黄土坡面细沟沟头溯源侵蚀的量化研究

沟头溯源侵蚀占坡面细沟侵蚀量的60%以上。该文运用立体摄影测量技术和人工模拟径流冲刷的方法,研究不同流量和坡度下沟头溯源侵蚀过程及其产沙特征,探讨沟头下切造成的地表形态变化对坡面产沙的影响。结果表明:1)坡面产沙率和沟头溯源侵蚀速率随流量和坡度的增加而增大。流量每增加1 L/min,产沙率增加0.59~5.34倍;坡度从15°增加到20°,产沙率增加14.0%~89.7%。2)当流量小于或等于2 L/min时,产沙率在试验初期增加较快,而后缓慢上升;当流量大于2 L/min时,产沙率始终保持快速上升趋势,沟头溯源长度达到100 cm所需时间较流量为1 L/min时缩短12 min以上。3)坡度对沟头溯源侵蚀速率的影响随流量的增加逐渐减弱。4)细沟长度随时间的变化受流量和坡度的影响,其值可由线性增函数表达;产沙率受沟头溯源侵蚀速率、沟头跌坎高度和沟头下方沟槽内发育的二级沟头数影响,其值可由多元非线性回归方程表示。研究结果可为沟头溯源侵蚀预报模型建立和坡面水土保持措施布设提供理论依据。     

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。     

一维马尔可夫链模拟黑河中游流域土壤质地垂向变异

黑河中游地区土壤剖面砂、黏层次相间排列的特点及部分区域剖面中出现的不透水层对土壤中的水分运动和溶质迁移具有重要影响。该研究调查了黑河中游100km2区域内土壤剖面的质地分层情况,运用一维嵌入马尔可夫链模型模拟该地区的土壤质地剖面。研究表明,研究区土壤剖面共出现砂土、壤质砂土、砂质壤土、壤土、黏质壤土、粉黏壤土和粉黏土7种质地类型,层次厚度呈对数正态分布。粉黏土未在表层土壤出现,而砂土在表层出现的概率明显高于其余质地类型,剖面某一质地层之下多出现细粒含量比其高的下一质地类型。剖面上相邻两质地层之间的转移具有明显的马尔可夫链特征(简称马氏性),且马氏链是平稳的。一维嵌入马尔可夫链模型能够较好地描述研究区土壤质地层次的垂向变化,剖面主要的质地层次组合为:砂—壤、壤—砂、壤—黏、黏—壤。对土壤质地剖面的定量模拟,可以为开展该区域土壤水循环、转化和溶质迁移等相关研究提供参考。     

细沟股流剥蚀率与载沙量以及沟长的耦合关系

土壤剥蚀是指由侵蚀动力引起的土壤颗粒从土壤母质移动的过程。细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少 ,已有的一些侵蚀模型 (如 WEPP)均提到了这一点。用黄土高原一种典型的粉壤土 ,在 5种坡度、3种流量下进行了细沟侵蚀模拟试验。对试验结果进行了回归 ,分析了黄土高原斜坡及陡坡地、细沟股流剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系。这对细沟侵蚀动力过程的研究深入 ,以及对侵蚀过程的预测预报提供了有力的参考依据     

玉米季横垄坡面细沟侵蚀特征及其影响因素

通过野外人工模拟降雨试验,开展玉米不同生长期紫色土坡耕地细沟侵蚀特征研究,并分析玉米叶面积、雨强对细沟侵蚀过程的影响。结果表明:随玉米生长期推进,坡面产流时间、跌坎及细沟出现时间总体呈先增加后减少的趋势。苗期、拔节期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为10′59″和15′30″,抽雄期、成熟期跌坎与细沟出现的平均间隔时间分别为20′16″和18′58″,玉米苗期坡耕地更易产生细沟侵蚀。苗期细沟形态发育完整,2.0 mm min-1雨强条件下,苗期最长细沟的长、宽、深分别为77.62、6.25和4.04 cm。随玉米生长期推进,细沟侵蚀阶段产流量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期和抽雄期细沟侵蚀阶段产流量分别占玉米季径流总量的30.97%和19.01%,玉米各生长期细沟侵蚀阶段产流率均随降雨时间的推移呈波动上升。细沟侵蚀阶段产沙量表现为苗期拔节期成熟期抽雄期,苗期细沟侵蚀阶段产沙量显著高于其他生长期,玉米各生长期细沟侵蚀产沙率均随降雨时间呈波动变化。玉米季坡耕地细沟侵蚀产流量与雨强呈极显著正相关,产沙量与玉米叶面积指数呈显著负相关,产流率、产沙率与叶面积指数和雨强的回归方程均达极显著水平。     

细沟股流剥蚀与载沙量以及沟长的耦合关系

土壤剥蚀是指由侵蚀动力引起的土壤颗粒从土壤母质移动的过程，细沟剥蚀土粒随着细沟股流中含沙量的增加而减少，的一些侵蚀模型（如WEPP）均提到了这一点，用黄土高原一种典型的粉壤土，在5种坡度，3种流量下进行了细沟侵蚀模拟试验，对试验结果进行了回归，分析了黄土高原斜坡及陡坡地，细沟股流剥蚀率随含沙量以及沟长变化的函数关系，这对细沟侵蚀动力过程的研究深入，以及对侵蚀过程的预测预报提供了有力的参考依据。     

坡耕地细沟侵蚀的发生、发展和防治途径的探讨

在坡面股流的流程上，当径流侵蚀力增大到足以冲刷土块，形成小跌水，进而演化为细沟下切沟头时，细沟侵蚀就开始发生了。下切沟头的下切侵蚀和下切沟头间径流对沟底的冲刷、沟头的溯源侵蚀、沟壁的崩塌形成了断续细沟。而一条股流的流程上多个断续细沟溯源侵蚀的连接，就形成了连续细沟。在这个过程中，由于降雨径流侵蚀力和土壤抗侵蚀力在时空上的强弱对比关系，出现细沟的分叉、合并及连通现象。所有这些过程，不但进一步促进了细沟的发展，而且随之造成严重的细沟侵蚀。     

董志塬沟头溯源侵蚀过程及崩塌中孔隙水压力变化

为研究董志塬沟头溯源侵蚀过程及孔隙水压力变化规律,采用模拟降雨+放水冲刷的方法,研究集水区坡度(1°、3°、5°、7°)和放水流量(3.0、3.6、4.8、6.0、7.2m3/h)对董志塬沟头溯源侵蚀过程和孔隙水压力特征值的影响。结果表明:1)崩塌发生频率由试验初期0～30 min时的6.29%增加到150～180 min时的27.48%。2)放水流量为3.0～7.2 m3/h时,产沙率随试验时间呈对数函数减小。产沙量随坡度和放水流量的增加而加大,建立了产沙量与二者间的多元线性回归方程。3)坡度为1°～7°时,崩塌会增加22.75%～324.59%的产沙率,产沙率突变点出现时间相较于崩塌而言存在"滞后"现象。4)孔隙水压力随试验时间呈显著线性或对数函数关系,孔隙水压力的上升是影响溯源侵蚀崩塌发生的关键因素。研究结果可为黄土高塬沟壑区生态治理提供参考。     

土壤短期吹蚀的粒度分维研究

基于风洞实验数据 ,对砂质壤土与壤质砂土短期吹蚀的粒度分形结构及其分维变化进行了探讨。结果表明 :( 1)在砂质壤土与壤质砂土的不同吹蚀时段 ,各自床面的粒度组成是具有分形结构特征的 ,在风洞里不同风速与时间下的吹蚀并未改变两种土壤所具有的分形结构 ,改变的只是分形结构的定量描述参数分维 ;( 2 )无论是在初始状态还是在一定的风速和时间下 ,砂质壤土的分维都小于壤质砂土的分维 ;( 3)两种不同质地的土壤在不同的吹蚀时段床面粒度分维与 <0 0 5mm的颗粒 (即粉粘粒 )含量之间都存在着显著的正相关性 ;( 4 )两种土壤在吹蚀的过程中由于土壤性状的差异 ,其床面粒度分维会随时间和风速的不同而出现相异的变化过程     

黄土高原坡耕地的细沟侵蚀及其防治途径

陕北典型黄土丘陵沟壑区的定位观测、野外调查和室内一系列人工降雨试验资料,表明了细沟侵蚀量占坡面侵蚀量的70%。而细沟侵蚀的发生是在坡面股流的流程上,当径流侵蚀力增大到足以冲刷土块,形成小跌水,进而演化为细沟下切沟头时,细沟侵蚀就开始发生了。下切沟头的下切侵蚀和下切沟头间径流对沟底的冲刷、沟头的溯源侵蚀、沟壁的崩塌形成了断续细沟,而位于一条股流流程上多个断续沟头溯源侵蚀的连接就形成了连续细沟。在这个过程中。由于降雨径流侵蚀力和土壤抗侵蚀力在时空上的强弱对比关系,出现了细沟的分叉、合并及连通现象。所有这些过程不但促进了细沟的发展,而且也造成了严重的细沟侵蚀。降雨径流侵蚀力。土壤抗侵蚀性能,坡度、坡长、坡形和土地管理因素是影响细沟侵蚀的主要因素。因此。防治细沟侵蚀的关键是削弱降雨径流侵蚀力和提高土壤的抗侵蚀性能。而免耕留茬、覆盖、草粮带状间作、水平沟种植及土地的合理利用是防治细沟侵蚀行之有效的措施。     

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.     

基于力矩法的元谋干热河谷冲沟沟头土体稳定性模拟与验证

元谋干热河谷冲沟活跃沟头具有"跌坎陡立、内凹洞发育、溯源侵蚀剧烈"等特征,土体崩塌是沟头溯源侵蚀的主要过程之一。该文综合考虑沟头形态特征和裂缝发育等因素,基于力矩分析方法,模拟研究了干热河谷冲沟沟头土体稳定性。结果表明,沟头土体稳定性受土壤含水量、内凹洞发育高度、裂缝发育深度及其距沟壁的距离等多个因素影响。沟头土体稳定性系数,随土壤含水量和裂缝发育深度的增大呈显著指数函数降低,随内凹洞发育高度的增大呈显著线性函数降低,随裂缝发育距沟壁距离的增大呈二次多项式增大。以土壤含水量作为标准对模拟结果进行了检验,发现沟头土体失稳崩塌时,崩塌体和崩塌面实测的土壤含水量分别为模拟值的69.8%~87.6%和82.0%~95.5%,评价结果较为可靠。崩塌面土壤含水量与模拟值更为接近,说明裂缝发育对沟头土体稳定性非常重要。研究结果可为元谋干热河谷沟头土体崩塌预测及沟头治理措施制定提供重要的理论参考。     

Gully Head Retreat in the Sub‐Humid Ethiopian Highlands: The Ene‐Chilala Catchment

In the northern highlands of Ethiopia, gully erosion is severe. Despite many efforts to implement gully prevention measures, controlling gully erosion remains a challenge. The objective is to better understand the regional gully erosion processes and to prevent gully head retreat. The study was conducted in the Ene‐Chilala catchment in the sub‐humid headwaters of the Birr River located southwest of Bahir Dar, Ethiopia. Twelve gully heads were monitored during the 2014 and 2015 rainy monsoon phase. We measured gully head morphology and retreat length, soil shear strength, ground water table levels, and catchment physical characteristics. Two active gully head cuts were treated in 2014 and an additional three head cuts in 2015 by regrading their slope to 45° and covering them with stone riprap. These treatments halted the gully head advance. The untreated gullies were actively eroding due to groundwater at shallow depths. The largest head retreat was 22.5 m, of which about half occurred in August of the first year when the surrounding soil was fully saturated. Lowering both the water table and protecting the gully heads can play a key role in reducing gully expansion and soil loss due to gully erosion in the Ethiopian highlands. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

Slope and rainfall effects on the volume of sediment yield by gully erosion in the Souar lithologic formation (Tunisia)

The Souar lithologic formation in semi-arid Tunisia is undergoing severe gully erosion which is threatening soil and water resources. Soil conservation strategies have focused more on terracing than on gully control techniques, since the contribution of gully sediment yield in the overall soil loss from watersheds is unknown. The paper reports investigations into the sediment yield provided by head-cut as well as sidewall–floor erosion of first order gullies on gentle and steep slope catchments underlined by the Souar lithologic formation. We measured mean field sediment volumes evacuated by different headward reaches of 10 and 9 gullies located on gentle and steep slope catchments, respectively. Two equations between the length of the gully head cutting and the corresponding volume of evacuated sediment were established. The treatment with a Geographic Information System (Arc View) of air photographs of six flights from 1952 to 2000 allowed the calculation of the volume of sediment provided both by head cutting and gully sidewalls–floor erosion through the following up of gully extension in eight catchments during the five periods separating the dates of these flights. Total gully erosion was on average 1.66 m³ ha^− 1 year^− 1 for the gentle slopes and 5.603 m³ ha^− 1 year^− 1 for the steep slopes. Sidewalls–floor contribution in total erosion was on average 81.5% for the gentle slopes and 77.8% for the steep slopes. We found out that the mean annual rainfall resulting from 40 mm daily rainfall threshold explained better the variation of annual head cutting sediment yield for these five periods than any other annual rainfall resulting from lower daily rainfall thresholds. Two equations between these two variables were established both for gentle and steep slope catchments.     

黄土高原沟壑丘陵区沟道侵蚀与洞穴侵蚀特征

[目的]通过对黄土高原沟壑丘陵区内的沟道侵蚀和洞穴侵蚀进行特征分析,为该地区开展水土保持工作提供数据支持和决策依据。[方法]以王家沟流域为研究对象,通过资料收集、卫星影像识别和现场调查等方法对流域内沟道侵蚀和洞穴侵蚀状况进行分析。[结果](1)流域内共分布718条沟道和948个洞穴。(2)根据空间位置和地形特点将所有沟道分为冲沟、切沟、干沟、河沟。这4类沟道由于受土壤岩性组成、坡度及人为活动等因素影响,空间分布存在巨大差异。(3)43%的洞穴分布在冲沟中,51%分布在切沟中,6%分布在干沟中。河沟中没有洞穴存在。冲沟和切沟是洞穴形成和发育的主要区域。(4)洞穴沟道的沟长、面积、切深、产流及产沙量都明显大于非洞穴沟道。[结论]在黄土高原丘陵沟壑区,洞穴侵蚀是土壤侵蚀的重要组成部分,并对沟道的发育和扩展起着至关重要的作用。     

Rill and gully development during an extreme winter runoff event in Norway

Erosion on agricultural fields in Norway has earlier been reported to be mainly sheet and minor rill erosion. Exceptional rainfall events during January and February (230% of 30 years monthly mean) in 1990 led to extreme runoff and widespread erosion also on areas normally not considered to have a high erosion risk. This study presents the results of a field survey in three counties where rills and ephemeral gullies were measured after this event. Shifting weather conditions with freezing and thawing had given frozen subsoil. Topsoil conditions varied from ice- and snow-covered surface to thawed surface with frozen subsoil. In one of the areas with a high clay content, only the upper topsoil layer was unfrozen during this event. Extended sheet erosion and smaller rills occurred. In the southernmost locations, more of the topsoil profile was unfrozen. Combined with a high silt/sand content, more severe rilling and ephemeral gullies developed. Gullies developed down to the depth of the drainpipes in all locations. This erosion equals soil losses of more than 100 tons ha⁻¹ or 8–9 mm soil lost from the entire field area. Different mechanisms for gully development were registered. Gullies developed as enlarged rills with headward migration and sidewall sloughing. Knickpoints in the slope could also lead to gully development. Concentrated water flow entering the field from farmyards, roads, neighbouring fields and woods could be the starting point for uncontrolled rilling and ephemeral gullying. The combination of frozen subsoil, saturated soil with low strength and intense rainfall led to gully development also on areas with gentle slopes, especially sandy soils. Management practices like crop cover, tillage and lack of surface water control highly influenced the development of gullies.     

跌水高度对元谋干热河谷冲沟沟头侵蚀产沙特征的影响初探

元谋干热河谷冲沟侵蚀强烈,以沟头溯源侵蚀过程为主,陡立沟壁跌坎是活跃沟头的重要形态特征之一。采用野外原位放水冲刷试验,研究了25和50 cm两种不同跌水高度对侵蚀产沙过程的影响。结果表明:2种跌水高度下,(1)径流跌水冲刷力差异显著。跌水势能转化量平均值分别为4.89和9.78 J s-1,跌水剪切力平均值分别为25.9和53.5 Pa,均呈现倍数关系。(2)跌穴发育形态特征及下游侵蚀量差异大。2个小区跌水最大下切深度分别为7.38和7.50 cm,平均下切深度分别为3.87和5.16 cm;沟头沟壁及下游沟床部位侵蚀量累积贡献平均为41%和54%。(3)径流含沙量差异显著(p0.1)。整个试验中2个小区径流平均含沙量分别为7.51和18.76 g L~(-1),且径流经过沟壁跌坎后,含沙量分别平均增大6.25和25.49 g L~(-1)。初步认为沟壁跌坎高度差异影响径流冲刷力及其侵蚀产沙特征,但仍需进一步开展更多跌坎高度下的相关研究,为干热河谷区冲沟沟头溯源侵蚀动力学机制研究提供补充。     

元谋盆地土地利用/土地覆盖对冲沟侵蚀的影响

金沙江干热河谷元谋盆地冲沟发育，冲沟侵蚀蚕食耕地、最终形成侵蚀劣地，对土地资源危害很大。根据对9条冲沟17个沟头连续3年的观测与调查资料。分析了元谋盆地土地利用／土地覆盖对冲沟侵蚀的影响，包括冲沟集水区不同土地利用方式、植被群落结构对冲沟溯源侵蚀的影响和沟底植被覆盖度对冲沟溯源侵蚀的影响。     

黄土高原典型小流域侵蚀沟形态和稳定性监测初探

[目的]在黄土高原地区选择6条典型小流域,开展侵蚀沟形状特征、发育程度、形态变化等监测,对侵蚀沟稳定性进行分析,初步构建侵蚀沟稳定性评价指标体系。[方法]在雨季前后2次对6条典型小流域主沟道代表性断面、支毛沟代表性断面、支毛沟的沟头进行亚米级精度测量。[结果]获得了6条典型小流域各等级侵蚀沟数量和各流域沟道主断面、支毛沟沟道断面、支毛沟沟头变化数据,并对其进行了分析。初步构建了侵蚀沟稳定性评价指标体系。[结论]影响沟道形态变化的因素基本总结为:降水因素、水保措施、植被覆盖因素、汇水面积、坡度、地表组成物质等。