南方崩岗侵蚀区崩壁龛穴发育特征与稳定性初探

南方花岗岩崩岗侵蚀区崩壁常见形似内凹洞的特殊地貌(龛穴),该地貌的发育可引起崩壁失稳并扩大崩岗侵蚀范围。通过刻画龛穴形态演变过程,研究龛穴发生的物质条件与驱动因素,并结合力矩分析方法构建力学模型评价崩壁及龛穴稳定性。研究表明:龛穴形态演变经历"雏形—发育—形成"3个过程,剖面土层异质性是龛穴发育的基础条件,水力与重力作为外部因素共同作用驱动龛穴发育。龛穴稳定性随其高度增加、角度减小而降低。龛穴的发育可能是崩岗溯源侵蚀启动的标志,遏制龛穴形成有利于提高崩壁稳定性,研究结果为崩岗侵蚀治理提供理论依据。     

福建省花岗岩坡地沟谷侵蚀试验研究初报

 根据野外考察和定点径流泥沙资料,对花岗岩坡地沟谷侵蚀动力机制、径流泥沙运行规律、发育过程、侵蚀模数等进行定量分析。指出浅沟在坡地折坡处是引发切沟发育的主要地段,是浅沟治理的重点部位。崩岗沟发育地区土壤侵蚀模数大,是花岗岩坡地水土流失防治的重点。     

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

崩岗侵蚀区土壤物理性质分层差异及其对崩岗发育的影响

崩岗是我国南方红壤区最严重的土壤侵蚀类型之一。采集赣州市典型的花岗岩和红砂岩崩岗地区土壤样品,测试分析其红土层和母质层的黏聚力、内摩擦角和液塑性指标,结果表明:花岗岩崩岗地区母质层的抗剪强度显著低于红土层,而两者的液塑性指标值没有显著差异,说明母质层抗剪强度低是导致花岗岩地区崩岗发育的诱因;红砂岩地区红土层抗剪强度稍高于母质层,但两者间没有显著性差异,而红土层土壤液塑性指标值要显著高于母质层,说明母质层的低液塑性有利于红砂岩地区崩岗侵蚀的发育。花岗岩和红砂岩崩岗地区红土层的破坏容易诱发崩岗,因此保护红土层是预防崩岗侵蚀的关键。     

基于龛深及其上覆土层稳定性的崩壁崩坍形成条件研究

[目的]研究龛的形态与崩岗发育及崩岗侵蚀之间的关系,为崩岗治理规划、崩岗防治工程技术的改进提供一定的数据参考。[方法]以湖北省通城县典型崩岗区崩壁土体为对象,构建崩壁连同龛二维数值模型,结合物理试验标定模拟所用的崩壁各土层基本特性参数。引入符合龛演化过程的"单元生死法",对引起天然状态下的崩壁明显崩塌(坍)所需的龛深最小(临界)值进行定量分析,并借助正交有限单元试验(ABAQUS)对诱发崩壁崩坍的因素进行主次评价,之后选取若干未降雨条件下不导致崩壁崩坍的龛深值,联合高阶插值与强度折减法导出了这些龛深与触发龛上覆红黏土体崩坍所需的极限饱和度之间的定量方程式。[结果]龛深与崩壁的稳定性系数呈显著线性负相关;龛上覆土层的含水量是促使崩壁发生崩坍的最重要因子,坡度对崩壁稳定性影响较大,而龛相对高度及崩壁高度均对崩壁的稳定性影响极小。[结论]崩壁崩坍的可能性在很大程度上受控于龛的凹陷深度和龛上覆红黏土体的含水状态,在崩岗侵蚀综合治理时需加以考虑。     

南方崩岗发育特征及其监测技术探讨

 崩岗是南方红壤区特有的一种严重侵蚀类型,可认为是发育在花岗岩浅丘岗地上的沟蚀地貌形态。崩岗崩壁高差和倾角都较大,这给监测工作造成了很大的困难,导致崩岗实测数据的匮乏。通过阐明各种土壤侵蚀监测技术的优缺点,结合崩岗地貌特征,分析可用于崩岗的监测技术。认为：径流小区与人工模拟降雨实验技术只能用于面蚀和细沟侵蚀研究;示踪技术可用于面蚀和沟蚀的研究,但不能满足崩岗的实验要求;侵蚀针等传统技术方法不能准确测量崩岗的侵蚀速率;由于崩壁高差太大,用差分CPS监测崩岗存在一定误差;三维激光扫描系统能够克服上述困难,能较为准确地扫描出崩岗的形态特征数据;航片解译可得到崩岗的空问分布数据,但需配合地面监测数据,才能较为准确地调查区域或流域的崩岗数据。另外,用侵蚀针等传统技术方法以及差分GPS对崩岗进行监测时,要注意监测人员的人身安全。     

南方红壤区崩岗侵蚀及其防治研究进展

崩岗侵蚀威胁区域生态安全,是当前土壤侵蚀研究领域所关注的热点和难点。文章首先简要回顾了崩岗侵蚀的研究历程,介绍了崩岗的组成要素。随后重点从崩岗侵蚀类型、崩岗空间分布特征、崩岗发育阶段及形态特征、崩岗侵蚀驱动因素、崩岗侵蚀防治措施等方面总结了崩岗侵蚀及防治的研究现状与进展,探讨了当前崩岗研究的薄弱之处。并在此基础上,提出了崩岗水力重力侵蚀的耦合机理、崩岗发育与区域地貌发育的关系、崩岗产生及发育指标的建立、崩岗防治机理及其评价标准的建立等有待深入研究的问题。     

黄土坡面细沟发育过程及侵蚀产沙特征研究

研究细沟发育及其产沙特征对细沟侵蚀预报模型至关重要.采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,在不同坡度(10°,15°,20°,25°)和不同雨强(1.5,2.0 mm/min)条件下,研究了细沟的发育过程,并讨论分析各发育阶段产沙特征及其影响因素.结果表明,根据坡面含沙量与细沟形态的变化特征,细沟侵蚀过程可划分为面蚀、细沟雏形、细沟发育、细沟调整4个阶段;各阶段的侵蚀量占坡面总侵蚀量的比例均不同,其中细沟发育阶段最大,约占总侵蚀量的40％;各阶段持续时间随着坡度的改变而改变;雨强增大对细沟间与细沟流速有促进作用,细沟流速为细沟间流速的0.75～1.77倍;坡面侵蚀速率受雨强与坡度的影响很大,在同一坡面上细沟流速与侵蚀速率的关系更紧密,但二者的定量关系有待进一步探索.     

南方山区花岗岩风化壳崩岗侵蚀及其防治对策——以广东省五华县新一村为例

崩岗侵蚀是我国南方山区最重要的水土流失形式,崩岗侵蚀的治理是水土流失治理的关键。本文以广东省韩江上游五华县新一村为例,论述了我国南方山区花岗岩风化壳崩岗侵蚀的特点,分析了花岗岩风化壳崩岗侵蚀特别发育与花岗岩风化壳——土壤性质的关系。并探讨了采用生物措施和工程措施相结合的方法治理花岗岩崩岗侵蚀的效果。     

暴雨条件下黄土高原长陡坡耕地细沟侵蚀特征

细沟侵蚀是黄土高原坡耕地侵蚀的重要形式,已有的坡耕地细沟研究成果主要集中于裸土细沟侵蚀特征及其发生机制的小区或水槽试验,极端暴雨条件下细沟侵蚀观测很少,对于田间细沟侵蚀的预报仍然缺少实用的方法。该研究旨在基于实地测量数据,分析极端暴雨条件下黄土高原长陡坡耕地细沟侵蚀特征。2017年无定河流域"7.26"暴雨后,在暴雨中心附近选择15个样地进行细沟侵蚀测量,结合Google影像和无人机航拍影像,调查分析不同类型坡耕地细沟侵蚀特征。研究结果表明:1)暴雨条件下坡耕地是坡面细沟侵蚀的主要地类。长陡坡裸露坡耕地侵蚀模数为22 478 t/km~2,坡长20 m时,约为种植作物的平作坡耕地的1.5倍,且坡长越长,差异越大。等高垄作能够有效减少细沟侵蚀。撂荒坡耕地细沟侵蚀模数仅为裸露坡耕地的12%,草地未发现细沟侵蚀。2)幂函数可以很好地拟合细沟侵蚀模数与坡长的关系,裸露坡耕地坡长指数为0.831。暴雨强度越大,坡长指数也越大。3)上坡来水在坡耕地上造成了严重的细沟侵蚀,与地块上承接的降水相比,上坡来水对细沟侵蚀的影响更大。坡面浅沟汇水明显减小细沟侵蚀强度,浅沟发育程度越高,细沟侵蚀强度就越小。该研究可为估算黄土高原丘陵区不同类型坡耕地的细沟侵蚀提供重要参考。     

黑土区治理后侵蚀沟道融雪侵蚀观测研究

融雪侵蚀是季节性积雪区水土流失的重要组成部分,融雪作用对侵蚀沟发育的影响对侵蚀沟防治有重要意义。通过野外实地监测和测量,对东北黑土区治理后侵蚀沟融雪侵蚀过程及沟坡细沟形态特征进行分析,探讨水土保持措施对融雪侵蚀的防控效果。结果表明:除侵蚀沟G2未产流外,侵蚀沟G1和G3在融雪中期径流率和泥沙含量明显高于融雪末期和融雪初期。融雪径流率和泥沙含量的日动态变化过程均呈先增加后下降的趋势。融雪期3条侵蚀沟沟坡细沟平均宽度变幅为6.7~9.4cm,平均深度变幅为3.3~4.3cm。阳坡出现细沟的条数,细沟密度,细沟割裂度,平均细沟复杂度和细沟侵蚀平均深度明显高于阴坡,说明阳坡的破碎程度及细沟侵蚀程度大于阴坡。细沟主要以宽浅槽型为主,宽深比为1.91~2.18。水土保持措施在融雪期间作用明显,侵蚀沟G2水土保持措施的拦水拦沙效果达到100%,侵蚀沟G1和G3大部分融雪侵蚀的泥沙也在沟道内沉积。     

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.     

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。     

Characteristics and factors controlling the development of ephemeral gullies in cultivated catchments of black soil region, Northeast China

Ephemeral gully erosion is an important process in the black soil region, Northeast China and can be responsible for severe damage to agricultural lands. However, little research on gully formation in this area has been published. The study described in this paper attempted to quantify soil losses, the spatial distribution and morphology of the gullies, and the factors that control their development. Ephemeral gullies were measured in spring and summer of 2005 in two small catchments. The critical periods for ephemeral gully formation were late spring and summer in the study area. Mean soil losses due to ephemeral gully erosion were 0.40 and 0.43 kg m⁻² year⁻¹ for only croplands despite low slope gradients, and this loss is above the tolerable erosion rates of 0.20 kg m⁻² year⁻¹. The erosion rates were greater in spring because the topsoil thawed before deeper layers, reducing infiltration into the soil, and the bare vegetation cover provided no barriers to surface flow. In contrast, summer erosion occurred primarily in response to intense rain events. Development of the gullies was promoted by freeze-thaw cycles in spring and was affected by the type of agricultural operations and crops in summer. A linear regression model for the prediction of ephemeral gully length at the catchment level was established using field data, and although it did not successfully predict the length of individual gullies, it explained 55% of the variation in ephemeral gully length.     

雨强和坡度对黄土陡坡地浅沟形态特征影响的定量研究

浅沟形态特征是建立陡坡地坡面浅沟侵蚀预报模型的基础。为了定量研究黄土陡坡地浅沟形态特征,在长8 m、宽2 m、深0.6 cm的试验土槽上制作了雏形浅沟,设计了2个降雨强度(50、100 mm/h)和3个浅沟发生的典型坡度(15°、20°、25°),利用模拟降雨和径流冲刷(10 L/min)相结合的试验方法定量分析了黄土陡坡地的浅沟形态特征。结果表明:降雨强度和坡度的增加均加快了坡面浅沟侵蚀过程并使浅沟沟槽宽度和深度不断增加,25°和100 mm/h降雨强度下的浅沟沟槽平均宽度和深度比15°和50 mm/h降雨强度下的分别增加1.40和0.61倍。根据测针板法得到的3 cm×10 cm精度的地表高程值数据,在Surfer软件中生成不同试验处理下的地面数字高程模型(DEM,digital elevation model)及水流流路图等,发现坡度的增加使两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长增大,而降雨强度的增加则导致浅沟沟槽两侧坡面细沟汇入浅沟沟槽的坡长缩短,同时,沟道密度、地面割裂度和浅沟复杂度均随着降雨强度和坡度的增加而呈现增大的趋势,三者分别变化于0.74~1.48 m/m2、0.13~0.29和1.64~2.84之间,而不同降雨强度和坡度条件下浅沟沟槽宽深比变化于0.65~1.27之间。基于不同试验处理下的DEM,根据相邻格网关系在水平方向上计算方向导数后发现,方向导数格网等值线图可以有效地反映坡面浅沟和细沟的长度、表面积及侵蚀最严重的浅沟沟底位置。     

降雨和汇流条件下浅沟侵蚀过程试验研究

[目的]探究含沙水流汇入对含有浅沟微地形的裸土和草地坡面的侵蚀产沙过程的影响,为该地区浅沟侵蚀治理提供理论依据,并为坡沟系统的土壤侵蚀模型建立奠定基础。[方法]通过降雨和放水相结合的野外模拟试验和人工建筑的浅沟模型开展研究。[结果]含沙水流汇入裸土浅沟坡面的侵蚀量增加了15%～58%,而对草地浅沟坡面的侵蚀影响不显著,说明草地恢复对于减少由汇流作用的侵蚀具有显著效益。试验条件下裸坡和草地坡面泥沙浓度都在产流开始时达到最大然后逐渐降低,最后达到稳定,然而含沙水流汇入使得泥沙浓度达到稳定所需的时间延长。含沙水流汇入能够显著增加浅沟发育速度,特别是浅沟沟宽和下切深度增加明显,草地恢复可以显著减缓浅沟的下切侵蚀,进而减缓浅沟的发育速度。对于裸土和草地浅沟坡面,含沙水流汇入显著增加了浅沟部位流速,尤其是草地浅沟部位各坡段流速平均增幅达到了55%。[结论]增加含沙水流汇入会显著增加裸坡坡面上的浅沟侵蚀量和浅沟的发育速度,而对草地坡面上浅沟的侵蚀和发育影响不显著。     

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。