基于7Be示踪和细沟沟网分形维数研究坡面土壤侵蚀

本文试图结合7Be示踪和分形理论定量化描述降雨对坡面的侵蚀过程。7Be示踪结果显示,降雨初期,坡面细沟间侵蚀贡献率高,细沟侵蚀贡献率低,随着降雨的进行,细沟间侵蚀贡献率降低,而细沟侵蚀贡献率增大并处优势,在降雨后期,细沟间侵蚀贡献率又有增大的趋势。整个降雨过程坡面细沟沟网分形维数整体呈增大趋势,在细沟发育中前期增加快,后期增加变缓,中间有波动。细沟沟网分形维数与总侵蚀量和细沟侵蚀量均呈正相关,分维变与相对应总侵蚀量和细沟侵蚀量也均呈正相关,但与细沟侵蚀量的相关性最好,说明细沟沟网分形维数可表征细沟发育过程和坡面侵蚀强度的变化。     

次降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征

采用室内人工模拟降雨试验,设计试验坡度为10°、15°、20°、25°,降雨强度为90和120 mm/h,坡长为5和7m,研究不同降雨条件下降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征。结果表明:1)侵蚀泥沙分形维数与黏粒、粉粒体积分数呈极显著正相关,与砂粒体积分数呈极显著负相关;2)侵蚀泥沙分形维数随降雨强度增强有减小趋势,受坡度、坡长影响变化规律不明显,在5 m坡长条件下,侵蚀泥沙分形维数随着降雨历时的延长有先降低后升高趋势,7 m坡长条件下,10°、15°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数随降雨历时变化规律不明显,而在20°、25°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数有随降雨历时增大趋势;3)坡度为10°的条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显小于细沟出现前,在坡度为15°、20°、25°条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显高于细沟出现前。     

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。     

植被恢复措施对不同排土年限煤矿排土场边坡细沟侵蚀的影响

为研究排土场边坡细沟侵蚀特征,采用野外调查方法,以内蒙古永利煤矿为研究对象,测定不同排土年限（1、3、5 a）和植被措施（裸地、沙柳方格+沙棘+油菜/沙打旺、沙柳方格+沙打旺）的排土场边坡物理指标和细沟形态指标。结果表明：1）排土年限为5 a时,同一措施下分形维数和土壤容重较1 a增大3.60%～7.20%和7.26%～20.00%,含植被措施土壤颗粒分形维数较裸地小0.40%～3.80%。2）以排土年限1 a为基准,裸地和沙柳方格+沙棘+油菜/沙打旺措施的细沟总长、细沟密度、平均沟深、平均沟宽和细沟割裂度随排土年限增加而加大97.65%～349.76%、10.34%～277.59%、80.51%～205.11%、28.69%～83.50%、50%～625%和86.37%～129.30%、12.96%～175.93%、1.81%～21.32%、60.61%～67.63%、75%～275%。3）排土年限为3和5 a时裸地细沟侵蚀模数较1a增加4.11%和581.28%,沙柳方格+沙棘+油菜/沙打旺减小27.27%和50.65%。4）细沟总长、平均和最大沟深是评价细沟侵蚀和细沟形态的优选指标。研究结果可为矿区生态恢复重建提供参考。     

黄土坡面细沟侵蚀强度的空间分布及形态分异特征

为探索细沟侵蚀的空间分异特性,通过人工模拟降雨试验的方法,分析不同降雨强度和坡度下的坡面细沟侵蚀过程,探讨细沟侵蚀强度及形态在坡面尺度的沿程变化特征.结果 表明:随着坡度和雨强增加,细沟侵蚀量不断增大;在特定处理下,细沟侵蚀强度沿坡长方向均呈现出先增后减的规律;沟宽、沟深和细沟割裂度等细沟形态参数也表现为先增加后减小,...     

黄土坡面细沟侵蚀发育过程与模拟

以坡面细沟侵蚀过程为研究对象,利用人工模拟降雨试验和三维激光扫描技术,研究了同一坡面三场间歇性降雨下细沟侵蚀发生、发展和演化的图形化过程;同时,采用已有细沟侵蚀过程模型(CARill),结合Net Logo软件,将试验结果与模型模拟结果进行对比分析。结果表明:(1)扫描三场降雨图形化过程显示:侵蚀阶段呈现出溅蚀—片蚀—跌坑—断续细沟—连续细沟—细沟崩塌过程,沟长发育迅速,沟宽和沟深发育相对缓慢,细沟沟网形成迅速,降雨结束后侵蚀强度达到22.11 kg m-2,较初期降雨侵蚀增加了22.04倍。(2)CA-Rill模型模拟结果显示,在细沟侵蚀演化图形化过程方面,该模型可较完整地模拟细沟形态发育过程,实现细沟侵蚀的发生、发展以及演化过程中细沟形态的可视化模拟;(3)模型模拟三场降雨细沟侵蚀参数t检验结果发现:最长平均沟深、最大沟深、最长沟平均沟宽模拟效果不好;而细沟平面密度、最长沟长、侵蚀强度模拟效果较好。     

降雨强度对梯田边坡细沟侵蚀的影响

为了进一步明确黄土高原丘陵沟壑区梯田边坡在不同降雨强度下的细沟侵蚀和发育特征,选取陕西安塞县纸坊沟小流域土壤为试验材料,利用自制的试验模型槽,采用人工分层填筑方法,模拟野外最常见的单级梯田形态,在室内模拟降雨的条件下,设计了5组降雨强度(1.5,1.75,2.0,2.25,2.5mm/min),研究了不同降雨强度对单级梯田边坡细沟侵蚀和发育的影响。结果表明:(1)降雨强度越大,梯田边坡坡面产流、跌坎和细沟出现的时间越早,细沟主要由沿坡面方向呈线状平行分布的跌坎相互连通演化而成;(2)各雨强条件下,细沟长度、宽度和深度的变化趋势不同,其中细沟的长度能很好地反映细沟的发育过程,且其与侵蚀速率之间存在着极显著的正相关关系;(3)不同降雨强度下,梯田边坡发生崩塌的过程分为3个阶段:跌坎的形成、有跌坎相互贯通形成细沟、由于表层土体悬空靠近坡顶的坡面出现浅层崩塌。     

坡度对坡面细沟侵蚀的影响——基于三维激光扫描技术

采用室内人工模拟降雨试验,降雨用水为纯净水,试验坡度为10°、15°、20°、25°,降雨强度为1.5和2.0 mm/min,试验土槽分别为5和10 m,同时采用三维激光扫描仪对降雨前后坡面进行监测,分析不同坡度对细沟侵蚀的影响。结果表明:1)坡度对坡面产沙量影响显著,二者的关系可以采用二次项式拟合,坡面产沙量随着坡度的变陡先增加后减少;2)三维激光扫描技术能够准确地计算坡面细沟发育形态数据和细沟侵蚀量,不同坡度条件下细沟发育不同,细沟宽深比随着坡度的变陡而逐渐变小;3)细沟密度、细沟侵蚀量与坡度呈正相关关系,细沟发育程度随坡度的变陡而加剧。     

黄土丘陵沟壑区细沟发育形态的变化及其与侵蚀产沙的关系

细沟发育及形态特征研究对理解坡面侵蚀过程和机理具有重要意义。然而，已有细沟侵蚀研究多基于室内模拟试验，无法反映野外真实细沟侵蚀规律。该研究以黄土丘陵沟壑区辛店沟流域为例，于野外自然坡面设置5个径流小区，结合放水冲刷试验（流量为25、40、55、70、85 L/min）与地基三维激光扫描技术，研究细沟几何形态（长、断面宽、断面深），衍生特征（细沟宽深比、细沟密度、细沟割裂度和细沟平均深度等）和分形维数、地貌信息熵、分叉比的变化过程，以及不同指标与侵蚀量、沉积量、产沙量间的关系。结果表明：1）随着冲刷时间增加，各流量梯度细沟断面宽度、断面深度、细沟平均深度和细沟割裂度均呈递增趋势。而细沟宽深比与流量大小相关，低流量（25 L/min）下细沟发育主要呈"宽浅式"，较低流量（40 L/min）和高流量（85 L/min）下发育主要呈"窄深式"，中流量（55 L/min）和较高流量（70 L/min）细沟发育在"宽浅式"与"窄深式"间交替变化。2）随着冲刷时间增加，低流量下分形维数整体趋于平稳，其余流量波动较大；中流量下分叉比呈上升趋势，其余流量下均呈下降趋势；各流量梯度下地貌信息熵无明显变化规律，但其与产沙量的变化趋势基本一致，能够较好反映土壤侵蚀的动态变化。3）细沟平均长度、平均断面深度和细沟平均深度可分别用于评估较低流量下累计沉积量、侵蚀量和产沙量；同时，可用细沟平均深度评估低流量下累计侵蚀量和产沙量。平均断面宽度、平均断面深度及细沟平均深度可用于评估较高流量下累计侵蚀量。此外，随着流量的增大，各形态指标与累计侵蚀量、沉积量和产沙量关系的显著性减弱。研究可为深化认识坡面细沟侵蚀过程和机理提供参考。     

多场次降雨对崩岗崩积体细沟侵蚀的影响

崩积体是崩岗的重要组成部分,因土质疏松,极易被侵蚀。细沟侵蚀特征是探讨崩积体侵蚀机制的重要内容。采用人工模拟降雨试验,研究多场次降雨条件（1.00、1.67、2.33 mm/min分别降3次雨）对崩积体30°坡面（5m×1 m）细沟侵蚀产沙过程及发育形态特征的影响。结果表明：1）1.00 mm/min降雨强度条件下,3次降雨的后期产沙过程趋于一致,而1.67和2.33 mm/min降雨强度条件下,前2次降雨后期产沙过程趋于一致,但第3次降雨后期产沙率急剧增大;2）各降雨强度条件下,沟头溯源作用、细沟平均宽度及深度随着降雨场次的增加而增加;3）不同降雨强度条件下的细沟特征存在差异,1.00和1.67 mm/min降雨强度时,随着降雨场次的增加,坡面的细沟数及细沟密度增加,宽深比减小,但在2.33 mm/min降雨强度条件下的结果恰好相反;4）各降雨强度条件下细沟侵蚀量及其增加幅度均增大,细沟侵蚀愈剧烈。     

2次降雨条件下不同土壤细沟侵蚀分析

不同土壤细沟侵蚀发育对比研究是探讨细沟侵蚀机制的必要内容。通过间隔为24 h的2次人工模拟降雨,在不同降雨强度(1.5,2.0,1.0 mm/min)、不同坡长(5、10 m)的试验条件下,分析坡度为20°时塿土和黄绵土2种土壤细沟侵蚀过程中产流产沙、空间变化的差异。结果表明:1)从坡面产流量来看,2种土壤在2次人工降雨过程中有相似的产流过程,坡长和降雨强度相同时,塿土坡面产流量大于黄绵土;2)从坡面形态看,第1场降雨过程中塿土坡面表面积、细沟侵蚀强度大于黄绵土坡面,但黄绵土坡面一旦发生细沟侵蚀,其体积变化幅度剧烈于塿土坡面;3)塿土在第1场降雨过程中侵蚀速率的变化过程可以反应细沟发育的各个阶段,较大降雨强度使黄绵土发生细沟侵蚀侵蚀,其细沟发育的各个阶段持续时间长于塿土,即黄绵土细沟形态变化缓慢。     

基于三维重建技术的坡面细沟侵蚀演变过程研究

作为黄土高原地区沟头溯源侵蚀和水流汇集发源地的梁峁坡面,在强降雨下其产流产沙对沟缘线以下坡面及沟道侵蚀有着重大影响。该研究根据野外实地考查构建5°～35°变坡段实体模型,进行6场间歇性人工模拟降雨试验,并借助基于三维重建技术的PhotoScan软件获取坡面DEM,将其侵蚀演化过程进行图形化、数字化,定性定量揭示其侵蚀形态演变特征。研究表明:1)梁峁坡面细沟侵蚀历经4个阶段:面蚀阶段,即产生一系列呈串珠状分布的侵蚀跌坑,宽度5～9 cm,深度1～4 cm;细沟形成阶段,由面蚀所产生的微小跌坑在径流作用下长、宽、深均不断增大,最大分别达到266、7.6、13.8cm;细沟网形成阶段,细沟出现分叉及联通,有明显流路;小切沟形成阶段,伴随沟壁崩塌、沟壁加宽和沟底下切,最大沟长及最大沟深较细沟形成时增大3倍以上。2)对比次降雨过程基于三维建模所计算侵蚀量与实测侵蚀量,第1场降雨试验因地表疏松颗粒较多导致实测侵蚀量比建模计算侵蚀量大而引起较大偏差(20.82%),其他场次偏差均在10%左右或以下,总体来说,该技术可以较好地应用于侵蚀发育过程的研究。该研究实现侵蚀演变关键过程图形化、数字化,有助于人们定性、定量了解和认识梁峁坡面侵蚀过程,且对于创新侵蚀过程研究方法亦具有实践指导价值。     

不同降雨强度及坡度条件下饱和紫色土坡面细沟形态特征

坡面细沟形态特征的定量分析是研究细沟侵蚀的基础。通过设计3种降雨强度(30,60,90 mm/h)和5种坡度(2°,5°,10°,15°,20°)组合条件下的人工降雨模拟试验,定量研究饱和紫色土坡面降雨强度及坡度对细沟形态及其空间变化特征的影响。结果表明：饱和紫色土坡面细沟平均宽度、深度和细沟宽深比分别为3.44～9.64 cm、1.01～8.14 cm和1.18～3.87,细沟宽度和深度沿坡面从上至下整体均表现出先增大后减小的趋势,细沟宽深比沿坡面表现为上坡<中坡<下坡的变化特征。整体来看,坡面细沟宽度和深度均与降雨强度和坡度呈正相关关系,且降雨强度和坡度对坡面细沟宽度的影响相近,而坡度对细沟深度的影响较降雨强度更显著;细沟宽深比与降雨强度和坡度呈负相关关系,且坡度对坡面细沟宽深比的影响显著大于降雨强度的影响。研究结果对认识饱和土壤坡面细沟侵蚀形态变化规律、进一步探究坡面细沟发育过程具有重要参考价值。     

基于三维激光扫描仪的坡面细沟侵蚀动态过程研究

 利用三维激光扫描仪探索多场降雨情况下同一坡面细沟侵蚀的动态过程,为解释细沟侵蚀过程提供一定的理论依据。采用室内人工模拟降雨,在坡度为15°的土槽上进行恒降雨强度的7场降雨冲刷实验,利用三维激光扫描仪对每场降雨冲刷后的坡面形态进行了监测,定量分析坡面细沟侵蚀的动态发育过程。结果表明：前2场降雨与后5场降雨产流产沙过程和细沟侵蚀发育过程有较大差异,细沟从第3场降雨开始明显发育。表现为小跌水一下切沟头一断续细沟一连续细沟一细沟沟网的发育过程。通过三维激光扫描仪精确监测7场降雨坡面各点微地形变化,发现细沟平均沟宽、平均沟深、沟长最大值、细沟平均密度在前2场降雨增长幅度较小,至第3场降雨后开始迅速增人,细沟侵蚀强度不断加强。侵蚀强度由第1场降雨的0. 103 kg/m2发展至第7场降雨的8.788 kg/m2,增加了84倍。     

红壤坡面细沟侵蚀参数提取研究

为研究自然降雨条件下南方红壤区坡面细沟侵蚀形态,应用无人机摄影测量技术与计算机数字图像处理相结合的方法,提取了江西水土保持生态科技园内自然降雨条件下3个不同野外裸露小区坡面细沟形态参数并进行分析。结果表明:坡面细沟在中坡位的分布密度最大,其次是下坡位,最后是上坡位;细沟宽度随着坡长增加大致呈现两头宽中间窄的类U形;细沟深度随坡长的增大大致呈现先增大后减小的趋势;细沟宽深比大致随坡长的增加而减小,在接近坡底处达到最小值。     

植被格局特征对大理河流域侵蚀产沙的响应

为了进一步研究植被覆盖FBM(fractional brownian motion)分形维数在不同流域中对植被覆盖特征的综合效果及作为固定参数代替现有的植被量化指标在实际的水文、土壤侵蚀等预测模型中的应用,该文通过对大理河流域上中下游青阳岔、李家河和曹坪3个水文站控制流域的降雨、径流和产沙等资料的全面综合分析,以次降雨径流侵蚀功率作为侵蚀外营力输入,通过对站控流域地貌特征FBM分形维数、植被景观格局FBM分形维数和NDVI植被指数作为描述下垫面特征,以地理信息系统(GIS)为平台,利用GIS和RS技术,构建大理河流域侵蚀产沙量多元线性回归模型,并通过2组不同参数预测结果对比,结果表明:以植被格局分形维数为植被量化参数的模型输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差和绝对误差比以NDVI为植被量化参数的小;在38场次暴雨洪水中,基于植被格局分形维数为植被量化参数的模型次暴雨输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差小于10%、20%、50%的分别占总场次的34.21%、55.26%、86.85%;38场次暴雨输沙模数的模拟值和实测值之间的平均相对误差为25.19%,其中模拟值与实测值绝对误差小于300 t/km2有31场,植被格局FBM分形维数可以更好反映植被覆盖与水土流失之间的关系,并且分析得到植被格局分形维数与土壤侵蚀强度之间呈负相关关系,决定系数为0.5066,即土壤侵蚀强度随着植被格局FBM分析维数的增大呈减小趋势,说明植被格局FBM分形维数对土壤侵蚀强度的影响较大.