基于势能信息熵的黄土小流域沟谷网络演化特征研究

沟谷网络是黄土高原流域地貌的重要侵蚀产沙区和最主要的产沙运移通道,深入了解沟谷网络的形成过程和演化特征,对黄土高原小流域的水土保持综合治理、生态恢复和流域地貌演化过程研究具有重要意义.然而,流域内部沟谷网络的发育演化过程与整个流域地貌演化过程的相互作用机制尚未得到有效揭示.该文基于室内人工降雨试验条件下获取的9期人工模拟黄土小流域DEM数据,提出一种表征流域地貌系统内部沟谷网络演化有序程度的方法,并利用小流域地貌系统的势能信息熵及其熵变规律对沟谷网络演化过程及其变化特征进行研究.结果表明:在该实验条件下,以侵蚀为主的均质黄土小流域在地貌发育的幼年期,势能信息熵呈不断减小态势,沟谷网络有序性不断增强,在幼年期末达到最高;进入壮年期后,势能信息熵呈缓慢增加态势,沟谷网络有序性受到一定程度破坏,演化特征与该系统势能信息熵的熵变特征及流域地貌侵蚀发育阶段高度一致,流域地貌的势能信息熵和沟谷网络有序演化特征能有效指示流域地貌的侵蚀发育阶段.     

基于势能信息熵的黄土小流域地貌演化特征

黄土高原流域地貌系统的地貌演化特征十分复杂,尚有诸多科学问题有待进一步深入研究。以往研究大多集中在流域地貌演化的侵蚀和发育特征等某一方面,缺乏从流域地貌系统及其势能信息熵的视角深入剖析野外多岩土层黄土小流域地貌演化特征的研究。为此,基于系统论的观点和方法,构建多岩土层黄土小流域地貌系统及其势能信息熵的数学模型,并以辛店沟小流域为例,对其地貌演化特征进行研究。结果表明：（1）构建的野外多岩土层黄土小流域地貌系统的概念模型及其势能信息熵的数学模型能够有效对辛店沟小流域进行数值模拟。（2）以黄土侵蚀作用为主的辛店沟小流域从2000—2019年的地貌演化过程是其势能信息熵的熵减过程和黄土地貌不断侵蚀的过程。（3）辛店沟小流域的势能信息熵能较好地反映该小流域的地貌演化阶段和地貌侵蚀过程。     

川中丘陵沟谷负地貌的初步研究

川中丘陵是丘陵错综起伏、沟谷纵横交错的地区。作者以这个地区的五个沟道小流域为基础,探讨了沟谷地貌的几个问题。运用数理统计的方法,揭示了川中丘陵区沟谷系的分布方向具有系统性特征;受外营力和共它随机因素影响,在分布方向上又具有随机性特征。在沟道数目、沟道比降,主沟长度和流域面积与级别之间又有着良好的几何级数关系,在结构分析的基基上,本文提出沟道上凹度、平均落差此,以及河源面积率可以作为确定沟谷系统演化阶段的定量指标。利用野外调查和形态测量资料,将川中丘陵区的沟谷划分为浅沟、切沟、冲沟、冲谷和溪谷五类,从形态数量特征揭示了沟谷发育过程的连续性和阶段性特征,并建立了沟谷演变过程的数学模型。四川盆地成为外流盆地以来,地壳运动和气候波动在该区引起了数次侵蚀旋回,产生了七期沟谷系统。沟谷和丘体的形态之间存在着高度相关,达种相关性既是沟谷、丘体地貌长期演化的结果,又是地貌形态和动力过程相互平衡的结果。运用聚类分析,认为相对高度20米、60米和100米作为划分丘陵类型的数量指标比较适宜。此外,对川中丘陵区侵蚀,搬运的基本特征以及影响流域侵蚀的诸因素作了讨论,确定了引起流域加速侵蚀的主导因素。最后,利用几个小流域的泥沙资料,建立了侵蚀模型。     

基于DEM的黄土塬坡地形特征量化分析研究

系统梳理并界定了塬坡的概念,基于5 m分辨率DEM及0.6 m分辨率快鸟影像,以塬坡为主体,构建地形统计特征、空间展布特征和侵蚀发育特征指标体系,深入分析黄土塬区的地形特征,量化塬区小流域及其内部各级子流域的侵蚀发育程度。结果显示：(1)塬坡在7个流域中面积占比约10%～35%,地形统计特征表明侵蚀程度和粗糙度等自塬面到沟谷逐渐加剧;(2)空间展布特征说明塬坡是沟坡系统中最为复杂的地形单元,塬面对塬坡的邻接性较沟谷对塬坡的邻接性弱;(3)侵蚀指标是塬区小流域侵蚀发育的重要指征,其揭示了流域内部的侵蚀分异规律：侵蚀程度随子流域级别增大而加剧,侵蚀程度越严重的流域,其内部子流域的侵蚀程度也越严重。各侵蚀指标的相关性随子流域级别增加而增强,在0.01置信水平下,侵蚀指标间的最低相关性由0.33提高至0.80。     

流域特征曲线与泥石流活动

小流域是最活跃的地貌单元,泥石流是小流域演化中最剧烈的过程,是沟谷物质输移的最极端形式。以积分形式重新定义沟谷的比降,则比降曲线的变化直观反映了流域物质通过沟谷的改变。而流域的变化可以通过Strahler的流域的面积-高程曲线来表示。比降曲线与面积-高程曲线的自然联系,将泥石流活动问题与流域演化问题自然联系起来。以云南东川蒋家沟源地小流域面积-高程曲线为基础,具体讨论了流域可能发生泥石流的曲线形态和演化趋势。这样,有可能通过流域的形态特征来认识泥石流的长期演化。     

在降雨侵蚀中黄土地面坡度变化的高分辨研究

运用近景数字摄影测量方法,获得在不同人工降雨时段黄土模拟小流域高精度、高分辨率的DEM数据,并以地面坡度及其组合形态的变化为切入点,通过对比分析和理论验证,探讨黄土小流域降雨侵蚀过程中地面坡度变化特征,在更宏观空间尺度和高分辨的时间尺度上,揭示黄土地貌形成与发育特征。研究结果表明：1）在较好地维持黄土的土壤结构与抗蚀特征,较真实地模拟自然降雨的条件下,模拟流域地面的变化能很好地反映自然地面的发育进程。2）在降雨侵蚀过程中,黄土小流域地面坡度呈现持续性变化规律,平均坡度在地貌发育幼年期呈加速增长趋势,到了壮年期增长幅度呈递减性变化;坡度组合以侵蚀临界角度为轴点呈持续逆转变化,侵蚀临界坡度单元所占面积基本保持稳定。3）黄土地面坡度的变化,一方面受地表物质被侵蚀和迁移程度的影响,另一方面,也是沟间地、沟坡地和沟底地空间面积重新分配的结果。     

模拟流域地貌发育过程的空间数据获取与分析

运用数字摄影测量与GIS技术对人工模拟降雨条件下小流域模型地貌发育过程进行了动态监测研究,获得了小流域模型不同发育阶段地貌形态高精度、高分辨率的DEM数据、等高线、纵横剖面等数据,计算出了流域模型各种地貌形态参数,并利用GIS技术进行流域发育过程的空间形态进行了可视化和空间分析.研究表明,数字摄影测量与GIS技术可准确快速获取流域地貌形态的相关参数及小流域土壤侵蚀的空间定量分布,对于黄土高原小流域降雨侵蚀产沙过程与地貌形态特征定量作用关系研究及小流域土壤侵蚀预报模型建立具有重要科学意义.     

黄土高原多沙粗沙区侵蚀模型探讨

国内外曾研究出不同类型的坡面侵蚀计算模型,但还没有一个成熟的流域侵蚀计算模型,至今流域侵蚀量仍以输沙量替代。本文充分利用黄河中游不同区域具有大量淤地坝的条件,再通过侵蚀影响因素机理的分析、在侵蚀形态类型区的划分等基础上探讨侵蚀变权模型的建设。首先选择了155个“闷葫芦”淤地坝,采集每个坝的年均淤积量,以及相应流域的侵蚀影响因素：植被盖度、降雨量、沟谷密度、切割深度、地表组成物质、>15°的坡耕地面积比等资料,采用变权形式,建立侵蚀强度宏观估算模型。最后用年降水量与年输沙量的关系对模型进行改进。     

黄土高原切沟地貌学研究述评

由于黄土切沟在流域侵蚀产沙和地貌发育方面的重要性,越来越多的研究逐渐将切沟从混合着各类沟谷的沟谷系统中分离出来,以明确对其特征、发育演化与环境的耦合作用。针对目前黄土切沟定义内涵不统一、表达相混淆的问题,该文首先在分析已有概念的基础上,明确了黄土切沟所具有的共性特征,并基于此,介绍了目前关于切沟的自动化识别、切沟的形态特征分析以及切沟的发育演化模拟等地貌学方面的研究进展。认为目前关于黄土切沟的系统研究仍处于起步阶段,今后的研究重点将在切沟的自动识别、三维形态监测与信息提取以及基于系统动力学的切沟地貌演化模型的构建等方面。     

全球视野下崩岗侵蚀地貌及其研究进展

典型的崩岗具有“圆形露天剧场”般的沟头,发育在深厚的红色花岗岩风化壳上,通常包括集水坡面、崩壁、崩积体、沟道、洪积扇5个地貌组成部分;崩壁自上而下可分为表土层、风化红粘土层(红土层)、风化砂质红粘土层(砂土层)、风化粗碎屑层(碎屑层)。中国的崩岗与马达加斯加的lavaka属于同类地貌,两者具有地貌学上的可比性。崩岗群是劣地的表现形式之一,但与欧洲的badland有不同的侵蚀过程,也不同于意大利和巴西的两种沟谷侵蚀地貌calanchi和vocoroca。崩岗主要发育在华南和东南热带和亚热带湿润季风气候区中等偏缓的丘陵坡地上,由沟谷侵蚀发展而成,是沟谷侵蚀的高级阶段。崩岗沟道侵蚀产沙量占崩岗沟谷流域侵蚀产沙量的一半以上,其中沟道沟壁崩塌侵蚀产沙量与沟床下切侵蚀产沙量又各占崩岗沟道侵蚀产沙量的一半左右。野外人工模拟降雨试验是研究崩岗流域侵蚀、产流和产沙过程的有效手段。崩岗流域侵蚀产沙量可以通过崩岗沟谷和洪积扇地形测量加以估算。     

东北低山丘陵典型区侵蚀沟分布特征及其地形影响研究

东北低山丘陵区是重要的粮食主产区和商品粮基地,高强度的农业垦殖造成了严重的水土流失,侵蚀沟危害日益加剧。选择东辽河上游106.5 km²的区域为研究区,基于分辨率2 m的遥感影像,在GIS人工预判读侵蚀沟的基础上,野外实地验证并测量了研究区内长度≥50 m、且深度≥0.5 m的侵蚀沟的几何参数与经纬度;基于DEM获取了侵蚀沟所在坡面的坡度、坡向和高程等空间信息;分析了研究区侵蚀沟的基本特征与时空演化趋势,探讨了坡度和坡向对侵蚀沟发育的影响。结果表明：① 目前研究区已形成侵蚀沟322条,分布密度为3.0条/km²,沟壑密度为0.8 km/km²,割裂度为1.4%,侵蚀沟发展速度快,沟蚀强度已达强烈程度,应引起足够重视。② 侵蚀沟主要分布在6°~9°的坡耕地上,坡度对沟蚀的影响明显,坡耕地高强度垦殖是沟蚀加剧的主要驱动力;③ 阳坡（S、E）上侵蚀沟分布相对较多,而阴坡（N）上侵蚀沟分布最少,坡向对沟蚀也有一定影响。研究成果为认识东北低山丘陵区侵蚀沟发生与演化提供了科学数据。     

Impact of hillslope-derived sediment supply on drainage basin development in small watersheds at the northern border of the central Alps of Switzerland

This paper explores the effects of hillslope mobility on the evolution of a 10-km² drainage basin located at the northern border of the Swiss Alps. It uses geomorphologic maps and the results of numerical models that are based on the shear stress formulation for fluvial erosion and linear diffusion for hillslope processes. The geomorphic data suggest the presence of landscapes with specific cross-sectional geometries reflecting variations in the relationships between processes in channels and on hillslopes. In the headwaters, the landscape displays parabolic cross-sectional geometries indicating that mass delivered to channels by hillslope processes is efficiently removed. In the trunk stream portion, the landscape is (i) V-shaped if the downslope flux of mass is balanced by erosion in channels (i.e. if mass delivered to channels by hillslope processes is efficiently removed) and (ii) U-shaped if in-channel accumulation of hillslope-derived material occurs. This latter situation indicates a non-balanced mass flux between processes in channels and on hillslopes.Information about the spatial pattern of the postglacial depth of erosion allows comparative estimates to be made about the erosional efficiency for the various landscapes that were mapped in the study area. The data suggest that the erosional potential and sediment discharge are reduced for the situation of a non-balanced mass flux between processes in channels and on hillslopes. These findings are also supported by the numerical model. Indeed, the model results show that high hillslope mobility tends to reduce the hillslope relief and to inhibit dissection and formation of channels. In contrast, stable hillslopes tend to promote fluvial incision, and the hillslope relief increases. The model results also show that very low erosional resistance of bedrock promotes backward erosion and steepening of channel profiles in headwaters. Beyond that, the model reveals that sediment discharge generally increases with decreasing erosional resistance of bedrock, but that this increase decays exponentially with increasing magnitudes of fluvial and hillslope mobilities. Very high hillslope diffusivities even tend to reduce the erosional potential of the whole watershed. It appears that besides rates of base-level lowering, factors limiting sediment discharge might be the nonlinear relationships between processes in channels and on hillslopes.     

地貌过程研究回顾与展望

地貌学是现代地理科学的一个重要分支学科。本文对中国科学院地理科学与资源研究所建所以来在地貌研究领域的主要研究成果进行了综述,包括河流地貌、黄土高原与坡地地貌、青藏高原及南极地貌与第四纪、喀斯特与旅游地貌、地貌实验与模拟、地貌制图共六个方面,对地理资源所地貌研究团队目前的研究方向进行了介绍,并就提高地理资源所地貌研究在学科发展和服务国家建设中的作用提出了建议。     

元谋干热河谷强侵蚀区陷穴发育特征与演化过程

元谋干热河谷潜蚀地貌发育,是造成当地水土流失的重要原因之一。而陷穴属于潜蚀地貌的一种,因此有必要了解陷穴特征及演化过程。2009―2013年,通过多次现场测定陷穴形态特征、陷穴发育地地形地貌、周边植被特征等,并对土壤进行取样分析。结果表明：1）元谋陷穴主要发育于元谋组地层,土壤具有易崩解性、湿陷性等特征;2）陷穴主要分布于冲沟中上游沟底及支冲沟沟头部位;3）元谋陷穴形态规模总体不大,早期多呈近圆形,中晚期多为椭圆形,直至消失后成为沟中之沟;4）陷穴一般呈单个和串珠状分布,较少出现集群现象;5）演化过程遵循一般事物的发展规律,分为萌芽期、年轻期、成熟期、消亡期４个阶段;6）陷穴发育过程与冲沟、土桥、淘洞等地貌密切相关。     

泥河湾保护区地貌特征与地质灾害

根据泥河湾保护区实地调查,黄土台地、黄土沟梁和河谷地貌是发育在“泥河湾层”及其覆地层上的主要地貌类型,其形态特征和形态测量反映了该区流水地貌的现代演化特征。伴随流水地质作用与地貌演化发生的水土流失、泥石流、崩塌和地面塌陷等地质灾害危及保护区的地层剖面。笔者认为该区域地质灾害是多种致灾因素造成的,其中的主导因素是气候、植被和人为因素,通过控制植被因素可以改变目前的地质环境状况。     

克拜东部黑土区侵蚀沟遥感分类与空间格局分析

近百年来,东北黑土区侵蚀沟的大量发育带来了一系列严重的社会经济问题,弄清侵蚀沟的类型、数量及分布情况是进行水土流失治理和生态环境建设的前提条件。以黑龙江省克拜东部黑土区作为典型研究区,采用2005年SPOT-5高分辨率卫星影象,结合野外调查,根据侵蚀沟的活跃程度,将黑土区的侵蚀沟分为活跃性、半活跃性和稳定性三种类型,阐述了不同类型侵蚀沟的影象特征和遥感分类方法,为利用遥感手段在区域尺度上对侵蚀沟进行快速调查提供了一种新途径。在对侵蚀沟进行信息提取和空间插值后,形成研究区不同类型侵蚀沟密度图,探讨了克拜东部黑土区侵蚀沟分布的空间格局特征及其影响因素,认为地貌发育过程中的“分水岭迁移”现象是造成该地区侵蚀沟密度东西差异的重要原因。     

Topographic thresholds in gully development on the hillslopes of communal areas in Ngqushwa Local Municipality, Eastern Cape, South Africa

The relationships between the spatial distribution of gully erosion and topographic thresholds in the form of slope angle, position and configuration, as well as land use change in the form of abandoned lands were examined in several affected catchments of the Eastern Cape Province, South Africa. Land use and permanent gullies were mapped, digitized from orthophoto maps in Arc/info 3.5.2 GIS and converted to shapefiles using ArcView 3.2 GIS. Relationships between the mapped phenomena and topographic variables were sought using a Digital Elevation Model (DEM) in Idrisi Kilimanjaro GIS. A comparison between areas with a high potential for gullying and actual gully erosion was made using the Stream Power Index (SPI) as a surrogate for critical flow shear stress. Field surveys were also conducted to assess the present condition of the gullied sites as well as to validate DEM derivations.Seventy five percent of the gullied area was noted to lie on abandoned lands. A predominance of gullying in concave bottom lands was also identified. The SPI values highlighted a distinct preferential topographic zone for gully location. A conceptual model depicting the interaction between land use and topographic parameters to induce gully erosion was developed. This should assist local authorities to develop a policy regarding management of abandoned lands.     

黄土高原勺状沟壑特征及发育过程

沟谷是黄土高原物质交换最频繁,形态变化最剧烈的区域。在内外营力的共同作用下,不同发育阶段的各类沟谷塑造了黄土高原“千沟万壑”的独特地貌景观。在黄土高原沟壑系统中,广泛分布着一类特殊的黄土勺状沟壑,目前对其成因、发育过程与机理以及空间分布特征等的认知明显不足。本文以高分辨率遥感影像和DEM数据作为数据源,在大量野外调查和专家知识的基础上,首先提出了黄土勺状沟壑的概念,指出黄土勺状沟壑是独立发育于黄土坡面上的永久性沟谷。其次,从沟壑形态、汇流关系、侵蚀过程、分布特征等方面分析了黄土勺状沟壑区别于其他已有沟壑的特点。进而,从发育形态、发育规模、发育部位等角度对黄土勺状沟壑进行了分类,深化了对勺状沟壑的认识。再次,基于空代时理论,定量分析了黄土勺状沟壑发育过程的形态演变特征,进一步探讨了黄土勺状沟壑发育过程,论证了黄土勺状沟壑是黄土切沟的初期阶段。最后,在系统梳理总结勺状沟壑的特征及分类的基础上,提出了黄土勺状沟壑的发育过程设想,指出勺状沟壑的形成离不开黄土陷穴和暗穴的生成和发育,勺状沟壑的进一步发育伴随着水力侵蚀和重力侵蚀过程。勺沟尾部变细甚至消失,不能发育成更大规模的切沟,与地下暗穴、黄土渗透率、降雨条件以及地表覆盖有关。本文成果期望为进一步完善黄土沟谷地貌发育和侵蚀过程与机理等认识做出贡献,同时对黄土高原水土保持工作提供参考。     

Spatial distribution and morphologic characteristics of gullies in the Black Soil Region of Northeast China: Hebei watershed

Gully erosion in the Black Soil Region of China has posed a threat to food security. This study aimed to determine the spatial distribution and morphologic characteristics of gullies in the region and their topographic thresholds. A 28 km² watershed was surveyed and 117 gullies measured. The results showed that: (1) Gullies were distributed equally on both hillslope and valley floor positions, with a total gully density of .66 km/km². (2) The mean depth, width, and cross-sectional area of gullies were .74 m, 2.39 m, and 2.43 m², respectively. These characteristics varied among gullies according to their topographic positions and slope gradients. Individual gully volume (V) was well predicted from gully length (L) by V = 2.08L^0.96 (r² = .66). Total gully volume (V) of each sub-watershed was predicted from mean slope gradient (S) and drainage area (A) as V = 275800S ? 8600A (r² = .73). (3) Gully erosion was more serious in steeper sub-watersheds and steeper hillslope positions. Gullies were wider in regions with relatively larger drainage areas, except for those developed in the main valley. The topographic threshold for gully initiation was S = .10A^?0.34, which indicated gully erosion was dominated by surface runoff. (4) Human activities, such as road construction, played a significant role in gully erosion.