基于指纹识别技术的小流域泥沙来源研究进展

泥沙来源判别是小流域土壤侵蚀研究的重点,也是难点。复合指纹识别技术因其结果直接、准确度高、作业快等特点,在国内外泥沙来源研究中得到大量应用,并迅速发展。复合指纹识别技术是在划分潜在侵蚀区的基础上,采集侵蚀区土壤样和流域出口泥沙样,室内分析土壤样和泥沙样指纹因子,利用相关统计检验方法筛选最佳指纹因子组合,利用数值转换模型将最佳指纹因子浓度转换为各侵蚀区产沙比例。主要通过阐述指纹识别技术泥沙来源研究步骤,总结现有可靠性检验方法,归纳研究对象等方面,综述基于复合指纹识别技术的泥沙来源研究进展。重点介绍了复合指纹识别技术最佳指纹因子组合筛选和数值转换模型,并指出复合指纹识别技术存在的问题。     

安溪县茶园小流域泥沙来源分析——以双岐溪为例

福建省茶园地处山丘地区加之缺乏水土保持措施,水土流失严重。指纹分析法利用泥沙特有的物理和生物化学性质作为示踪因子,用于区别不同泥沙来源地。本研究在安溪县山地茶园采集不同高程土壤样品及小流域中侵蚀泥沙样品,测定样品的8种土壤理化性质作为指纹识别因子,利用Kruskal-Wall检验筛选适合的指纹识别因子,运用组合指纹法与Isosource多元混合模型分析流域中侵蚀泥沙的来源及各潜在泥沙源地对侵蚀泥沙的贡献率。结果表明:茶园土壤中筛选出4种适用于山地茶园指纹因子:Ca、K、Zn、Mg,其中,K、Ca可作为判别泥沙来源的指纹因子组合。侵蚀泥沙超过70%来源于未治理茶园,且74%来源于未治理茶园山脚。组合指纹法在山地茶园的应用不仅能定量分析福建山地茶园水土流失、侵蚀泥沙的输移规律,进一步丰富了小流域侵蚀理论,也为茶园水土流失治理措施合理布设提供科学基础。     

基于不同模型不同指纹因子的东北黑土区小流域泥沙来源分析

基于指纹识别技术计算了东北黑土区典型小流域不同侵蚀产沙源地的泥沙贡献比。通过分析农地、林地、草地表层土以及侵蚀沟样品中的33种物质,使用非参数检验和多元判别分析筛选出包括P、Ce、Ga、Rb和137Cs组成的最优复合指纹因子,并将放射性核素137Cs和210Pbex作为第2组指纹因子,将最优复合指纹因子中的单个因子分别作为单因子,作为第3组指纹因子,分别利用多元混合线性模型、Bayesian模型和单因子解析解等泥沙来源指纹分析方法计算了表层土和侵蚀沟的相对泥沙贡献比。结果表明:基于不同模型不同指纹因子的泥沙来源贡献比结果虽不尽相同,但无重大差别。利用多元混合线性模型计算时,由放射性元素137Cs和210Pbex作为指纹因子计算的泥沙来源(表层土47.5%,侵蚀沟52.5%),与最优复合指纹因子计算的泥沙来源(表层土44.6%,侵蚀沟55.4%)基本一致;利用Bayesian模型计算时,由放射性元素137Cs和210Pbex作为指纹因子计算的表层土和侵蚀沟的泥沙贡献比约各占1/2,而利用最优复合指纹因子计算得到的泥沙贡献比中,表层土(58.8%)多于侵蚀沟(41.2%);以复合指纹因子中单个因子为指纹因子计算解析解,P、Ga、Ce、137Cs 4个因子的判别能力较强,能有效判别泥沙物源区;为保证泥沙贡献比计算结果的精确性,有必要确定各模型的计算精度,并挖掘具体的影响因素,调整参数或算法,为模型改进提供依据。研究发现,面积占比不足1%的侵蚀沟贡献了流域近1/2的泥沙,表明侵蚀沟发育引起的土壤流失不容小觑,应加强对该区侵蚀沟道的治理。     

西南喀斯特小流域地表、地下河流细粒泥沙来源的137Cs和磁化率双指纹示踪研究

在黔中喀斯特高原农林复合生态系统峰丛谷地小流域,利用¹³⁷Cs和磁化率双指纹因子对碳酸盐岩表层土壤(坡地和坝地)、深层土壤(沟道和洞穴/裂隙)以及碎屑岩夹层岩屑3类来源开展指纹特征分析,通过多元混合模型对流域暴雨过程侵蚀悬移质泥沙进行指纹复合示踪,并计算小流域地表及地下出口输出泥沙的主要来源及相对贡献率。结果表明:¹³⁷Cs和磁化率在碳酸盐岩表层土壤、深层土壤以及碎屑岩夹层岩屑3类来源存在显著差异,流域内表层土壤、深层土壤和碎屑岩夹层岩屑的¹³⁷Cs和磁化率平均含量分别为3.39 Bq/kg和310.07×10^-8 m^3/kg、0.50 Bq/kg和180.69×10^-8 m^3/kg、0 Bq/kg和7.02×10^-8 m^3/kg。表层土壤、深层土壤和碎屑岩夹层岩屑对流域地表出口泥沙的相对贡献分别为16.2%,4.3%和79.5%,拟合优度为99.97%;表层土壤、深层土壤和碎屑岩夹层岩屑对流域地下出口泥沙的相对贡献分别为<0.1%,37.9%和62.1%,拟合优度为83.80%。喀斯特流域泥沙来源区别于其他碎屑岩流域具有的特点为:(1)碳酸盐岩风化表层土壤来源少,对河流泥沙贡献小,主要贡献于地表河流。(2)无论流域地表出口还是地下出口,河流泥沙来源主要为流域中碳酸盐岩所夹的少量(地面物质组成<10%)的碎屑岩夹层岩屑。(3)深层土壤略有贡献,地下河流贡献比例高于地表河流。另外,¹³⁷Cs和磁化率可作为双指纹示踪物较好地示踪喀斯特小流域地表、地下河流泥沙来源和确定相对贡献率。     

西柳沟流域拦沙坝沟道冲刷减蚀能力模拟

为探讨风水交错侵蚀区拦沙坝建设对流域沟道侵蚀动力过程及沟道冲刷侵蚀能力的影响,通过分布式水文模型MIKE SHE以及一维水动力模型MIKE 11耦合模拟了西柳沟流域洪水过程,分析了新建拦沙坝建设前后流域沟道侵蚀动力变化,通过建立流域次暴雨水沙响应模型估算了新建拦沙坝工程运行期内的沟道冲刷减蚀能力。结果表明:(1)拦沙坝建成后,流域出口处洪峰流量减少40.90%,洪水总量减小35.85%,显著改变了西柳沟流域洪水过程,洪水过程线明显坦化;(2)流域主沟道平均最大流速、最大径流剪切力和最大径流功率分别减小21.66%,22.02%和34.31%,有效降低了沟道侵蚀动力;(3)在多年平均降水情况下,预计流域新建拦沙坝工程在25年工程运行期内的冲刷减蚀能力可达到3 309.49万t。研究结果可为风水交错侵蚀区拦沙坝减蚀能力评估提供理论支撑。     

MIKE-SHE与MUSLE耦合模拟小流域侵蚀产沙空间分布特征

为有效认识流域侵蚀产沙来源,并探讨MIKE-SHE在中国黄土高原区域侵蚀产沙模拟的适用性,该研究采用分布式流域水文模型MIKE-SHE与修正的土壤侵蚀模型MUSLE耦合,对黄土高原典型小流域侵蚀产沙进行了空间分布模拟与评价。研究结果表明：流域侵蚀产沙主要来自于坡耕地和村庄、厂矿及居民用地,二者对于流域次降雨侵蚀产沙贡献平均为44%和34%。对于不同地貌单元,沟坡是流域侵蚀产沙的重要来源,其侵蚀产沙贡献高达68%。总体来看,73%的流域面积无明显侵蚀特征,而约17%为强度、极强度以及剧烈侵蚀区,剧烈侵蚀区多分布于沟坡和部分斜梁坡,这与现实流域植被覆被特征及侵蚀特征基本相符。沟道重力侵蚀是影响MIKE-SHE与MUSLE耦合模拟流域出口侵蚀产沙总量精度的重要因素之一。     

长江上游云贵高原区泥沙来源的^137Cs法研究

通过云贵高原区龙川江流域不同源地表层土壤和坝库淤积泥沙＾１３７Ｃｓ含量的对比,结合流域土地利用现状,分析了４个不同土地利用类型小流域相对来沙量,结果表明,侵蚀裸坡和沟道重力侵蚀是坝库淤积泥沙的主要来源,随着流域面积增大,相对产少量为５４％－８５％。     

流域侵蚀强度空间分异及动态变化模拟研究

流域侵蚀强度空间分异是小流域泥沙来源研究的重要内容之一。该文以小流域模型模拟试验为基础，利用人工模拟降雨、近景摄影测量和GIS技术，对流域模型不同空间部位的侵蚀强度及其随流域所处发育阶段的动态变化进行了研究。研究结果表明：依据次降雨相对侵蚀模数REM将历经25场模拟降雨的小流域模型发育过程划分为初期时段、活跃时段和稳定时段。沟谷侵蚀强度在整个流域模型发育过程中一直大于坡面；在流域发育初期时段至活跃时段前期，主沟侵蚀强度大于支沟，流域下部侵蚀强度大于中部和上部；在流域发育活跃时段后期，主沟侵蚀强度低于支沟，流域中部和下部侵蚀强度快速增长并达到峰值；在稳定期时段，主沟和支沟侵蚀强度变化趋于同步，流域上部的侵蚀强度高于中部和下部。流域侵蚀强度的时空分布特征对于小流域水土流失综合治理具有科学指导意义。     

罗玉沟流域“2001.06.15”特大暴雨泥沙来源分析

20 0 1年 6月 15日凌晨 6时 10分到 7时 40分 ,罗玉沟流域遭遇了 3 0 0年一遇的特大暴雨袭击 ,暴雨中心点雨量68 8mm ,历时 5 5min。洪水破坏农田 3 3 0hm2 多 ,冲毁民房 2 0多间 ,受灾户 10 5户 ,直接经济损失达 2 0 0多万元。实测洪水含沙量达 43 2 1kg/m3,流失泥沙约 3 6 5 3万t。土壤流失主要来自于坡耕地和其他坡地 ,其流失量约 3 4 83万t ,占土壤流失总量的 95 % ;水保措施遭破坏、工程建设中的弃土弃渣 ,均加剧了土壤流失。应加强流域内沟道防治措施建设 ,加大流域退耕还林还草力度 ,实施大面积封禁治理     

长江三峡花岗岩地区坡面产沙及沟道输沙规律

运用砂粒粒组分析方法，对长江三峡花岗岩地区下岸溪流域的坡面产沙及沟道输沙规律进行了研究。结果表明，〈２．００ｍｍ砂粒的累积含量松栎混交林和马尾松林地最多，荒草坡地居中，农坡地和梯田最少，农坡地和质量不高的梯田是花岗岩坡面侵蚀产沙的主要来源：坡面各级砂粒在沟道各断面都有分布，主沟道泥沙输移比接近于１。     

晋西黄土区切沟对其上方集水区内土壤水分的影响

为掌握黄土高原切沟对其上方集水区内土壤水分的影响,选取晋西黄土区典型切沟上方的集水区为研究对象,采用土钻法定期测量0—10 m土层的土壤水分,探讨集水区内不同地貌部位的土壤水分状况。结果表明:(1)集水区内土壤水分状况受距离切沟远近和地貌部位的共同影响。(2)集水区内距离切沟1 m处的蓄水量显著低于距离切沟3,6 m处的蓄水量(P＜0.05),集水区内洼地的蓄水量大于坡面。(3)集水区内6个采样点浅层含水量随时间变化剧烈,深层含水量随时间变化小。(4)切沟对其上方集水区内土壤水分的水平影响距离为1~3 m,距切沟1 m处,影响深度最深可达7 m,距切沟3 m处,影响深度为2 m。在未来开展切沟治理中,建议在距离切沟1 m范围内密植低耗水的耐旱灌木或草本,利用密植的植物增加地面糙率,降低水流流速,并利用植物根系网络土体,增加抗冲性,从而起到防治切沟溯源侵蚀。     

全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀影响因素及交互作用

为了查明全风化花岗岩地区输油气管道作业边坡坡面水土流失问题,通过野外典型边坡边界条件测量、坡面侵蚀特征冲沟沟深、冲沟截面积数据采集、岩土体取样测试,并结合室内模型降雨试验等方法。结果表明：降雨、坡长、坡度、汇水面积、岩土体特性5种因素均影响全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀。产沙率和产流率随着降雨强度的增大而增大。坡长、坡度、汇水面积与冲沟沟深和冲沟截面积呈正相关关系,且随着坡长、坡度、汇水面积的增大,冲沟沟深和冲沟截面积也在增大。通过取样测试发现,原状土与回填土的颗粒组成相对含量具有较大差异,初始回填土粒度级配为良好土。降雨冲刷初期回填土坡面径流主要携带粉粒和黏粒。5年回填土相对于原状土,孔隙率增加到原来的1.13倍,土体渗透系数增大1个数量级,饱和状态下黏聚力降低为原状土的67.6%,内摩擦角降低为原状土的87.5%。通过查明全风化花岗岩管沟回填土坡面侵蚀影响因素及其作用,为后续的边坡治理提供依据。     

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.     

东北漫岗黑土区防护林带分布对浅沟侵蚀的影响

东北漫岗黑土区坡耕地浅沟侵蚀非常严重,防护林带体系作为坡耕地的重要组成部分,势必会对浅沟侵蚀过程产生影响。本文以漫岗黑土区黑龙江鹤山农场典型小流域为研究对象,基于Quickbird高精度遥感影像和数字高程模型,结合实地调查结果,对小流域内防护林带的分布规律和浅沟侵蚀规律进行了分析,并探讨了防护林带布局对坡面浅沟侵蚀的影响。结果表明:在横坡耕作的坡面上,临界汇水区范围内林带的个数与临界坡长、临界汇水面积呈显著正相关,即增加林带个数、减小林带间距可以增大临界坡长和临界汇水面积,而研究区防护林带间距过大,大于该区浅沟发生的临界坡长,并且防护林带间断有利于浅沟的发育;同时,坡耕地垄向由于受到防护林带影响而与其走向一致,使垄沟笔直穿过低洼水线,形成局部顺坡垄,间接诱发浅沟侵蚀。因此,通过增加横坡耕作坡面上防护林带个数、缩小林带间距、加强林带的管护和更新,同时对不合理的防护林带进行必要的调整,才能有效防治坡面浅沟侵蚀。     

治理小流域侵蚀产沙特征研究

该文以纸坊沟流域为例,分析了治理小流域侵蚀特征,产沙特征及综合治理减沙效益。结果表明：流域侵蚀强度以中等以下为主,流域产沙主要来源于沟谷地的天然荒波,流域综合治理具有明显的减沙效益。     

子午岭地区林地破坏加速侵蚀对土壤养分流失和微生物的影响研究

以浅沟集水区为研究对象,分析了子午岭地区林地被开垦破坏15年后裸露地在不同侵蚀强度和侵蚀方式下的土壤养分流失和土壤微生物数量的变化。结果表明,林地开垦破坏后,土壤侵蚀加剧发展,侵蚀强度达159.7t/(hm2a),是林地土壤侵蚀量的上千倍。开垦破坏15年后,裸露地浅沟集水区不同地形部位表层土壤全氮、有机碳、速效磷和土壤微生物总数显著减少,同林地相比,依次分别减少37.9%～82.6%、42.7%～86.4%、24.2%～80.3%和31.8%～92.0%。在裸露地浅沟集水区梁坡随坡长的增加,表层土壤有机碳、全氮和速效磷含量及微生物总数呈显著的下降趋势,且沟槽的土壤各养分含量及微生物总数明显低于沟间。裸露地浅沟集水区土壤养分流失强度及微生物数量减少幅度在浅沟集水区的空间分布与土壤侵蚀方式和侵蚀强度相对应。林地开垦破坏15年后,土壤养分以有机碳流失最严重,其次分别为速效磷、全氮;微生物中的真菌减少幅度最大,细菌次之,放线菌减少幅度最小。     

ASSESSING THE PERFORMANCE OF A SPATIALLY DISTRIBUTED SOIL EROSION AND SEDIMENT DELIVERY MODEL (WATEM/SEDEM) IN NORTHERN ETHIOPIA

Most regional‐scale soil erosion models are spatially lumped and hence have limited application to practical problems such as the evaluation of the spatial variability of soil erosion and sediment delivery within a catchment. Therefore, the objectives of this study were as follows: (i) to calibrate and assess the performance of a spatially distributed WATEM/SEDEM model in predicting absolute sediment yield and specific sediment yield from 12 catchments in Tigray (Ethiopia) by using two different sediment transport capacity equations (original and modified) and (ii) to assess the performance of WATEM/SEDEM for the identification of critical sediment source areas needed for targeting catchment management. The performance of the two model versions for sediment yield was found promising for the 12 catchments. For both versions, model performance for the nine catchments with limited gully erosion was clearly better than the performance obtained when including the three catchments with significant gully erosion. Moreover, there is no significant difference (alpha 5 per cent) between the performances of the two model versions. Cultivated lands were found to be on average five times more prone to erosion than bush–shrub lands. The predicted soil loss values in most parts of Gindae catchment are generally high as compared with the soil formation rates. This emphasises the importance of implementing appropriate soil and water conservation measures in critical sediment source areas prioritising the steepest part of the catchment (i.e. areas with slope >50 per cent). The applicability of the WATEM/SEDEM model to environments where gully erosion is important requires the incorporation of permanent gully and bank gully erosion in the model structure. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

A multi-scale approach of runoff generation in a Sahelian gully catchment: a case study in Niger

Runoff production conditions in a small gully catchment are studied at four different scales: the point scale (0.001 m²), the local scale (1 m²), the field scale (of the order of 100 m²) and the catchment scale (0.2 km²). At the point scale, infiltration measurements were conducted using a tension infiltrometer. At the local and the field scale, runoff plots were setup on typical soil surface conditions of the catchment (plateau bare soil, hillslope bare soil and fallow grassland). At the catchment scale, stream discharges were measured at two gauging stations.The overland flow yield is significantly nonuniform in space, due to the high spatial variability of infiltration capacities and the depressional storage of the soil surface. The runoff and the infiltration data collected confirmed the major role played by soil crusting on runoff generation in that part of Sahel. At the point scale, hydraulic conductivity measurements have shown that infiltration and runoff were driven by the hydraulic properties of the crust. At the field scale, microtopography and heterogeneity in the soil surface crusting decreased discharge volumes. The influence of vegetation growth on runoff yield was evident in the case of the fallow sites. Analysis of discharge data at the catchment scale highlights that infiltration through the bottom of the gully between two gauging stations leads to considerable runoff water transmission losses.     

干热河谷冲沟发育区土壤细沟可蚀性及主要影响因素

为探明我国干热河谷区不同活跃程度冲沟不同空间部位土壤细沟可蚀性(Kr值)在不同近地表水文条件下的差异,在云南省元谋县选择不同活跃程度的冲沟,采集其不同空间部位(集水区、沟壁、沟床)的土壤样品,利用“V”形细沟模拟冲刷装置进行放水冲刷试验,流量设置为150,300,450,600,750,900 mL/min,分别进行排水、饱和、渗流3种水文状态的模拟试验。结果表明:(1)干热河谷冲沟发育区土壤砂粒含量明显高于粉粒和黏粒,占50%以上,土壤有机质(SOM)和全氮(TN)含量较低;(2)不同活跃程度冲沟土壤机械组成、有机质含量之间均存在显著差异,且随着冲沟稳定性增加,土壤砂粒含量呈逐渐降低趋势,土壤粉粒、黏粒、SOM、TN含量则呈不同程度的增加趋势;(3)在不同近地表水文状态下,土壤Kr值(s/m)均随冲沟稳定性的增加而呈递减趋势,表现为Kr(活跃型)>Kr(半稳定型)>Kr(稳定型),而不同活跃度冲沟土壤临界剪切力τc值之间具有一定差异性,但无明显规律;(4)冲沟不同部位土壤Kr值之间也具有显著的空间异质性,表现Kr(集水区)相似文献   

Investigating the spatial distribution of soil erosion and deposition in a small catchment on the Loess Plateau of China, using Cs

An understanding of the spatial distribution of soil erosion and deposition in a catchment is important for designing soil and water conservation measures. Traditional monitoring techniques provide limited information on the spatial patterns of erosion and deposition. The fallout radionuclide ¹³⁷Cs was used to document rates and patterns of soil redistribution within a small (0.17 km²) gully catchment located near An'sai in Shaanxi Province, representative of the Loess Plateau of China. The local reference inventory was estimated to be 2266 Bq m⁻² and the ¹³⁷Cs inventories of 198 soil cores collected from the catchment, ranged from 0 to 3849 Bq m⁻². The coefficient of variation of the inventories of the individual cores was 0.85, reflecting the complex pattern of ¹³⁷Cs redistribution by soil erosion and deposition. Estimates of erosion rates derived from ¹³⁷Cs measurement ranged from less than 25 to 150 Mg ha⁻¹ year⁻¹, with about 70% of the net soil loss from the catchment coming from the gully area. The ¹³⁷Cs technique was shown to provide an effective means of documenting the spatial distribution of soil erosion and deposition within the small catchment.