沙棘"柔性坝"对沟道土壤粒径分布影响的试验研究

沙棘“柔性坝”取得了良好的拦沙效果,为了进一步了解其对沟道土壤粒径分布的影响,试验测定了种植沙棘“柔性坝”的沟道内不同位置、不同深度的土壤颗粒级配,同时与一条未种植沙棘的小支沟进行了对比分析。结果表明：同未种植沙棘的沟道相比,由于沙棘的生长及其对坝内生态环境的逐渐改善,坝内淤积的泥沙整体上呈细化趋势,上游断面处此变化最为明显;受局部地形的影响,单个坝体内泥沙淤积无明驻规律;由于沙棘“柔性坝”的存在,沟道内泥沙粒径从上游到下游呈递减趋势,且沙棘对粒径大于0．25mm的粗颗粒泥沙具有较好的分选效果。     

沙棘“柔性坝”对土壤水分调控作用的试验研究

沙棘植物“柔性坝”拦沙淤积效果明显，为了探求沙棘“柔性坝”对土壤水分的调控作用，在内蒙古准格尔旗西召沟东一支沟小流域内对5座沙棘“柔性坝”开展了野外试验研究，同时在东一支沟左岸一未种植沙棘“柔性坝”的小支沟进行了对比试验。沿沟道及“柔性坝”坝体纵向设置若干断面，每个断面设2～3个采样点，每个采样点在1 m深度范围内分9层采集土样测定土壤含水率。试验结果表明：降雨后，沙棘“柔性坝”坝体土壤水分的垂向分布呈现降低型(土壤含水率随土层深度的增加而降低)；而对比沟各断面的土壤含水率的垂向分布则为增长型或波动型。这表明沙棘“柔性坝”有利于雨水下渗和增加土壤含水率，进而起到保水固土和促进植被生长的作用。从“柔性坝”坝体中部至上游淤积体，平均土壤含水率呈现纵向递增趋势；并基于达西定律探讨了断面平均土壤含水率与纵向距离之间的关系。     

沙棘柔性坝对砒砂岩沟道泥沙粒径分布及有机质影响

为了进一步研究沙棘"柔性坝"对砒砂岩沟道泥沙的影响,基于内蒙古砒砂岩地区沙棘"柔性坝"野外试验,根据单座沙棘"柔性坝"一次降雨淤积后的试验数据,运用对比分析的方法,研究了沙棘"柔性坝"对砒砂岩沟道泥沙粒径分布及有机质的影响及其拦沙效果。结果表明:单座沙棘"柔性坝"能够提高砒砂岩沟道泥沙有机质含量,具有淤粗排细的分选功能和良好的拦沙效果。泥沙有机质从沙棘"柔性坝"上游到下游逐渐增加,沿泥沙剖面表现出先增后减的趋势;泥沙粒径从沟道上游到下游先增大后减小,沿一次降雨淤积的泥沙剖面也表现出先增后减的趋势;暴雨后沙棘"柔性坝"单位面积淤积泥沙的平均厚度为0.369m,与对比沟相比,淤积的泥沙厚度明显较高。     

沙棘植物对砒砂岩沟道土壤改良效应的研究

基于内蒙古砒砂岩地区准格尔旗东一支沟沙棘植物柔性坝野外水保试验,根据监测的土壤有机质数据,运用比较与统计分析的方法,研究了沙棘植物对沟道土壤的改良效应.结果表明,沙棘植物的存在,极大地提高了沟道土壤肥力,改善了植物群落的生长环境,对于该区生态环境的恢复与重建具有重要意义.沙棘柔性坝所形成的复合地表枯枝落叶层的腐殖质、根系的死亡代谢及分泌物都是沟道土壤有机质的重要来源;沙棘植物柔性坝沟道0-30 cm土壤层的有机质含量平均值要高出对比沟1.25倍;东一支沟沙棘柔性坝沟道土壤有机质含量从上游到下游表现出沿程增加的趋势;各典型沙棘柔性坝沿土壤剖面的有机质含量平均值是相应对比沟的约1.8倍;有机质沿土壤剖面的分布对比说明,沙棘植物的存在改变了沟道有机质沿土壤剖面的分布,这种分布有利于沙棘植物及砒砂岩沟道次生植物群落的生长与恢复.     

砒砂岩区沙棘植物柔性坝野外试验研究综述

素有“地球癌症”之称的砒砂岩区位于黄河粗泥沙集中来源区核心区域,平均侵蚀模数20 000 t/(km~2·a),其中粒径大于0.05 mm的粗泥沙含量高达80%左右。砒砂岩区沙棘植物柔性坝野外试验系统研究了该区土壤侵蚀的基本规律和分类系统、输沙机理、植物拦沙机理,以及植物柔性坝对水资源的调节作用,给出了支毛沟沟头沙棘植物柔性坝坝系系统工程技术和防止砒砂岩区土壤侵蚀的水土保持综合技术,为基岩产沙区的全方位治理和黄河粗泥沙治理提供了可靠的科学依据。     

华北土石山区坡面溅蚀和片蚀泥沙颗粒特征研究

基于野外人工模拟降雨试验,研究3种降雨强度(35,65,100mm/h)、2种坡度(5°,15°)和3种植被盖度(0%,30%,80%)条件下,溅蚀和片蚀泥沙颗粒的粒径动态分布特征,及其与降雨强度、坡度和植被覆盖度的关系,揭示表层土壤团聚体在侵蚀过程中的破碎机制。结果表明,2种侵蚀方式下的泥沙颗粒主要集中在0.1~0.002mm粒级范围内,显著高于其它粒级颗粒含量。在溅蚀泥沙颗粒中0.1~0.05mm粒级颗粒含量较高,而片蚀泥沙颗粒中0.02mm粒级颗粒含量较高,溅蚀泥沙颗粒的平均重量直径均大于片蚀泥沙颗粒。对比泥沙颗粒粒径的变化特征,溅蚀泥沙颗粒中粗砂粒(2~0.25mm)和细砂粒(0.25~0.05mm)含量逐渐减少,粉粒(0.05~0.02mm)和粘粒(0.002mm)含量逐渐增加,而片蚀泥沙颗粒中砂粒(2~0.05mm)含量呈增加趋势,粘粒(0.002mm)含量呈减小趋势。2种侵蚀方式下不同粒径泥沙颗粒与坡面径流深和径流量的相关性分析表明,泥沙颗粒粒径分布与地表产流过程密切相关。同时,雨滴击溅侵蚀泥沙颗粒的分形特征与侵蚀土壤的相对机械破碎指数有关,能够有效预测侵蚀过程中降雨和径流对坡面土壤团聚体的分选特征。     

细沟侵蚀动态过程模拟数学模型和有限元计算方法

建立了集中水流作用下均质土壤坡面上细沟侵蚀动态模拟数学模型。模型包括根据质量守恒原理推导而得到的变沟宽水流连续性方程和泥沙运移方程；根据动量守恒方程推得到的水流动力学方程；由紊流冲击分布概率来确定的土壤剥离方程；过量泥沙采用沉积的一阶沉积方程。模型还考虑了沟床形态、水流动力、土壤侵蚀与泥沙沉积形成相互依赖的反馈环，具有表达细沟的空间变化和时间演变的能力。给出了利用有限元方法对水动力学方程及泥沙运移连续方程进行顺序求解的数值计算公式以及模型数值求解的具体步骤。     

砒砂岩区典型淤地坝沉积泥沙特征及来源分析

黄土高原地区的淤地坝是拦减入黄泥沙的关键措施,尤以对泥沙具有绝对控制的"闷葫芦"淤地坝为甚。为研究淤地坝对侵蚀泥沙的拦蓄作用,以砒砂岩区皇甫川流域园子沟淤地坝为研究对象,采集坝地淤积剖面及沟间地、沟谷地表层样品,对沉积旋回进行断代分析,计算泥沙贡献率,反演其淤积过程。结果表明:坝地沉积泥沙粒径分布以2~0.05 mm砂粒为主,其次为粉粒、黏粒,砂粒中以极细砂和细砂占比最多。园子沟坝控流域内侵蚀性降雨事件对应的最小日降雨量为22.8 mm;淤地坝运行可划分为2个阶段,前期主要依靠坝体拦蓄泥沙,后期随着拦蓄泥沙的增多,减蚀作用凸显。坝地沉积泥沙主要来源为沟谷地,贡献率达71.4%,沟间地为28.6%,其中沟间地侵蚀产沙并非受植被唯一影响,在降雨量>45.4 mm时,地形因素会限制侵蚀的加剧。     

侵蚀泥沙颗粒特征研究进展

侵蚀泥沙颗粒对深入理解和模拟泥沙及与之有关的化学污染物质输移至关重要。通过对国内外相关研究归纳整理、总结经验,重点围绕土壤水蚀的2个主要过程(细沟间和细沟侵蚀),对侵蚀泥沙颗粒输移形式、各级未分散颗粒的机械组成、不同粒径颗粒的富集规律和分选特征以及影响因素等进行综述与评价。纵观国内外的研究进展,侵蚀泥沙颗粒流失规律的研究已经较为全面和深入,取得了一些共识性成果:(1)未分散状态下的泥沙颗粒粒径分布更适合用来描述、模拟泥沙的输移行为和与之相关的营养污染物质迁移;(2)侵蚀泥沙粒径分布主要受降雨和径流能量的限制,能量小时,径流优先输移细颗粒,泥沙以细颗粒的富集为主;随着能量的逐渐增大,泥沙逐渐变粗;当能量足够大而产生细沟的时候,泥沙粒径分布趋向于接近原土;(3)团聚性好的土壤,其侵蚀泥沙粒径较团聚性差的土壤粗。     

开机组合对泵站进水系统泥沙浓度分布的影响

针对泵站来流含沙条件下不同开机组合对进水系统泥沙浓度分布的影响问题,该研究开展了基于欧拉-欧拉算法的大型泵站进水系统固液两相流数值分析。首先,为了定量描述泥沙对流场均匀性的影响,对比分析了清水和浑水情况下进水流场的流速分布均匀度和回流系数,发现质量浓度10 kg/m3且粒径为25 μm的泥沙会使进水流场内的同轴漩涡变成沿水深方向更大尺度的螺旋状漩涡,进水池内的回流系数增长20.6%,流速分布均匀度下降8%。其次,通过对不同开机台数和机组组合方式下进水系统内泥沙浓度分布的对比分析,发现前池和进水池两侧边壁附近泥沙浓度最高,与引渠等宽的中心区域泥沙浓度最低,两侧边壁的泥沙浓度随开机台数的减少而增大,边机组不运行会破坏流场的对称性并在边机组与边壁区域形成死水区或漩涡区,增大泥沙浓度;基于开机组合的多工况分析,建立来流速度与流场内泥沙沉积效率的二次多项式模型。最后,开展了泥沙浓度与速度之间的相关性分析,发现泥沙浓度与横向速度平方呈幂函数关系,当泥沙粒径为25 μm且质量浓度为10 kg/m3时,进水流场的不淤速度为0.421 m/s,并且不淤速度随开机台数的减少而降低。研究结果可为含沙泵站进水系统防淤措施设计提供依据。     

沙棘植物"柔性坝"沟道土壤水分时空动态变化研究

沙棘植物柔性坝是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,特别适合于生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古准格尔旗砒砂岩地区东一支沟开展了沙棘植物柔性坝野外拦沙保水实验,结果表明,沙棘植物柔性坝各部位的土壤剖面含水量年内、年际时空动态变化有着明显的差异,沙棘植物柔性坝对沟道土壤水分具有显著的调节作用,降雨、地表植被种类、植被生长状况、土壤理化性质、地形和当地水文气象条件等是影响土壤水分时空变异的重要因子,而其中降雨和地表植被是主要影响因素。     

砒砂岩地区沙棘“柔性坝”拦沙与生态效应试验研究

沙棘植物“柔性坝”是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,尤其适合生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古砒砂岩地区鄂尔多斯市准格尔旗东一支沟开展了沙棘植物“柔性坝”野外拦沙保水实验,泥沙颗粒级配分析结果表明,沟道“柔性坝”坝系普遍发生了淤积,与下游刚性谷坊配套使用可天然分选沟道里的泥沙——拦粗淤细,将粗沙拦截在沟道里,细沙淤在下游谷坊中,拦沙效果非常明显。“柔性坝”沟道土壤水分监测表明,沙棘植物“柔性坝”沟道土壤剖面含水量年内动态变化有着明显的差异,“柔性坝”可显著调节沟道土壤水分,提高水源涵养能力,促进“柔性坝”自我繁殖,实现坝体的自我增长。     

沟床草被对干热河谷冲沟产沙特性影响的野外模拟试验

金沙江干热河谷冲沟极为发育,水土流失强烈,严重威胁着该区的生态安全和社会经济发展。为探明植被影响径流过程、促进沟床稳定的机理,该研究采用野外放水冲刷试验,研究分析了沟床草被带长度对径流产输沙过程和特征的影响,旨在探明沟床草被影响下径流含沙量和输沙率时空变化规律。结果表明:1)增大草被带长度可有效降低冲沟径流泥沙含量,改变径流泥沙含量的时空分布特征。泥沙含量在时间上呈指数递减趋势,在冲沟径流运动方向上呈增大趋势。沟床草被带越长,泥沙含量在时间上波动性越弱,递减趋势越明显;随沟床草被带长度的增大,径流泥沙含量在沟床径流运动方向上的增大趋势有减缓现象;此外,当草被带长度增加到8 m以后,进一步增加草被带长度对减小径流泥沙含量效果不显著,而对照小区和4 m草被带小区泥沙含量均显著高于草被带长度≥8 m的小区,说明8 m草被带是降低径流泥沙含量的较好配置长度;2)沟床草被带对径流输沙率有减小作用。当草被带长度8 m时,径流输沙率高于草被带8 m的小区,且在时间上呈先增大后急剧减小而后趋于稳定的变化趋势。当草被带长度≥8 m时,径流输沙率在时间上表现出微弱的降低趋势。试验冲沟径流输沙率均值在空间上沿径流运动方向自冲沟上游至其下游表现出增大趋势,但草被带长度对输沙率在冲沟径流运动方向上的增大过程有较大影响。该研究为植被措施控制冲沟侵蚀提供理论依据。     

Coarse bed material patch evolution in low-order,ephemeral channels

In river channel beds composed of a wide range of grain sizes, the bed material is often arranged in discrete patches discernable by relative texture. These bed material patches are the primary source of entrainable coarse sediment within the channel system and their composition and size have been found to influence the composition and rate of sediment transport. Twelve coarse (gravel–cobble) sediment patches distributed throughout the channel network within a 4.53 ha watershed in southeastern Arizona were monitored for 2 years. Changes in patch area and grain size were measured and painted patch grains were monitored to confirm that patch grains were mobilized during flow. Individual coarse bed material patches exhibited variable persistence during flows with return frequencies ranging from approximately 1 year to 4.6 years. While no patch fully dispersed during the study period, two new patches formed. Most coarse patches remained relatively stable in area and grain-size distribution despite the entrainment of patch grains as lost grains were sufficiently replaced with sediment from upstream. Because of the grain replacement process and the effect of other sediment supply dynamics, the changes in patch area and grain-size distribution display a complex relationship with the magnitude of predicted grain mobilization within each patch. Results indicate that relative stability varies from patch to patch, influenced by the balance of patch grains transported out of the patch and the deposition of new grains into the patch. Predictive models of coarse sediment transport and yield that assume the channel bed is a fixed source of sediment supply may not adequately capture the sediment dynamics within patchy channel beds and should be used with caution when applied to these environments due to the possibility of patch instability as documented in this study.     

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。     

黄土丘陵沟壑区油松与沙棘混交油松成林过程研究

在陕北丘陵沟壑区,以油松纯林为对照,通过对油松与沙棘行状混交、带状混交和宽行混交沙棘平茬、宽行混交沙棘不平茬的油松树高、地径、树冠、顶梢生长、存活率等的监测研究,结果表明,不同方式混交的油松在栽后前3 a的生长状况与纯林无差异。当混交林的沙棘覆盖度达到70%以上后,行状混交和宽行混交沙棘不平茬的油松生长量开始下降,栽后6～7 a大量死亡,第8 a基本死完;宽行混交沙棘平茬的油松,随着平茬沙棘的萌生,油松的生长量大于纯林,在萌生沙棘生长的第3 a,沙棘覆盖度达40%～45%时,油松的生长量明显大于对照;带状混交的油松,当沙棘侵入油松林带后,油松的生长量大于对照,当沙棘的覆盖度达40%～45%时,油松生长速度与纯林的差异明显。不同年份的降水量对油松的生长影响显著,但滞后1 a。     

黄土高原不同地貌类型区植被恢复潜力及其土地利用变化

黄土高原1999年开始的退耕还林（草）工程，对植被覆盖与土地利用结构产生了深刻影响，评估黄土高原未来植被恢复潜力、植树造林适宜区以及土地利用变化，对黄土高原生态保护和高质量发展具有重要意义。该研究基于北洛河流域2020年下垫面状况，借鉴"相似生境法"，对不同地貌类型区的未来恢复潜力、植树造林适宜区与土地利用变化进行了分析。结果表明：1）丘陵沟壑区目前平均植被盖度为61.9%，未来20~30 a仍有9.2%左右的上升空间，植被可恢复土地面积约占丘陵区的36.4%。土石山林区尚有11.5%的土地面积具有恢复余地，高塬沟壑区与阶地平原区植被盖度恢复余地很小。2）未来土地利用变化面积主要集中在丘陵沟壑区，与2020年相比，其耕地将减少47.4%，而林地与草地会增加0.7%与15.8%。土石山林区耕地将减少23.0%，林地与草地分别会增加0.2%与36.0%。3）基于"适地适树"原则下的情景模拟，高塬沟壑区与阶地平原区分别有279.16、233.73 km2面积可植树造林，而丘陵沟壑区大片可退耕土地适宜于自然恢复。结果表明，丘陵沟壑区仍是未来生态恢复重点关注区域，是黄河流域生态保护和高质量发展的热点区域。     

韭园沟流域典型淤地坝淤粗排细作用研究

对韭园沟流域8座典型淤地坝坝内淤积物进行野外挖探坑观测取样,将坝内淤积物和马兰黄土颗粒级配进行对比,初步分析淤地坝的淤粗排细作用机理。在空间分布上,垂直分布,淤地坝坝内淤积物具有一定的沉积层理,即粉土层与黏土层相间分布;水平分布,同一沟道上游淤地坝较下游淤地坝淤积物粒径粗,单坝远坝处较近坝处淤积物粒径粗。工程结构上,有放水建筑物的淤地坝,控制面积决定了其淤粗排细效果;控制面积相近的淤地坝,有无放水建筑物决定了其淤粗排细效果;水毁坝也具有一定淤粗排细作用。     

陕北黄土洼聚湫类型划分与侵蚀产沙模拟研究

为了揭示泥沙沉积与降水的关系,重建淤地坝水成黄土的沉积环境,选择陕北黄土洼的天然聚湫为研究对象,通过野外多次多点位打钻采样和样品测定,利用近60年降雨数据与剖面粒度的对比分析和数学模拟等方法,划分了黄土洼聚湫类型,建立了标准聚湫侵蚀产沙模型。结果表明:(1)将黄土洼的侵蚀性雨量标准定为9.2mm能更好地反映黄土洼的土壤侵蚀状况;(2)依据降雨数据,黄土洼年均最大日降雨量52.7mm以下的降雨总量占88.1%,利用52.7mm以下降雨量产生的泥沙分布范围,可以确定"非标准聚湫"的范围;(3)通过对库容曲线的模拟将1 058.03m定为零库容高程点,并基于黄土洼的分形维数对岔巴沟流域建立的次降雨侵蚀输沙模型进行了修订,建立了适用于本地区的侵蚀产沙模型;(4)对各剖面沉积物粒度旋回规律进行对比分析,并结合模型计算数据,确定了黄土洼"标准聚湫"在近坝地剖面点附近,坝地至沟口附近之间为"非标准聚湫",沿沟至沟头以上均为"非聚湫"沉积区。