模拟降雨条件下坡面细沟形态演变与量化方法

为探明坡面土壤侵蚀过程中细沟的演变规律,研究细沟形态特征量化方法是非常重要的。利用室内土槽模拟降雨试验,对比了45 mm/h、87 mm/h和127 mm/h雨强下容重分别为1.30 g/cm3和1.05 g/cm3两种黄土在20°陡坡坡面细沟发育形态的差异,并分别采用分形维数、拓扑参数对细沟沟网的形态特征进行量化描述,引入地貌信息熵理论进行坡面地貌信息熵计算,然后对各量化参数的敏感性进行了分析。结果表明,分形维数作为整体性的量化参数,对描述发育成熟的细沟形态差异不够灵敏;坡面地貌信息熵能够反映侵蚀过程中侵蚀程度的变化,对细沟发育程度的描述较为灵敏;细沟沟网的拓扑特征参数较好地体现了沟网内部结构的差异,可用于描述沟网内部结构特征的较灵敏参数。     

细沟形成对坡面产流产沙过程的影响

为探明细沟形成条件下不同土壤坡面水沙变化特性,利用室内模拟降雨试验,分析了塿土和黄绵土在细沟发育及已有细沟条件下的水沙过程变化规律。结果表明,塿土产流快,易形成细沟,细沟发育有明显的规律性,在坡面上呈平行状分布,细沟密度与坡度密切相关,细沟存在会延长产流时间;黄绵土产流慢,较难形成细沟,细沟发育随机性大。细沟发育对产流过程没有明显影响,土壤入渗快慢是两种土壤产流过程存在差异的主要原因。细沟发育程度加剧,会使塿土含沙量的增加速度加快,达到稳定含沙量的时间提前,坡面已有细沟只对稳定含沙量有明显影响,细沟密度增加会使稳定含沙量提高;黄绵土含沙量的变化主要取决于细沟发育过程中的随机性,当细沟侵蚀以崩塌作用为主时,含沙量会出现急剧增加,即使雨强较小,也会产生严重的土壤侵蚀。     

细沟形成对坡面产流产沙过程的影响

为探明细沟形成条件下不同土壤坡面水沙变化特性,利用室内模拟降雨试验,分析了塿土和黄绵土在细沟发育及已有细沟条件下的水沙过程变化规律。结果表明,塿土产流快,易形成细沟,细沟发育有明显的规律性,在坡面上呈平行状分布,细沟密度与坡度密切相关,细沟存在会延长产流时间;黄绵土产流慢,较难形成细沟,细沟发育随机性大。细沟发育对产流过程没有明显影响,土壤入渗快慢是两种土壤产流过程存在差异的主要原因。细沟发育程度加剧,会使塿土含沙量的增加速度加快,达到稳定含沙量的时间提前,坡面已有细沟只对稳定含沙量有明显影响,细沟密度增加会使稳定含沙量提高;黄绵土含沙量的变化主要取决于细沟发育过程中的随机性,当细沟侵蚀以崩塌作用为主时,含沙量会出现急剧增加,即使雨强较小,也会产生严重的土壤侵蚀。     

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。     

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。     

土质陡坡降雨侵蚀的数学模型及求解方法

建立了土质陡坡降雨侵蚀的数学模型,模型包括陡坡细沟间坡面流控制方程、变沟宽陡坡细沟流控制方程、陡坡细沟间坡面侵蚀泥沙连续方程及陡坡变沟宽细沟侵蚀泥沙连续方程。通过紊流冲击分布概率确定土壤剥蚀方程,确定了泥沙源/汇项的表达形式及细沟高程与宽度的表达式。通过有限元和有限差分相结合的方法求解该数学模型,利用有限单元法对数学模型的水动力方程、运动方程及泥沙连续方程进行空间上的离散,利用有限差分法解决时间域的问题,得出了顺序求解的数值计算公式及模型数值求解的具体方法和步骤。     

几种土壤的细沟侵蚀过程及其影响因素

通过间隔为11h的二次人工模拟降雨和冲蚀槽试验研究了10种土壤的侵蚀过程,发现在第2次降雨中大多数土壤出现了细沟侵蚀形式。采样微形态观察发现,在第1次降雨中形成结皮的土壤在第2次降雨中出现了细沟侵蚀;产流产沙观测发现所有出现细沟侵蚀的土壤在第1次降雨中径流含沙量逐渐减少,而第2次降雨中有一个先剧增后减少的过程。土壤理化分析及多元逐步回归分析结果表明,土壤颗粒组成、有机质含量、铁铝含量等因素对细沟侵蚀的影响表现不明显,而与土壤团聚体有关结构指标、细沟侵蚀、产流产沙速率及总量呈显著相关关系。分析表明,团聚体分散度、崩解速率与渗透系数之比两个指标能较好地预测细沟侵蚀发生的可能性,同时也能很好地预测侵蚀产沙量。     

切沟侵蚀预报研究进展与展望

切沟侵蚀是重要的土壤侵蚀类型,是小流域侵蚀泥沙的主要来源。准确预报切沟侵蚀空间分布及其强度的时空变化,对于优化小流域水土保持措施配置、维持区域粮食产能和保障区域生态安全,具有重要的理论和实践意义。地形临界模型、敏感性评价、切沟形态特征经验关系、侵蚀预报模型和景观演变模型是预测切沟发育部位、评价发育概率或估算切沟侵蚀强度的主要方法。从这些方法的基本思路与原理出发,系统分析了相关研究进展,对比了研究结果的差异并评价了各方法的优缺点。未来研究需聚焦切沟监测方法优化与数据积累、切沟演变过程与数据可比性、预报方法遴选及区域适宜性、经验模型研发与参数区域分异,以及切沟侵蚀机理研究与过程模型研发,从而为促进切沟侵蚀预报研究、阻控切沟侵蚀、保障区域社会经济可持续发展提供技术支撑。     

坡面侵蚀过程定量研究进展

坡面是土壤侵蚀最基本的地貌单元,定量研究坡面侵蚀能为研究土壤侵蚀规律、确定坡面重点侵蚀部位、建立土壤侵蚀预报模型提供科学依据。总结了溅蚀、片蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀的定量研究进展,简述了土壤侵蚀模型的研究进展,对目前的其它研究方法进行了评述。     

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。     

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%。     

四川西昌“3·30”火烧区响水沟火后泥石流成灾机理

2020年3月30日,西昌市经久乡发生森林大火,响水沟流域植被被林火大面积烧毁,同年雨季,响水沟流域内多条沟道暴发泥石流,其中1#、2#、3#沟毗邻居民房屋和耕地,影响较为严重。通过野外调查、遥感解译和室外试验,以响水沟1#、2#、3#沟为研究对象,分析了不同林火烈度下,渗透特征、坡面侵蚀和沟道侵蚀的差异,从而揭示响水沟火后泥石流的成灾机理。结果表明,林火是泥石流暴发的重要诱因,火后泥石流的降雨阈值会明显降低。林火干扰导致坡面土壤的渗透系数表现出不同程度的降低,林火烈度越严重的区域,渗透系数越小,降雨更大比例地转化为坡面径流参与到坡面侵蚀。随降雨次数的增多,轻度、中度、重度火烧区域的坡面土壤侵蚀深度均增加;中度、重度林火烈度的侵蚀深度差异不大,且明显高于轻度区域,说明当林火烈度达到中度时,坡面土壤便会受到较大程度的侵蚀。地形条件相似的沟道,林火烈度越严重,泥石流侵蚀能力越强,最终体现于沟道两岸崩滑体数量越多,沟道宽度和深度越大。     

黏性泥石流沟床冲刷深度研究

沟床冲刷深度是泥石流灾害防治工程设计最重要的参数之一,但到目前为止,关于黏性泥石流沟床冲刷的研究较少,沟床冲刷深度还没有权威可信的计算方法,是泥石流防治工程设计急需解决的技术问题。详细分析了黏性泥石流及可能冲刷沟床运动过程中受力情况,推导出黏性泥石流沟床最大冲刷深度计算公式。公式表明黏性泥石流沟床冲刷深度随泥石流泥深、泥石流重度和沟床纵比降及沟床堆积土体黏性的增大而增大,随沟床堆积土体内摩擦角的增大而减小。与现有计算方法相比,公式基于严格理论推导,计算结果更为精确,可用于计算已发生泥石流地区的不同频率的泥石流的冲刷深度,并举例说明了计算公式的实用价值,其结果为泥石流防治工程设计提供技术支撑。     

人工降雨条件下冲沟型泥石流起动试验研究

下垫面以位于贡嘎山东坡的熊家沟为模型,开展了不同降雨强度条件下冲沟型泥石流起动的模拟试验,初步研究了冲沟型泥石流的形成机理和演化特征.试验研究表明:(1)在强降雨条件下,水体入渗速度、不同深度土体含水量变化与降雨强度呈反比例关系,降雨强度越大,越不利于水体入渗,而有利于坡面汇流、冲沟径流和下切侵蚀; (2)在强降雨和径流条件下,土体破坏方式、破坏程度以及泥石流形成机理表现出差异性.相对较小雨强降雨条件下,土体破坏方式以滑坡为主,泥石流形成模式表现为滑坡液化与转化起动,雨强较大降雨条件下,土体破坏方式以侵蚀垮塌为主,泥石流形成模式为洪流席卷垮塌体和沟床揭底; (3)起动试验中泥石流阵性特征明显.在强降雨条件下,雨强与泥石流的规模、黏度之间没有正相关性,雨强越大,泥石流黏度越小,试验中多出现的是高含砂洪流,而相对较小雨强作用下由土体液化转化形成的泥石流黏度较大.试验现象和结果与熊家沟泥石流起动、发生过程具有较高的一致性.     

Effects of gully erosion and gully filling on soil depth and crop production in the black soil region, northeast China

Gully erosion is a very serious problem in the black soil region of northeast China. Gully filling is often adopted for controlling gully erosion by local farmers and thus causes more serious soil erosion. In this study an ephemeral gully (EG, 74 m) and a classical gully (CG, 52 m) connected at the gully’s headcut were selected as the study site. Two comparisons were made to explore the effects of gully erosion and the subsequent gully filling on soil depth and soybean yield: (1) soil depth between 81 sample points in the study site and 11 reference points along the same slope with the gully; (2) soybean yield between 81 sample points in the study site and 30 baseline locations near the study site. The results indicated that gully erosion caused the reduction of soil depth and soybean yield. Although filling gullies with soil from adjacent areas seemed to be an expedient way to remediate the gullies, it resulted in substantial soybean yield reduction. Gully erosion reduced the soil depth and soybean yield in 74.4 and 83.9 % of the study site, respectively. The soybean yield reduction ratio was 34.5 % for the whole study site and 2.6 % for the black soil region. Soil depth was the most important soil property indicator to reduce yield. Every 1 cm decrease in soil depth in the areas adjacent to gullies due to infilling activities resulted in a 2 % decrease in yield. More significant was the deposition of sediment from gully erosion, which completely eliminated soybean yield. Currently, effective soil and water conservation measures are not known and adopted by local farmers extensively. In the future, once some measures for preventing soil erosion, in particular gully erosion, were proved effective, these technologies should be disseminated among local farmers.     

切沟中土壤水分的空间变化特征

切沟侵蚀不仅破坏土地资源，而且影响下游地区环境。目前的土壤侵蚀预报模型没有包括切沟侵蚀，因此研究切沟中土壤水分空间变化是建立切沟侵蚀模型的基础，也是恢复植被的基础。在陕西省安塞大南沟流域选择一个切沟，从1998-2000年连续 3年在 4～10月间对切沟不同部位土壤水分状况进行了观测。分析结果表明，切沟中浅层土壤水分空间分异规律明显，沟顶土壤水分状况较好，土壤容积湿度达到10．3％。沟坡则较差，但沿沟坡向下到沟底，土壤水分不断增加，分别为 6．3％、6．4％和10．4％。沟坡陡崖的土壤水分条件最差，接近凋萎湿度，容积含水量仅为4.6％～5.9％。沟底土壤湿度有所好转，为 7．7％。从雨季开始到结束，整体上土壤水分呈下降趋势，但随降雨事件发生波动。季节变化比较明显的是土壤水分条件好的部位，如沟顶、沟坡底部和沟底。尤以沟底变化最大。沟坡陡崖土壤湿度随季节没有任何变化。从1998-2000年，随降水量减少，切沟所有部位土壤湿度持续下降，即使在水分条件较好的沟顶和沟坡下部，土壤湿度也仅为 8．1％～8．8％，其它部位则都接近于凋萎湿度。土壤水分亏缺相当严重。切沟不同部位土壤水分的季节和年际变化主要受降雨入渗补给影响，而沟底则与径流的产生有关。因此应进一步研究不同降雨类型与径流产生、以及土壤湿度变化的关系。     

黄土丘陵区堆积体边坡对上方来水的侵蚀响应

为探明上方来水类型对工程堆积体高陡边坡下部冲刷侵蚀的定量影响,以神府高速公路沿线典型工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,设计4种上方来水类型,通过野外放水冲刷试验分析了不同上方来水类型下堆积体坡面的径流侵蚀输沙过程.结果表明:①上方来水类型对堆积体坡面下部的产流影响较小,却干扰了坡面侵蚀产沙过程,造成土壤流失量增加;②径流深、单宽径流侵蚀力和水流功率均可以较好地预测堆积体边坡下部输沙模数的变化;③单宽径流侵蚀功率可以作为表征坡面尺度次径流事件中径流侵蚀力变化的指标.研究结果可为工程堆积体土壤侵蚀强度评价、侵蚀模型建立及新增水土流失防治提供参考.     

降雨条件下微生物技术治理崩岗侵蚀

崩岗是中国花岗岩地区危害最大的一种土壤侵蚀方式,坡面防护是崩岗侵蚀治理的重要措施。为研究微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术在花岗岩崩岗侵蚀区冲刷防护中应用的可行性,以福建省崩岗最为发育的安溪县官桥镇花岗岩土质覆盖层为研究对象,进行降雨条件下微生物治理崩岗的模型试验研究。采用喷洒加固法对崩岗坡面进行处理,然后利用降雨模拟系统冲刷坡面,最后分析了MICP加固技术对泥沙产量及坡面侵蚀深度的影响。结果表明：与未加固边坡相比,MICP固化边坡泥沙产量由未加固的7648.43 g下降至266.61 g,较加固之前降低了96.51%;最大侵蚀深度由未加固的60 mm下降至除个别侵蚀坑外边坡表面基本未发生侵蚀。     

Modelling of piping collapses and gully headcut landforms:Evaluating topographic variables from different types of DEM

The geomorphic studies are extremely dependent on the quality and spatial resolution of digital elevation model(DEM)data.The unique terrain characteristics of a particular landscape are derived from DEM,which are responsible for initiation and development of ephemeral gullies.As the topographic features of an area significantly influences on the erosive power of the water flow,it is an important task the extraction of terrain features from DEM to properly research gully erosion.Alongside,topography is highly correlated with other geo-environmental factors i.e.geology,climate,soil types,vegetation density and floristic composition,runoff generation,which ultimately influences on gully occurrences.Therefore,terrain morphometric attributes derived from DEM data are used in spatial prediction of gully erosion susceptibility(GES)mapping.In this study,remote sensing-Geographic information system(GIS)tech-niques coupled with machine learning(ML)methods has been used for GES mapping in the parts of Semnan province,Iran.Current research focuses on the comparison of predicted GES result by using three types of DEM i.e.Advanced Land Observation satellite(ALOS),ALOS World 3D-30 m(AW3D30)and Advanced Space borne Thermal Emission and Reflection Radiometer(ASTER)in different resolutions.For further progress of our research work,here we have used thirteen suitable geo-environmental gully erosion conditioning factors(GECFs)based on the multi-collinearity analysis.ML methods of conditional inference forests(Cforest),Cubist model and Elastic net model have been chosen for modelling GES accordingly.Variable's importance of GECFs was measured through sensitivity analysis and result show that elevation is the most important factor for occurrences of gullies in the three aforementioned ML methods(Cforest=21.4,Cubist=19.65 and Elastic net=17.08),followed by lithology and slope.Validation of the model's result was performed through area under curve(AUC)and other statistical indices.The validation result of AUC has shown that Cforest is the most appropriate model for predicting the GES assessment in three different DEMs(AUC value of Cforest in ALOS DEM is 0.994,AW3D30 DEM is 0.989 and ASTER DEM is 0.982)used in this study,followed by elastic net and cubist model.The output result of GES maps will be used by decision-makers for sustainable development of degraded land in this study area.