红壤坡面细沟横断面形态及水动力学特性研究

细沟是坡面侵蚀泥沙和养分流失的重要方式及输移通道,研究红壤坡面细沟形态和水流动力学特性对深入认识红壤坡面侵蚀规律和防治水土流失具有重要现实意义。以第四纪粘土发育红壤为研究对象,通过人工模拟降雨和放水冲刷相结合的室内试验,初步探讨了红壤坡面细沟横断面形态特征及其水动力学特性变化规律。结果表明：细沟横断面主要呈“V形”和“U形”,少数横断面侧壁呈向左或向右凹陷形态。细沟横断面宽深比在0.93～3.52,形态指数在0.30～0.60,且对同一细沟而言上坡位宽深比基本大于下坡位,而形态指数随坡长无明显变化。不同坡位的细沟流平均流速表现为：下坡>中坡>上坡,雷诺数和弗洛德数随坡长变化规律与流速基本一致。此外,细沟流平均流速和雷诺数仅与单宽流量呈极显著正相关（p<0.01）,而细沟流从上坡至下坡的流速和雷诺数增幅则分别与雨强和横断面宽深比呈极显著正相关（p<0.01）。结果为进一步研究红壤坡面细沟侵蚀奠定一定的理论基础。     

紫色土坡面跌坑贯穿发生细沟的水动力过程

跌坑是坡面土壤特性和薄层水流动力的耦合作用形成,而跌坑对坡面漫流的集中导致了水流流速、流深和切应力的变化,进一步塑造了侵蚀坡面形态导致跌坑贯穿发生细沟;目前关于跌坑与水动力耦合作用的研究相对较少。采用人工模拟降雨试验方法,分析了跌坑对径流特征的影响,定义了径流集中度〖WTBX〗Kc〖WTBZ〗,回归调查了径流集中后切应力与跌坑贯穿下切速率的关系。结果表明：紫色土曼宁糙度系数随雨强增大而减小,漫流区坡面曼宁糙度系数变化介于0014～0026,沟道曼宁糙度系数变化介于0008～0015;薄层水流流速和流深顺坡增大,在跌坑处集中后流速剧增,雨强越大流速越大、流深越小;径流切应力顺坡增大,跌坑集中薄层水流而切应力剧增导致跌坑贯穿;试验紫色土可蚀性参数〖WTBX〗Ke〖WTBZ〗为0144 s/m,跌坑贯穿的临界切应力为248 Pa。     

模拟降雨径流作用下红壤坡面侵蚀水动力学机制

土壤侵蚀过程受控于侵蚀外营力和土壤抗侵蚀性能,深入理解坡面流水动力学特性及其侵蚀动力是研究土壤侵蚀动力学机制的基础。利用可变坡土槽,通过不同雨强(60、90和120 mm/h)和径流冲刷(10、15和20 L/min)组合模拟试验,研究了第四纪黏土红壤坡面水流的水动力学特征参数及其与土壤侵蚀量间的关系。结果显示:降雨和径流冲刷影响了坡面产流产沙过程和坡面流水力学特性,其中平均流速v、平均水深h、雷诺数Re和水流功率ω均随降雨强度和上方来水流量的增加而增大,相对水深曼宁糙率n/h则减小,其水力学他参数(弗如德数Fr、阻力系数f和水流剪切力τ)变化规律不明显。坡面水流平均速度取值范围为0.21~0.45 m/s,平均水深取值范围为5.6~9.4 mm,在试验条件下红壤坡面侵蚀水流流态大部分均处于"紊流-急流区"。不论从径流角度看或是从泥沙角度分析,由相对水深和曼宁糙率系数两种水动力因子共同组成的复合水动力特征参数-相对水深曼宁糙率,是表征不同上方来水流量和降雨强度条件下第四纪粘土红壤坡面侵蚀特征的水动力参数。     

三峡库区王家桥小流域土壤侵蚀因子初步研究

通过对王家桥小流域土壤，降雨，植被和地形等因子的分析，探讨了土壤抗侵蚀性能，分析了坡面侵蚀与各影响因子间的关系，建立了基于降雨基础上的全流域输沙幂函数回归方程。结果表明，本地区土壤因具有较强的渗透性，抗冲，抗蚀和抗剪切破坏的能力，而使其保持较小的可侵蚀性；坡面侵蚀中的主要影响因素是雨强和径流量（或降雨量）的大小；流域内土壤侵蚀的形式主要表现为暴雨作用下的重力侵蚀，在影响土壤侵蚀的诸多因子中降雨是关键性的，它的强度和年分布对年侵蚀模数的大小具有决定性作用。同时，通过分析各种雨强（平均雨强，最大雨强，最大15分钟雨强，最大30分钟雨强，最大60分钟雨强）对土壤侵蚀量的影响，结果表明，虽然最大60分钟雨强具有最优相关性，但在多元回归方程中，采用最大30分钟雨强回归效果最佳。     

坡面冲刷过程中红壤分离速率定量研究

土壤分离是土壤坡面侵蚀产沙的必要途径和重要过程,准确预测土壤分离过程对完善土壤侵蚀物理模型具有重要意义。利用钢制变坡冲刷水槽,在不同坡度（8.8%～46.6%）和流量（0.2～1.0 L/s）组合下,研究了第四纪粘土发育红壤分离速率与流量、坡度以及水流剪切力、水流功率、单位水流功率3种水动力参数的关系。研究结果表明红壤分离速率是流量、坡度的幂函数,且坡度和单宽流量的多元回归方程能准确预测土壤分离速率（R²=0.966）;水流剪切力、水流功率和单位水流功率3个水动力参数指标与土壤分离率均呈线性关系,相关系数R²分别为0.950、0.965和0.849,水流功率是描述土壤分离速率最为确切的水动力参数;描述红壤分离速率的相关水蚀因子方程类型和前人研究结果相同,但表征土壤可蚀性的系数值相差较大。〖     

坡度和坡位对植烟坡地紫色土有机碳氮变化的影响

为研究坡度、坡位等地形因素对土壤碳氮变化的影响,以川西南植烟紫色土为对象,探究了坡度、坡位及其交互作用下不同层次(0～20、20～ 40 cm)土壤有机碳、全氮含量及碳氮比的变化特征.结果 表明:(1)土壤有机碳、全氮含量总体偏低,变异系数均为0～20 cm＞20～40 cm,而碳氮比的变异系数则表现为20～40 cm＞0～20 cm;(2)随坡度增加,土壤有机碳、全氮含量及碳氮比逐渐降低,其中有机碳和全氮在0°～5°与5°～20°间差异显著;相比于0°～5°,其他坡度土壤有机碳降幅为10.07％～ 28.69％,全氮降幅为3.72％～23.74％;(3)随坡位下降,土壤有机碳和全氮含量增加,以全氮增幅较大,相对于上坡位,中、下坡位土壤有机碳增幅为6.48％～15.98％,全氮增幅为13.43％～ 30.34％.碳氮比随坡位下降而降低,但差异不显著;(4)坡度主要影响有机碳含量变化,坡位则对全氮及碳氮比变化影响明显,坡度坡位交互效应尤其显著.总体来看,随坡度增大,土壤有机碳显著下降,坡位越高,土壤全氮下降越显著,土壤碳氮比上升越显著,尤以20～ 40 cm土层中上、中坡位碳氮变化协调性差,碳氮比随坡位增高显著上升.     

基于InVEST模型的太行山淇河流域土壤侵蚀特征研究

基于土地利用数据、数字高程模型数据(DEM)、土壤类型数据、降雨数据、植被覆盖指数(NDVI),结合地理信息系统(GIS)和遥感,计算降雨侵蚀力因子(R)、土壤可蚀性因子(K)、植被覆盖因子(C)、水土保护措施因子(P),借助InVEST模型对淇河流域2015年山地生态系统的土壤侵蚀进行研究。结果表明:(1)淇河流域微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀面积分别为932. 80、617. 13、282. 46、159. 58、141. 64和93. 84 km~2;土壤侵蚀总量为7 225 839. 54 t,平均土壤侵蚀模数为32. 45 t/(hm~2·a);(2)在各土地利用类型中,土壤侵蚀主要发生在林地、草地和耕地。草地和林地多分布在地形起伏度较大的高海拔区,潜在的土壤侵蚀量较大,土壤侵蚀强度也较大。虽然未利用地占流域总面积很小,但侵蚀模数最大;(3)淇河流域土壤侵蚀与坡度、海拔和地形起伏度等地形因子具有密切关系,土壤侵蚀模数随着海拔的升高先增大后降低,海拔在1 200 m处达到峰值,土壤侵蚀模数随着坡度和地形起伏度的增加而不断增大。坡度和起伏度越大,坡面土壤的不稳定性愈大,在外力作用下发生下移的可能性就愈大。海拔600～1 200 m、坡度大于15°、地形起伏度70～500 m的区域土壤侵蚀状况严重,是土壤侵蚀防治的重点区。土壤侵蚀是山地生态脆弱性响应的重要指标,山地流域的土壤侵蚀研究对评估区域生态环境质量有重要意义。     

基于GIS和RUSLE模型的万州区土壤保持服务功能空间分布特征

土壤保持服务是重要的生态系统服务之一,代表生态系统对土壤侵蚀所起到的削减和改善作用。以万州为研究区,基于GIS平台和修正通用土壤流失方程(RUSLE),运用降雨、DEM等数据建模,探讨万州区土壤保持服务功能的空间分布特征并分析其影响因素。结果显示:(1)万州区土壤保持总量为1 435.84×10~5t/a,单位面积年均土壤保持量为417.91 t/(hm~2·a),具有较高的土壤保持服务功能重要性;(2)土壤保持服务空间分布受地形和人类活动等的显著影响,东南部山地区域较高,而铁峰山与方斗山之间的长江河谷较低,其空间分布特征与土壤侵蚀的分布状况大致相反;(3)坡度角度,15°~25°坡度区产沙量最大占全区的41.56%,8°~15°区域次之,这两个坡度区人地矛盾最为集中;土地利用类型中,旱地侵蚀最为强烈,而林地侵蚀微弱并表现出很高的土壤保持服务功能。研究结果对万州乃至整个三峡库区的水土保持工作有借鉴意义。     

几种典型红壤模拟降雨条件下的泥沙特征研究

泥沙是土壤侵蚀过程的产物,直接反映了土壤的侵蚀特征。本文利用人工模拟降雨,研究了南方几种典型母质发育红壤侵蚀泥沙的颗粒分布特征、不同粒级中胶结物质的种类和含量。研究结果表明,径流优先选择携带0.002~0.02 mm颗粒,该级别颗粒占泥沙总量的26.68%~60.33%。粘粒含量高的第四纪粘土红壤,泥沙中粗颗粒含量较高,且多为较稳定的团聚体;沙粒和粉粒含量较高的页岩红壤和花岗岩红壤侵蚀泥沙中单粒含量较高,且泥沙分散后粉粒和粘粒的含量高于原土壤。花岗岩红壤侵蚀泥沙中Fe_d,Al_d,Al_o和Si_o含量随泥沙粒径的增大而降低,而泥质页岩红壤和第四纪粘土红壤中,Fe_d,Al_d,Al_o含量随粒径增大而增加,因此其粗粒径泥沙具有较强的稳定性。侵蚀泥沙对有机质有富集作用,泥质页岩红壤和第四纪粘土红壤的粗颗粒对有机质的富集作用强于细颗粒。     

137Cs示踪红壤丘陵区坡地土壤侵蚀的研究--以江西丰城市为例

通过137Cs示踪技术,并采用相关的土壤侵蚀定量模型,对红壤丘陵区江西丰城市坡面不同土地利用类型、方式以及不同地貌部位的土壤侵蚀进行了研究。结果表明：研究区137Cs的本底值为1 992.45±145.63 Bq/m2;试验区典型坡地不同地貌部位均存在着一定程度的土壤侵蚀,且侵蚀强度总的变化趋势为坡底部>坡中部>坡顶部;不同土地利用类型和方式下的坡面侵蚀强度亦呈现一定的分异现象,从大到小依次为耕作土坡面>退耕30年+退耕1年混合坡面>退耕30年坡面>荒坡。     

黄壤坡面土壤分离速率研究

黄壤坡面侵蚀是长江中上游泥沙的主要原因之一,因此对该地区的土壤分离过程的量化研究对土壤侵蚀机理研究的深入和水土流失防治具有一定的理论和实践意义。通过变坡水槽冲刷实验,研究了黄壤坡面土壤分离速率与坡度、流量及主要水动力参数间的关系,探寻模拟土壤分离过程的最优参数。试验结果表明：土壤分离速率与流量、坡度和多个水动力学参数都呈正相关关系。坡度和流量的幂指数均＞1,表明二者在实验测定范围内对土壤分离速率有叠加增大作用。水流功率（R2=0.93）与土壤分离速率拟合方程的决定系数最高,表明用水流功率来描述土壤分离速率能获得更多有效信息。当单位水流功率＞0.281 m/s后,土壤分离速率随其增大而剧烈增加。但是径流剪切力（与土壤分离速率的决定系数为R2=0.83）值的计算只需获得坡度和水深等数据,水流功率值的计算不仅要采集坡度和水深等数据,还要获得流速等获取难度相对较大的数据。因此,采用径流剪切力来描述土壤分离较水流功率更为方便,而采用水流功率来估算土壤分离速率更为精确。     

紫色土坡地泥沙养分与泥沙流失的耦合特征

通过人工降雨模拟试验,研究紫色土坡地泥沙全氮、全磷与泥沙三者流失的耦合特征及其受降雨和地形的影响。结果表明,泥沙全氮流失量随坡度及雨强的增加而减小,而全磷的流失量受雨强及坡度的影响均较小;相关性分析表明泥沙流失量愈大,全氮流失量愈小,而全磷愈大。全氮与泥沙流失随降雨时间而呈峰值特征,而全磷随时间变化较小。泥沙养分流失量的累积过程与泥沙累积过程一致,随泥沙累积量的增加而增加,且全氮流失累积量明显低于全磷流失累积量;坡地泥沙流失养分的富集比具差异性,即泥沙流失量愈大,氮富集比越低,磷富集比越高。分析坡地泥沙流失养分的富集比,可知全磷与泥沙的耦合稳定性较全氮高,更易呈现影响下游水质的滞后效应。     

基于土壤侵蚀模型的滑波临界雨量估算探讨

针对滑坡临界雨量确定目前存在的问题,提出一种基于土壤侵蚀模型的滑坡临界雨量估算的新方法。该方法基本思路是：降雨引起土壤侵蚀,当土壤侵蚀达到一定强度时可诱发滑坡,因此利用土壤侵蚀模型可以推算滑坡临界雨量。以湖北省秭归县为例进行试验,从降雨-土壤侵蚀-滑坡的成灾机理入手,利用卫星资料、地理信息资料及降雨资料,计算降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形（坡长、坡度）、植被覆盖和土地利用类型等因子,基于USLE土壤侵蚀模型,计算滑坡发生时土壤侵蚀强度,通过分析多个滑坡个例,确定滑坡临界土壤侵蚀强度,再根据降雨侵蚀力与降雨量之间的关系,推算不同预警点滑坡临界雨量。相比以往仅仅分析灾情与降雨之间关系的传统方法,该方法有较为清晰的物理意义,实际业务中也易于实现,在滑坡预警预报中有较高实用价值     

降雨过程中红壤团聚体粒径变化对溅蚀的影响

为揭示团聚体粒径动态变化对溅蚀的影响,通过室内人工模拟降雨试验,以第四纪粘土、泥质页岩发育红壤为研究对象,研究了酒精预湿润后的2~5 mm团聚体在降雨过程中粒径动态变化及溅蚀率的变化。试验结果表明：在60 mm/h雨强下,团聚体受雨滴机械打击破碎主要发生在降雨的最初阶段,团聚体＞0.25 mm百分含量（P＞0.25）及平均重量直径（M）均随降雨时间（T）增加呈幂函数减小,溅蚀率（Dr）随降雨时间（T）增加呈幂函数增加,而溅蚀率（Dr）随团聚体平均重量直径（M）减小呈幂函数增大。为揭示不同土样在降雨溅蚀过程中溅蚀率的变化规律,利用团聚体稳定性特征参数-机械破碎指数（R）及降雨时间（T）,建立了不同团聚体稳定性土样溅蚀率随降雨时间变化的经验方程,且方程可决系数较高（R2=0.82）,揭示出团聚体稳定性越好,其破碎过程越缓慢,溅蚀率越小。研究结果为红壤区土壤侵蚀的防治及侵蚀机理研究提供了新思路     

平原圩区城镇雨洪淹没模拟与调控策略——以昆山市淀山湖镇为例

模拟与评价雨洪淹没特征是科学评估暴雨洪涝灾害风险与优化雨洪调控措施的基础。以长三角典型平原圩区城镇淀山湖镇的8个圩区为例,基于地形、气象、雨水管网等数据,通过构建多重现期的降雨情景,采用一维SWMM模型模拟了雨水管网的溢流特征,耦合二维CADDIES模型识别了管网溢流在地表形成的雨洪淹没区域,定量评估了雨洪淹没特征的主要影响因素,并阐明提升泵站排涝能力与增加水面面积2种雨洪调控情景的优化效果。结果表明：(1)溢流点数量受圩区地表属性和降雨特征的共同影响,淹没面积与降雨特征显著相关,降雨重现期大于0.63 a且逐渐增大时,淹没面积亦随之显著增加;(2)在强降雨情景下,淀山湖镇雨水管网负荷较高且不能有效应对超过50 a的强降雨事件;(3)提升泵站排水能力能有效减少淹没面积,但未能减少溢流河道以及雨水管网溢流点数量;(4)增加水面面积能显著提升圩区雨洪调控能力,当新兴圩、永胜圩和红旗圩水面率分别达到6.03%、10.87%和8.83%时,可有效抵御100 a降雨事件所导致的河道溢流状况。研究结果可为长三角地区平原圩区的雨洪灾害风险评估与雨洪调控措施优化提供决策参考。     

基于SCS-CN与MUSLE模型的三峡库区小流域侵蚀产沙模拟

传统土壤侵蚀模型模拟次降雨产沙时难以确定泥沙输移系数,分布式的侵蚀产沙模型对数据量需求量大。选择三峡库区宋家沟小流域为研究对象,基于2013年的降雨、植被盖度、地形、土壤等数据,利用SCS-CN和MUSLE模型耦合模拟流域的场降雨的产沙量。结果表明:该模型的模拟值的精确度在可接受范围内,整个流域2013年的泥沙流失量是3 923t,全年中5场较大的降雨贡献了泥沙流失量的80%以上;不同土地利用类型的泥沙输出量差异很大,耕地(面积44.63%)贡献了81.54%的泥沙,有林地(面积47.61%)贡献了17.63%的泥沙;坡度在0~8度的区域贡献的产沙量仅为1.75%,大于25度的区域占流域面积的比例是39.21%,产沙量占55.77%;泥沙模拟值相比实测值偏大,其原因可能是流域中分布的池塘改变了径流过程,发挥拦截泥沙功能。     

三峡库区典型常绿阔叶林冠层降雨截留模拟研究

为了验证修正的Gash模型对三峡库区内缙云山典型常绿阔叶林冠层截留模拟的适用性,基于2012年4~7月的气象和林分特征资料以及实测的穿透雨和树干茎流等资料,分析缙云山常绿阔叶林林外降雨、穿透雨和树干茎流特征,并应用修正的Gash模型对林冠截留量进行模拟,对比分析周降雨累计截留量和单次降雨截留量的模拟值和实测值,采用敏感性分析法分析模型参数对截留量的影响程度。结果表明:研究期间共34次降雨,总降雨量为522.1mm,平均降雨强度为1.3mm/h,大部分为低雨强、低雨量级、长历时的降雨;穿透雨量、茎流量和林冠截留量的实测值分别为450.9、9.6和61.6mm,模拟值分别为446.1、7.7和68.2mm,模拟的截留量约高出实测值10.8%,模型能够较好适用于缙云山常绿阔叶林场降雨截留总量的模拟。此外,对模型参数进行敏感性分析得出,以林冠郁闭度c对模拟结果影响最大,其次为平均降雨强度R、林冠持水能力S和林冠平均蒸发速率E,而以树干茎流系数pt和树干持水能力St这2个参数对林冠截留总量影响很小。     

青藏高原东缘的隆升及其水系的响应

本文基于ASTER GDEM数据,采用简单数学函数拟合龙门山地区15条河流的河流纵剖面形态,并结合基岩水力侵蚀模型来分析龙门山不同段落的地形形态特征。初步获得以下几点认识:(1)通过对龙门山地区河流纵剖面的分析,龙门山整体上具有较强的隆升速率,导致这一地区强烈的河流侵蚀作用;(2)龙门山中段和南段的河流双对数图以上凸型为主,说明该区域未达到均衡状态,处于前均衡期;(3)龙门山北段的河流双对数图呈直线形态,说明该区域达到均衡状态,处于均衡期;(4)龙门山中段和南段具有更强的构造活动性、更高的隆升速率,控制了该地区地貌、水系演化过程,并且导致这一地区容易发生地质灾害。     

三峡库区农田面源污染典型区域制图及其研究现状评价

利用GIS空间叠加分析方法,通过遴选影响库区农田面源污染关键因子,获得了3大类8小类库区农田面源污染典型区,从空间分布格局的角度对这些典型区做了深入的比较分析,并提出土壤类型是导致不同典型区分布差异的主导因素。在此基础上,对国内外已在库区内开展农田面源污染研究工作的相关研究区进行了典型性分布现状评价,研究认为：(1)目前针对“紫色土-旱地-林地-水田”农田面源污染典型区的研究区设置较完善,在整个库区中的分布格局也较合理,有利于相关研究成果在该区推广应用;(2)对“黄壤-旱地-林地”典型区研究较少,无法满足整个库区尺度下的应用需求,需加强对库区中部和库尾相关区域的研究区配置;(3)由于对“石灰(岩)土-林地”典型区的研究缺失,亟需开展该区内农田面源污染研究工作。研究获得的不同类型典型区分布图可为相关研究区的选择提供必要的决策依据。此外,研究虽只是针对农田面源污染开展了典型区制图分析,但研究方法具有一定的推广性,在必要数据支持下,可应用于三峡库区或其他区域农业面源污染典型区制图研究     

基于GIS与信息量模型的溪洛渡库区滑坡危险性评价

通过高分辨率影像对溪洛渡库区段金沙江两岸5 km范围内滑坡灾害遥感解译,结合野外实地调查验证,已查明共有滑坡161处。从滑坡形成机理入手,选取高程、相对高差、坡度、坡向、岩性、地震、降雨等7个评价指标,首先分析滑坡与各因素的空间分布关系,然后采用层次分析法和信息量模型对研究区进行滑坡危险性评价。研究结果表明:(1)研究区滑坡易发生在高程600～1 300 m、高差100～700 m、坡度15°～40°的区域,降雨量越大,滑坡发生的概率越大,且坡向对滑坡发生也有影响,其中东、东南、西、西北方向的滑坡相对较多;(2)极高和高危险区占研究区总面积的27.86%,却包含研究区76.4%的滑坡数量,说明这些区域滑坡分布十分密集,危险程度较高,与实际情况相吻合;(3)极高危险区和高危险区主要集中在溪洛渡坝址沿江两岸附近区域、距离坝址约25～35 km的金沙江右岸区域和库尾金沙江左岸20 km范围区域,库区中段大部分区域都是中、低和极低危险区;(4)滑坡灾害点空间分布与危险评价等级之间相关性达0.970 3,利用ROC曲线对评价结果进行验证,评价结果理想,精度高达81.88%,可为库区防灾减灾工作提供理论支撑。