细沟形态演变对坡面水沙过程的影响

为探明细沟形态演变对坡面产流产沙的互反馈作用,采用室内模拟降雨和三维地形扫描等手段对细沟形态演变中的水沙变化过程进行了研究。试验分析了黄土在不同雨强（66 mm/h、94 mm/h和127 mm/h）条件下,不同细沟发育阶段的水沙过程变化规律。结果表明,黄土细沟形态演变过程对产沙的影响较大,而对产流的影响较弱。径流量的变化过程主要取决于土体透水性、土壤的结皮作用以及产流方式,坡面产流量有先增大后减小最后趋于平稳的趋势;产沙量的变化过程与细沟发育进程有明显的对应关系,尤其是坡面地貌信息熵与产沙量和侵蚀速率的相关系数分别达到0.954和0.916,细沟的出现会加剧侵蚀,使含沙量明显增加;不同雨强下坡面产沙的变化规律基本相同,细沟沟网稳定后的产沙量与降雨强度呈正相关关系。     

黄土丘陵区土壤侵蚀链垂直带水沙流空间分布

采用多坡段组合模型、人工模拟降雨实验研究了土壤侵蚀链垂直带水沙流空间分布变化特征。结果表明:愈向下坡方向的坡段产流量愈大,单位面积、单位时间的产流量按坡段排列为:谷坡>梁峁坡下部>梁峁坡中部>梁峁坡上部。雨强为29.7mm/h时,坡面上没有沟蚀发育;雨强为60.5mm/h时,细沟主要分布在梁峁坡下部和谷坡处;雨强为90 2mm/h时,各种侵蚀形态在坡面均有较好发育,细沟的出现部位一直伸展到梁峁坡中部和上部之间。由于上坡来水来沙的作用,梁峁坡的产沙量增大了20.2%～63.5%,谷坡的产沙量增大了42.9%～74.5%。     

利用REE示踪法研究坡面侵蚀过程

次降雨条件下坡面侵蚀形态的演变过程和细沟的发生发展过程是土壤侵蚀规律研究中的重点和难点。利用REE示踪法,采取沿坡面垂直分层布设的新的试验方法,通过室内模拟降雨试验,对坡面侵蚀演变过程进行了探索性研究。结果表明:降雨初期坡面侵蚀以面蚀为主,细沟出现后,坡面侵蚀加剧;随着降雨时间的延续,累积面蚀量和细沟侵蚀量逐渐增加,但后者的增加速率大于前者,面蚀占总侵蚀量的比率随降雨时间呈曲线形式逐渐递减,细沟侵蚀则逐渐增加;试验结束时细沟侵蚀量为面蚀量的2～4倍。本研究为定量区分和研究坡面侵蚀过程中面蚀和细沟侵蚀量,面蚀向细沟侵蚀的转变以及细沟侵蚀发生、发育提供了新的思路和解决途径。     

黄土坡面侵蚀产沙时空演变的REE示踪技术研究

室内交叉布设不同的稀土氧化物,通过人工模拟次降雨,在同一试验条件下,对坡面侵蚀沿顺坡方向和深度方向的演变过程同时展开研究。结果表明:REE示踪技术对定量研究土壤侵蚀具有较高的精度;降雨前期,片蚀与细沟侵蚀发育程度基本相当;后期细沟侵蚀占据坡面侵蚀的主导地位,其侵蚀平均加速度和平均侵蚀率分别是片蚀的15倍、9倍;试验结束,细沟侵蚀占据坡面总侵蚀的90%;本试验条件下,坡面下1/3区域为侵蚀活跃带。     

坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征研究

利用变坡度坡沟系统概化模型和人工模拟降雨试验,定量分析了在60、90和130mm/h降雨强度下坡沟系统坡面径流流态及水力学参数特征。结果表明,上方汇水和降雨强度的增大使坡沟系统水流雷诺数和弗劳德数呈明显增大,水流流态由缓流演变为急流,坡面水流阻力系数明显减小,从而使坡沟侵蚀产沙量显著增大。     

基于人工降雨试验的淮北地区产流产沙差异性研究

针对淮北地区水土流失问题,利用野外人工模拟降雨试验,分析了不同雨强(40mm/h、60mm/h和80mm/h)和坡度(5°、10°和15°)条件下砂姜黑土和黄潮土产流产沙差异。结果表明:砂姜黑土初始产流时间长,产流总量小。坡面出现细沟时,砂姜黑土初始含沙量随时间变化有减小趋势,最终趋于稳定,而黄潮土含沙量呈波动变化;60mm/h、80mm/h雨强10°坡砂姜黑土产沙总量大于黄潮土,其他情况黄潮土产沙总量大于砂姜黑土,黄潮土土壤侵蚀严重。砂姜黑土表面细沟发育密度大,主要在坡面中下部,为相互连通的树枝状结构,而黄潮土表面细沟发育密度小,形成沟壑。两种土壤产流总量、产沙总量与坡度、雨强分别呈多元线性函数、多元幂函数关系,雨强对坡面产流产沙总量的影响大于坡度。     

人工掏挖坡面侵蚀微地貌演化及其水力学特性分析

人工掏挖是黄土高原地区夏闲地翻耕时广为应用的耕作方式,为探明其坡面侵蚀过程,利用三维激光扫描仪及ArcGIS软件,阐明其在人工模拟间歇降雨下坡面微地貌、侵蚀产沙及水力学参数演变规律。结果表明:①坡面侵蚀历经溅蚀-片蚀、断续细沟、连续细沟3个阶段;降雨截止时细沟平面密度、平均沟深、最大沟长和最大沟深分别增至初始的1.42倍、2.24倍、15.5倍和2.43倍。②地表糙度随降雨历时推移从1.706呈近似线性趋势减小至1.488;累积降雨量达80 mm之前,径流量、含沙量随地表糙度的减小增加缓慢,但之后随地表糙度减小增加剧烈。③降雨过程中流速呈现波动增加趋势,水流由层流快速过渡至紊流,但始终保持为缓流,水流阻力呈波动下降,且形态阻力一直居于主导地位。人工掏挖耕作坡面在雨强1.5 mm/min、降雨量80 mm以内可起到蓄水保土作用,但在连续强降雨下也更易引起细沟侵蚀。     

基于ArcGIS的DEM水系盒维数的计算

水系分形维数的计算与分析,有助于深入理解其与地貌发育、流域径流和侵蚀产沙等过程之间的关系。本文从分形维数的计算原理出发,结合目前最流行的GIS软件,提出了新的水系盒维数计算方法,并以安塞纸坊沟流域为例,说明该方法能较好地反映流域地貌特征。     

坡面不同侵蚀沟断面特征及水力几何形态

通过整理和分析国内外大量野外调查数据,系统研究了裸露坡耕地壤土土质不同侵蚀沟的断面特征和水力几何形态,并给出了相应的判别标准。结果表明:随坡面侵蚀沟逐步发展,宽深比参数ζ逐渐减小,细沟、浅沟、切沟和冲沟适宜的ζ范围分别为5~17、2~5、0.4~1.8和0.1~0.6;同一侵蚀沟条件下,壤土类型对ζ值也有影响。土壤质地越细,ζ值越小。不同侵蚀沟水力几何形态指数也不相同,细沟的形态指数β₁、β₂和β₃分别为0.3、0.4和0.3,浅沟和切沟为0.4、0.4和0.2,冲沟为0.5、0.4和0.1。验证结果表明给出的判别标准可以用来界定不同侵蚀沟类型。     

流域地貌形态特征多重分形算法研究

为研究流域地貌形态特征的量化指标,提出基于高程分布概率的多重分形计算模型,结合大理河岔巴沟流域和大堡岔流域DEM数据进行多重分形计算,对流域地貌形态特征多重分形谱的表征意义进行了探讨。结果表明:流域地貌形态特征多重分形谱可以更加敏感、更加全面地对流域地貌形态的总体特征进行描述;多重分形谱的顶点对应简单分形的容量维,多重分形谱的宽度可以定量表征流域表面的起伏程度,多重分形谱的端点维数的差别可以间接地反映流域峰谷数目的比例;流域地貌形态特征多重分形谱能够分层次地刻画流域内部的精细结构,从而更加突出地表现异常局部地貌变化特征;流域地貌形态特征多重分形谱的无标度区间的合理范围,应该确定为DEM像元尺度到流域最大高程值的1.5倍左右最为合适。     

四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的临界条件

探明强降雨下泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件对预防泥沙灾害及减少水土流失将起到至关重要的作用。选取典型的四川紫色土试验区鹤鸣观小流域为研究对象,采用数据分类统计对比分析方法,对试验站近10年降雨径流输沙资料进行分析,研究强降雨情况下次降雨量、降雨强度和降雨历时等对泥沙输移突增的影响,找出导致泥沙输移突增的关键特征因子及其临界条件。研究结果表明:四川紫色土区强降雨情况下泥沙输移突增的关键特征因子为次降雨量、降雨强度以及最大径流模数;同时各关键因子的临界值分别为降雨强度5.3 mm/h,次降雨量130 mm,以耕作方式为主的坡地最大径流模数临界值为6 000 dm3/（km2·s）,以种植林草为主的坡地最大径流模数临界值为3 000 dm3/（km2·s）。     

微生物诱导矿化加固粉土坡面的径流与侵蚀特性

微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）是一种微生物矿化过程,能够胶结松散土体。将其应用于加固土体坡面提高抗降雨侵蚀能力具有潜在的发展前景。通过模拟降雨冲刷试验,对微生物诱导矿化加固前后粉土坡面的径流水动力与侵蚀特性开展研究,分析和讨论了水动力参数之间的相关性以及对土壤剥蚀率的影响规律。结果显示,加固后与加固前相比,粉土坡面径流的弗劳德数平均下降50%;在降雨前期的阻力系数平均下降66%,径流稳定后二者阻力系数接近;径流剪切力平均提高52%。径流系数与坡面入渗速率呈线性负相关（R²=0.857）,与加固层的贯入强度呈指数负相关（R²=0.824）;入渗速率与加固层的贯入强度呈二次负相关R²=0.930）;径流剪切力与坡度呈指数正相关（R²=0.964）。加固粉土坡面的剥蚀率与加固层的贯入强度呈指数负相关（R²=0.822）,与径流剪切力线性正相关（R2=0.912）,临界径流剪切力为0.5 Pa。对于坡度10~25°的粉土坡面,微生物加固能将其剥蚀率从58.2~118.4 g/m2s降至2.4~21.2 g/m2s,剥蚀率最大降幅可达95.0%。粉土坡面经微生物诱导矿化加固后,水动力参数值发生显著变化,径流特性与水动力参数、加固层特性及坡度相关,坡面的抗冲刷侵蚀性能得到有效提升。     

海河流域不同下垫面土壤水分动态模拟研究

针对海河流域不同的下垫面类型,选取密云(果园林地)、大兴(城郊农田)、馆陶(平原农田)3个观测站,建立垂直方向上以含水率θ为因变量、含根系吸水项的非饱和土壤水分运动数值计算模型。该模型以一维Richards方程为基础(以下简称RE模型),采用实测的降水和蒸散数据作为模型的上边界条件,运用全隐式有限差分法,分别对不同生长期内的土壤水分进行数值模拟,得到时间序列的土壤水分廓线,并分别采用成熟软件HYDRUS-1D的模拟结果和各观测站实测土壤水分对RE模型进行交叉验证和直接验证。结果表明RE模型能够很好地模拟海河流域不同下垫面土壤水分动态变化过程,3个站模拟结果与实测土壤水分数据的均方根误差(RMSE)分别为0.03127,0.0359和0.0409 cm3/cm3。与HYDRUS-1D软件模拟结果(其与观测值的RMSE分别为0.03759,0.0647和0.0467 cm3/cm3)相比,RE模型模拟的土壤水分具有更高的精度,也显示出RE模型的可靠性。探讨3个站土壤水分的时空变异规律及其影响因子并以大兴站为例,通过优化RE模型参数,探讨犁底层对土壤水分模拟结果的影响,进一步改善RE模型的模拟精度。     

A warning system for rainfall-induced shallow failures

It is widely recognised that soil slips and debris flows are triggered by short intense storms. Owing its geologic, geomorphologic and climatic settings, the Piedmont Region (NW Italy) is highly prone to the occurrence of this kind of landslides. In the last two centuries, in fact, a total of 105 severe meteoric events which triggered shallow failures occurred and, of these, 18 events took place from 1990 to 2002. A fair number of rainfall thresholds have been proposed in the literature, defined both on empirical or on physical bases. Empirical thresholds are defined collecting rainfall data for landslide meteoric events and for events without landslides, while physical thresholds are based on numerical models that consider the relation between rainfall, pore pressure and slope stability. The main objective of this paper is the identification of the empirical triggering thresholds for the Piedmont Region. Four meteoric events were selected and analysed (November 4–5, 1994; July 7–8, 1996; April 27–30, 2000; October 13–16, 2000) because they supply a wide range of variation for both rainfall parameters (duration, intensity, cumulative rainfalls) and the number of induced landslides. In the intensity–duration plot, the critical limit is described by the equation: I=19D^−0.50 (where I=rainfall intensity expressed in mm/h and D=rainfall duration expressed in hours). Such a limit is traced to envelop 90% of the points on the graph. In the NI–D diagram the triggering thresholds are given by the equations NI=0.76D^−0.33 and NI=4.62D^−0.79 (where NI=normalised intensity with respect to the annual precipitation, MAP, expressed in %, [(mm/h)/PMA]×100). In the article the different meaning of these thresholds is discussed. Finally, the diagram NI–NCR is proposed; the triggering threshold is given by the expression: NI=−0.09ln[NCR]+0.54 (where NCR is the normalised cumulative critical rainfall, [mm/PMA]×100). The application of the triggering thresholds as a fundamental element in a warning system dedicated to the safeguarding of population in landslide-prone areas is discussed. In detail an operating procedure which is presently being verified and tested in the studied area is described.     

紫色土水分特征曲线室内测定方法的对比

为探寻全吸力范围内土壤水分特征曲线的可靠测定方法,采用沙箱排水法、Hyprop仪蒸发法、压力膜仪排水法和露点水势仪蒸发法分吸力段测定盐亭紫色土耕地表层2~7 cm和亚表层7~12 cm土壤的水分特征曲线,对比测定结果的方法间差异,并分析其原因。结果表明:对于表层和亚表层土壤,低吸力段(h >-100 cm)水分特征曲线的沙箱法和Hyprop仪法的均方根误差E_RMS (θ)均较小,在0.026~0.082 cm3/cm3范围内,确定系数R2均大于0.962,说明这两种方法测定结果之间差异不大。高吸力段(h <-330 cm)的压力膜仪法与露点仪法测定结果之间的差异较大,E_RMS (θ)为0.062~0.097 cm3/cm3,R2较低,为0.775~0.952。因此,全吸力范围内水分特征曲线测定方法的选择与组合应考虑土壤孔径分布特征和研究目的。