多孔介质中弥散参数的“瞬时剖面”求法

近年来,很多学者对溶质在多孔介质中的运移机理做了详细研究.溶质在多孔介质中的运移是由孔隙中的对流以及溶质本身的热动力扩散引起的.水动力弥散是指溶质在多孔介质中的运移由两种作用引起,一是由于平均孔隙流速的宏观作用,二是由于各孔隙通道中流速分布相对于平均孔隙流速的不均匀性和溶质在运动过程中的热动力作用.     

由山林火灾导致植被变化的流域泥沙流失实态

由于山林火灾、风灾、坡面崩塌等致使流域内的植被出现大规模的变化之后,多发生土壤侵蚀.在山林火灾发生地区,以往的研究认为,由于火灾使地表形成了一种防水层、火灾产生的灰使得土壤孔隙阻塞;表层土的团粒结构被破坏等原因,导致土壤渗透力下降,地表径流增大,水土流失加剧.另一方面,关于侵蚀量的时间系列变化,根据实地观测结果,山林火灾之后的侵蚀量大于其植被恢复后的侵蚀量,因土壤燃烧程度不同侵蚀量也存在差别.另一种观点认为,由于火灾使土壤团粒结构强化,侵蚀量减少.关于以往侵蚀方面的研究,大体是在坡面上设置小面积的试验地进行短期间(1 a以内)的观测所得到的结论.到目前为止,还没有在具有一定面积的流域内对侵蚀量的变化进行长期的观测研究的结论.为探明火灾后泥沙流失的机制,掌握长期的泥沙流失量,给将来的预测提供理论依据,对山林火灾后4 a的泥沙流失量进行了调查研究.     

EPIC模型的物理组成

准确估计未来的土地生产力,对小块土地到国家范围的农业决策和规划来说,都是必要的.水土资源保持法要求1985年以前提出一项关于美国水土资源现状的报告.一个重要的问题是,侵蚀对长期的土壤生产力究竟有什么影响.全国土壤侵蚀——土壤生产力研究规划委员会确定的最紧迫最重要的任务之一是研究出一种模拟侵蚀、作物生产以及有关过程的数学模型——一个为美国确定侵蚀和生产力之间关系的模型.美国农业部农业研究局的一个小组从1981年就开始研究这个模型.EPIC(侵蚀——生产力利用计算机)模型由以物理为基础的成分和经济成分组成.为讨论方便,EPIC的物理成分可以分成7个主要部分——水文学、气象、侵蚀、养料、植物生长、土壤温度和耕作.     

在土地保护规划中评价侵蚀对土地的危害

于1988年1月,在曼谷举行了国际土壤资源保护会议.我们回顾了土壤和适宜土地防蚀进程的特性,受侵蚀影响小的土地仍需要保护.因为刚刚开始的侵蚀往往不被人们注意,然而侵蚀发展速度很快,从而引起生产急剧下降和很多管理问题,经常导致当地产品最终成为沉积物,庄稼因为土壤流失而被破坏.我们已认识到了侵蚀的危害性,并且把它作为资源保护规划过程中的一部分.其余的规划步骤是按照使用顺序进行:考虑到土壤的抗蚀性:对土地评价重点应放在土地使用类型上;保护措施应优先考虑在有高度保护基础的最适宜的土地上及最容易发生土壤流失的土地上(近期、将来);现在需要做的是把危害性降低到可以接受的程度;目前在可利用土地类型或在可选择土地类型上进行土壤改良.我们应把重点放在对适宜土地的限制上,这些限制应在同一时期被控制在同一程度上.土地保护应该被看作是任何地区事业发展的一部分.我们分类的处理规划过程,至少能帮助我们得到部分结论.我们对计划步骤可进行定量分析,但是规划通常是从当地或从外面专家所掌握的知识基础上去定性分析.这些步骤导致土地资源保护规划过程最终成为自动化.具体内容主要为:1.雨水侵蚀过程和土地生产率;2.为土地保护规划提供侵蚀危害信息;3.结论这三部分.     

估计土壤流失量的方法

为了定量侵蚀引起的土壤流失程度,建立了一个新的x射线光谱法。按顶土厚度,或者粘粒含量最大层顶,或者粘化层顶估计的方法对加速侵蚀引起的土壤流失量的估计偏低.被测的每一土壤有一特殊的质量吸收系数(μM)线,并可按土壤深度绘制成曲线。当土壤被侵蚀时,质量吸收系数线就发生变化。最大μM值反映了高原子质量元素包括铁(Fe)和盐基等风化产物的聚积.对所有被测的单个土体,最大μM亚层的下界与粘化层下界相一致。最大μM值位于最大粘粒含量和离子交换量(CEC)层以下1或2亚层。当粘粒含量最大层的一部分由于耕作混入顶土时,最大粘粒含量层的深度的改变导致对侵蚀量估计偏低。与轻度侵蚀的单个土体(对照)比较,粘化层和最大μM亚层下界的变化是侵蚀单个土体土壤流失量的最好指标。由于它们在土壤剖面中分布深,因而这些参数比粘粒含量最大层稳定,不易被加速侵蚀移去。这种方法经具有粘化层的土壤试验,适用于具有粘化层的淋溶土、老成土和软土地区土壤侵蚀研究。     

BP神经网络在降雨侵蚀力预测预报中的应用研究

降雨侵蚀力反映由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力,是建立通用土壤流失方程USLE的最基本因子之一。由于降雨侵蚀力计算过程中所需资料较难收集,给其计算增加了难度。运用BP神经网络方法对降雨侵蚀力与地理之间的关系进行研究,建立降雨侵蚀力BP神经网络模型。对福建省46个地域的降雨侵蚀力进行研究,结果表明:所建立的降雨侵蚀力BP神经网络模型对模拟预测福建不同地域的降雨侵蚀力,平均模拟精度为96.81%,平均预测精度为95.68%,达到了较为理想的效果。这不仅为降雨侵蚀力的预测预报提供了科学依据,而且也为BP神经网络在水土保持研究中的应用开辟了新的思路。     

集中流作用下黄土坡面剥蚀率对侵蚀动力学参数的响应

集中流引起的细沟侵蚀是黄土高原坡耕地主要侵蚀方式之一,对坡面集中水流动力学特性研究有利于掌握坡面集中流剥蚀产沙的根本原因,但目前哪种集中流水动力学参数最能准确揭示侵蚀动力过程机理尚不明确。该文采用室内集中流放水冲刷试验,以黄土高原典型黄绵土为研究对象,研究坡面平均和瞬时剥蚀率与相应水流剪切力、水流功率、单位水流功率以及过水断面单位能量之间的关系。结果表明,除了瞬时过水断面单位能量拟合效果较差外,其他平均和瞬时水力学参数均能够较好地与坡面剥蚀率建立不同的拟合关系。所有参数中平均水流功率是描述本试验条件下的最优水力学参数。由于细沟发育过程中大量坍塌的出现,导致整个径流剪切力和水流功率与剥蚀率之间的关系曲线整体上升,出现了临界剪切力和临界水流功率为负值的情况。通过与仅考虑水流对坡面直接作用参数所得结果对比,表明坍塌等作用在细沟发育过程中具有重要影响,对剥蚀率的贡献可达90.93%。研究可为控制和预防集中流侵蚀发生提供科学依据。     

福建省降雨侵蚀力R值预测预报方法研究

降雨侵蚀力反映由降雨引起的土壤侵蚀的潜在能力,是建立通用土壤流失方程USLE的最基本因子之一。由于降雨侵蚀力计算过程中所需资料较难收集,给其计算增加了难度。利用福建省46个代表性气象站资料,建立了利用经度、纬度、海拔高度以及月降雨量估算降雨侵蚀力的简易算法模型,结果表明该模型预测预报效果较好,能够用于估算平均降雨侵蚀力。     

土壤侵蚀过程中坡面流水力学特性及侵蚀动力研究评述

土壤侵蚀动力过程是水流和土壤两者相互作用的复杂物理过程,而含沙水流是土壤侵蚀的主要动力,深入理解坡面流水力学特征及侵蚀动力是研究土壤侵蚀动力学规律的基础.本文从坡面流水力学特性及侵蚀动力,包括:流速、水深、流态、阻力规律以及坡面流的切应力、冲刷动力、运动能量等多方面对国内外关于土壤侵蚀动力过程研究进行了系统深入的评述,并探讨了研究中存在的问题,重点指出:坡面流作为三维、非恒定非均匀沿程变量流,流动形态千变万化,坡面状况较为复杂,其均匀流理论远不能真实反应自然界复杂地表状况下的水流水力学特性及其变化规律.开展复杂地表的水流运动过程、水力学参数变化规律及坡面侵蚀水动力过程研究是今后土壤侵蚀水动力学研究的重要方向,这对于深入了解土壤侵蚀水动力过程的内在机制、构建物理侵蚀模型具有重要的研究意义.     

土壤水蚀模型中的融雪侵蚀模拟研究

在季节性或常年积雪地区,春季积雪融化产生的径流及其造成的侵蚀占全年总侵蚀量的比例很大,同时反复进行的冻融过程会影响土壤的物理性质,如团聚体稳定性、水分传导率、抗剪切力、可蚀性等,进而加重土壤侵蚀。因此在这些地区进行融雪侵蚀预报十分必要,它主要包括融雪径流的产生,及其形成的土壤侵蚀量,冻融过程导致土壤性状的变化,以及由此造成的对土壤可蚀性的影响。本研究总结了国内外融雪侵蚀的研究现状,并分析了几个代表性土壤水蚀预报模型中的融雪侵蚀过程,提出我国部分地区土壤侵蚀模型中考虑融雪侵蚀的必要性。     

土壤冻融交替生态效应研究进展

土壤冻融作用是高纬度和高海拔地带性土壤热量动态的一种表现形式.国际上关于冻融的研究多集中在北方高纬度地带,特别是苔原、泰加林和北极生态系统,越来越集中在全球变化对冻融生态系统土壤过程的效应方面.已有研究表明冻融作用会引起土壤团聚结构破坏并导致冻融侵蚀、土壤溶液中养分浓度升高而导致土壤养分流失、土壤解冻后还可能导致土壤呼吸和N素矿化以及一些痕量气体短时间释放增加等,这些研究表明了冻融过程对土壤物理、化学、生物等各方面的效应.我国有大面积北方季节性地带冻土和青藏高原高海拔冻土,而在土壤冻融作用及生态效应方面的工作较少,值得关注和深入研究.     

耕作侵蚀及其对土壤肥力和作物产量的影响研究进展

在坡耕地景观内,由于农耕工具和重力作用而引起的耕作位移使土壤发生向下坡运动或向上坡运动(依赖于耕作方向),导致净余土壤量向下坡传输、堆积,重新分配,从而形成耕作侵蚀。试验研究表明耕作侵蚀是坡耕地的主要侵蚀形式之一,耕作侵蚀发生最严重的区域是坡度较大、坡体短的坡耕地。该文就耕作侵蚀的概念、发生机理、典型的耕作侵蚀模型的发展,以及耕作侵蚀对土壤肥力和作物产量影响的研究现状作了简要论述,特别总结了针对中国的地貌和耕作工具特征而进行的耕作侵蚀的研究成果。指出在一定的景观范围内,耕作侵蚀是十分严重的,甚至其严重程度已经超过了水蚀。但是相对于水蚀而言,耕作侵蚀研究还很少,因此加强耕作侵蚀的研究是十分必要的。只有这样才能正确评价农耕地侵蚀状况,准确制定土壤保持措施和采用减少耕作侵蚀力的耕作工具,从而有效地控制土壤侵蚀。     

耕作侵蚀研究项目进展

土壤侵蚀是全球性的严重环境问题，而农耕地则是全球土壤侵蚀最严重的地区。农地上存在的水力等侵蚀早已被研究者认识到，并且已进行了大量的研究，但农地上存在的另一种侵蚀，也是从根本上导致农地土壤退化及产生严重水土流失的侵蚀，却在以往的土壤侵蚀研究中被大大地忽视，这就是耕作侵蚀。 　　耕作侵蚀是土壤物质在耕作机具的作用下发生分散、搬运、沉积的过程。在耕作侵蚀过程中，土壤物质主要在农地内发生再分布，在坡地上，这种再分布则主要表现为坡面土壤的从上向下运动。 　　耕作侵蚀作为一种新近认识到的重要侵蚀过程，已引起国际上的广泛关注。耕作侵蚀研究也已在各大洲迅速开展起来。1997年起，欧共体将耕作侵蚀列为大型研究项目，组织了7个国家的科学家协作攻关，研究范围包括到全部欧共体国家；1997年7月在加拿大多伦多（Toronto）举行了第1次耕作侵蚀国际会议；1999年4月在比利时鲁汶（Leuven）举行了第2次耕作侵蚀国际会议；2001年8月将在英国埃克塞特（Exeter）再次举行关于耕作侵蚀影响的重要国际会议。 　　我国是一个幅员辽阔，农业人口众多，耕种历史悠久的农业大国，坡耕地面积大，尤其与西方发达国家相比，坡耕地普遍较短，较陡，较崎岖，且各地的耕作机具与耕作方式差异较大，因此，耕作侵蚀是在我国广泛存在、形式多样的一种重要类型的土壤侵蚀。为了认识我国坡耕地的耕作侵蚀规律，进而发展科学的坡耕地保护性耕作技术，我们从1999年开始，在我国黄土高原开展了耕作侵蚀研究。 　　我们在主持的国家自然科学基金项目“黄土地区耕作侵蚀评价”（1999—2001）、中国科学院水土保持研究所知识创新工程项目课题“耕作侵蚀过程与模拟”（1999—）及陕西省人事厅留学回国人员科技活动择优资助项目“农地耕作侵蚀研究”（2000—2002）的资助下，通过前两年的研究，已获得了黄土地区耕作侵蚀过程中的土壤再分布规律、黄土地区耕作侵蚀模型，黄土地区耕作侵蚀强度及其空间分布特征，以及黄土地区耕作侵蚀在总土壤侵蚀中的重要性及其空间变化规律。目前，我们正在对该地区耕作侵蚀其它方面的内容进行研究，各个项目进展顺利。 (王占礼，中国科学院 水利部 水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100)     

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     

渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀试验研究

[目的]研究渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀过程及机理,为渭北旱塬垃圾堆积降雨侵蚀防治提供科学依据。[方法]基于人工模拟降雨试验,设计了2个降雨强度(1.2和2.0mm/min)以及2个垃圾堆积类型(即垃圾堆积成斜坡,无侵蚀发生地表上的垃圾堆),进行2个垃圾堆积类型和裸露的撂荒坡降雨侵蚀过程的对比研究。[结果]当降雨强度I=1.2mm/min,垃圾堆积成斜坡的侵蚀产沙总量为117.94kg,撂荒坡的侵蚀产沙量为10.86kg,垃圾堆积成斜坡比撂荒坡的侵蚀产沙总量为107.08kg;当降雨强度I=2.0mm/min,垃圾堆积成斜坡比撂荒坡的侵蚀产沙总量多出225.72kg,而倾倒在无侵蚀发生地表上的垃圾堆积侵蚀产沙量相对较少;对垃圾堆积坡面径流的侵蚀能量(E)及侵蚀能量消耗(E启动泥沙、E搬运泥沙)、含沙水流作用于底床上的拖曳力(F)分析得出,垃圾堆积与下垫面形成了缝隙或软弱面,从而导致坡面径流,降低了启动松散垃圾堆积泥沙颗粒所消耗的能量,坡面径流的侵蚀能量(E)主要消耗在搬运输移垃圾堆积颗粒。[结论]含有垃圾颗粒物质水流将维持较高流速,含有垃圾颗粒物质水流因其产生较强的拖曳力加剧了细沟侵蚀。     

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。     

流域侵蚀产沙的尺度变异规律研究

 侵蚀产沙的尺度变异规律,是当今土壤侵蚀研究的前沿,它涉及的研究范围广泛,小到土壤颗粒,大到全球气候变化与碳循环过程。特别是不同尺度流域之间侵蚀产沙和输移,究竟有什么样的内在联系,小流域所获得的研究成果是否能推广应用到大中流域,已成为迫切需要解决的重要科学问题。有关流域侵蚀产沙与输移过程随流域尺度复杂变化的研究,国际上刚刚开始,国内有关流域尺度研究主要涉及于水文学领域的一些尺度研究,关于流域侵蚀产沙与输移过程随流域尺度复杂变化的研究不多。作者对国外当前土壤侵蚀模型的最新进展进行了综述,并对侵蚀产沙的尺度变异规律进行了分析。由于具有GIS强大的空间数据管理和分析能力,它将在流域侵蚀产沙尺度变异这一侵蚀产沙的问题研究中发挥重要作用。     

耕作侵蚀研究述评

耕作位移和耕作侵蚀主要是在重力作用下,由耕作工具触发的土壤侵蚀;是造成坡耕地土壤重新分布和坡耕地土壤侵蚀的重要过程之一;对坡面地形演化、土壤性质改变、土壤养分流失与重新分布、土地生产力降低、土壤碳储存变化等都有重要影响.在以往研究的基础上,总结耕作侵蚀的基本过程和机制、研究方法、影响因素和侵蚀速率的研究进展,讨论目前研究中的不足与未来可能的研究方向.不同于风蚀和水蚀,耕作侵蚀发生的动力条件是人为影响,而非自然发生的降水或风力;因而,其侵蚀过程和机制、研究方法、影响因素、侵蚀速率分布等均不同于风蚀和水蚀.耕作侵蚀主要受人为和自然因素的影响,人为因素驱动耕作侵蚀发生,坡面是耕作侵蚀的地形基础.人为因素主要有耕作工具特性、耕作方向、速度和深度等;自然因素主要包括坡面的形状和尺寸、地形、坡度和土壤性质等.强烈的耕作侵蚀主要发生在坡面上部和坡面曲率剧烈变化的部位.耕作侵蚀研究主要通过基于示踪技术的实测方法,结合模型预测开展.由于耕作侵蚀、风蚀和水蚀的研究方法各成体系,通用方法较少,因而,多营力侵蚀研究难度巨大.以137 Cs为代表的核素在研究水蚀、风蚀和耕作侵蚀中均表现出独特的优势,为区分多营力侵蚀中各种侵蚀的速率和贡献提供了新的可能.     

不同空间尺度下的土壤侵蚀元胞自动机建模评述

土壤侵蚀系统是一个典型的非线性动力系统,系统内部的侵蚀发育演化过程十分复杂,为了对该过程进行精确的模拟和预测,需要发展有效的技术和方法.元胞自动机( cellular automata,CA)是一种具有时空特征的离散动力学模型,采用“自下而上”的构模方式,对于模拟和分析具有空间特征的土壤侵蚀系统具有先天优势.由于空间尺度变化所引起的土壤侵蚀因子对侵蚀产沙过程的影响不同,CA模型在坡面尺度下主要针对细沟侵蚀和土壤颗粒的变化,在小流域尺度下涉及到更多的元胞状态和更加完整的侵蚀过程,在大区域尺度下重点研究气候和地貌之间的相互作用.不同空间尺度建立的CA模型没有确定的转换规则,模型通用性较低,今后需要在三维可视化、智能化等方面深入研究CA模型在土壤侵蚀领域的应用.     

基于CT扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究——以种植百喜草为例

[目的]分析百喜草土柱孔隙结构与土壤抗侵蚀能力之间的联系,为水土保持植物措施的优化布设以及效益评估提供科学依据。[方法]依托植物土柱长期微区试验,通过CT扫描技术研究种植百喜草的土柱孔隙指标(孔隙长度密度、体积密度、表面积密度和孔隙数密度),开展边坡水槽冲刷试验。设置3个坡度(10°,20°和30°)和5个流量(0.8,1.6,2.4,3.2,4.0 L/s)组合量化土壤抗侵蚀能力,分析孔隙指标与抗侵蚀能力因子之间的关系。[结果]百喜草土柱孔隙发育程度随生长时间不断增强,而随土层深度减弱;4个孔隙结构指标在0—5 cm土层的数值远大于5—10 cm土层,且表层0—5 cm的平均土壤细沟可蚀性(0.026 s/m)和临界水流剪切力(7.0 Pa)分别是下层5—10 cm的0.33,1.54倍。[结论]植物根系发育的孔隙指标能够表征土壤抗侵蚀能力变化,CT扫描获取的4个孔隙结构指标与细沟可蚀性等因子显著相关,其中孔隙表面积密度与土壤抗侵蚀能力指标关系最为密切。