙和中粗沙约占57%。而沙丘区和农田区以细沙为主,且越往下游细沙含量越大,其中沙丘区沉积物中细沙及更细的颗粒所占比例约为64%,农田区沉积物中细沙及更细的颗粒所占比例约为84%。据此表明,东柳沟的侵蚀过程在空间上表现为水力侵蚀和风力侵蚀作用的交替叠加,其中沉积泥沙中值粒径变化最剧烈的地方是风蚀和水蚀交错最为频繁的区域。     

切沟侵蚀监测与预报技术研究述评

切沟侵蚀作为一种常见的土壤侵蚀现象,不仅破坏土地资源,也是河流泥沙的主要来源之一;但是,由于切沟侵蚀机制复杂,研究手段欠缺,切沟侵蚀研究进展缓慢。切沟侵蚀监测技术是研究切沟不同发育阶段侵蚀速率和构建切沟预报模型的基础。近年来,高精度GPS、三维激光地形测量以及RS和GIS等切沟侵蚀监测技术取得了新进展,尤其是高分辨率遥感的应用为较大时空尺度的切沟侵蚀监测提供了可能性。世界范围的切沟侵蚀监测成果表明不同地区切沟侵蚀速率主要为0.16～15 m/a。切沟侵蚀预报技术进展缓慢,现阶段还没有广泛应用的切沟侵蚀预报模型。利用高分辨率航空和卫星影像及三维激光测量等新技术,开展较大尺度的切沟侵蚀监测是近期的研究热点和主要发展趋势,而从长远来看,发展切沟发育和侵蚀的经验和机制模型、进行不同时间尺度的切沟侵蚀预报是切沟研究领域的发展方向。     

山区河流悬移质横断面变动特性

有关河流泥沙的水文观测,重要的是掌握泥沙流出与输送的水文学因子与输沙量。但对于输沙空间尺度的观测,特别是在横断方向的研究,尚不充分。2010年日本学者中谷洋明等人就山区河流悬移质横断面变动特性进行了研究,在同一断面内右岸部位及水流中心部位2个断面同时实施观测,就输沙量横断方向进行统计分析。其结论是:任何观测地点在洪水观测持续时间的1/6的时间内,泥沙流出特性类似。     

无人机倾斜航空摄影监测崩岗侵蚀量变化的方法

如何高效精确地监测崩岗的动态发育过程并且量化侵蚀量是崩岗侵蚀机理研究中的难点。该文以准专业级无人机对目标崩岗进行倾斜摄影获得的全方位多角度航空影像为基础,通过空三加密处理生成目标崩岗的三维点云模型;利用点云数据构建DTM,提取目标崩岗地形数据;运用多时相连续DEM相减的方法获取监测周期内崩岗的高程变化,计算侵蚀量并找到侵蚀严重的部位,再使用2.5D体积测算方法细化侵蚀严重的崩壁和沟头部位的侵蚀量,以此作为补充,最终获得监测期内的总侵蚀/沉积量体积并换算为泥沙量。最终结果验证的平均相对误差为9.69%,一个月监测周期内最大的绝对误差仅为0.303 3 m3,满足监测要求。因此利用无人机倾斜航空摄影测量的方法监测崩岗侵蚀量是可行有效的,该方法可提取崩岗的所有地形信息,研究侵蚀泥沙的来源和侵蚀过程,是较为快速和精确的崩岗监测手段。     

流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统研究

流域内降雨—径流—土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取将为侵蚀模拟—预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。本研究提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统,系统中的量水堰和水位传感器用于测量径流流量,用薄层水流流速测量系统测量坡面流及流域沟道中的水流流速,用径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量,数据采集控制及存储系统实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更加自动化和可操作化方向发展。     

发生泥石流时缝隙坝的拦沙机理

通过试验和实地考察,证实了钢管透水型防沙坝具有拦截泥沙作用.同时,通过试验模型、实地调查也进行了缝隙坝对冲刷泥沙调节效果的研究.但混凝土缝隙坝对泥石流拦截作用尚未做过系统的调查研究.缝隙坝发挥拦截泥沙作用主要取决于坝堤回水是否导致泥石流前端不能到达坝址处就停止,而在退水期,堆积在坝堤近旁的细粒泥沙流出后,总体上不能拦截泥石流等问题.这将是决定能否在有泥石流危险的溪流处设置缝隙坝的首要问题.因此,设想在泥石流危险河段中间、出口、泥石流冲积扇上端改变行洪坡度来观察缝隙坝对泥石流、泥沙流、冲刷流的泥沙拦截作用.     

渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀试验研究

[目的]研究渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀过程及机理,为渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀防治提供科学依据。[方法]基于人工模拟降雨试验,设计了2个降雨强度(1.2和2.0mm/min)以及2个垃圾堆积类型(即垃圾堆积成斜坡,无侵蚀发生地表上的垃圾堆),进行2个垃圾堆积类型和裸露的撂荒坡降雨侵蚀过程的对比研究。[结果]当降雨强度I=1.2mm/min,垃圾堆积成斜坡的侵蚀产沙总量为117.94kg,撂荒坡的侵蚀产沙量为10.86kg,垃圾堆积成斜坡比撂荒坡的侵蚀产沙总量为107.08kg;当降雨强度I=2.0mm/min,垃圾堆积成斜坡比撂荒坡的侵蚀产沙总量多出225.72kg,而倾倒在无侵蚀发生地表上的垃圾堆积侵蚀产沙量相对较少;对垃圾堆积坡面径流的侵蚀能量(E)及侵蚀能量消耗(E启动泥沙、E搬运泥沙)、含沙水流作用于底床上的拖曳力(F)分析得出,垃圾堆积与下垫面形成了缝隙或软弱面,从而导致坡面径流,降低了启动松散垃圾堆积泥沙颗粒所消耗的能量,坡面径流的侵蚀能量(E)主要消耗在搬运输移垃圾堆积颗粒。[结论]含有垃圾颗粒物质水流将维持较高流速,含有垃圾颗粒物质水流因其产生较强的拖曳力加剧了细沟侵蚀。     

侵蚀—沉积连续地形中土壤碳库的空间分异

侵蚀和再沉积过程可导致土壤碳库在空间上重新分布,但至今对这一过程中不同碳库的迁移和再分布特点还了解不多.在浙江省亚热带地区选择了由严重侵蚀区-轻微侵蚀区-坡脚堆积区-坡底堆积区组成的侵蚀-沉积系列连续地形,分别采集了4个代表性土壤剖面,研究了不同地形部位土壤碳库的分异特征,探讨了侵蚀-再沉积过程中各种碳库的转归.结果表明,土壤有机总碳及各组分碳均是:严重侵蚀区<轻微侵蚀区<坡脚堆积区<坡底堆积区.侵蚀区土壤总有机碳自上而下明显下降,而堆积区土壤有机碳库分布较深,垂直变化相对平缓.黑碳极易随地表径流发生迁移,呈由高处逐渐向低处明显富集的趋势.堆积区为连续地形中的碳汇.