土壤侵蚀模型研究现状与展望

土壤侵蚀已成为极为严峻的环境问题之一,对它进行准确的预报具有重要的实践意义.本文对国内外土壤侵蚀模型的研究现状进行了详细的回顾,并对我国土壤侵蚀模型研究中相对薄弱的环节进行了深入的分析.旨在借鉴国外研究经验,促进我国土壤侵蚀模型研究的进展.     

不同尺度条件下的土壤侵蚀实验监测及模型研究

土壤侵蚀的实验和监测是获取水土流失资料的重要手段,土壤侵蚀模型研究是水土保持规划、管理的重要内容。本文对点、小区、田间和坡面、流域及区域尺度条件下的土壤侵蚀的实验和监测研究进行了综述,分析了当前国际上实验研究和监测研究的侧重点及其不足;并对当前国际上土壤侵蚀模型的总体发展趋势进行了评述,特别分析了这些模型在全球气候变化背景下的作用;最后对当前土壤侵蚀、试验及检测研究作出展望。     

137Cs示踪农耕地土壤侵蚀速率模型的比较研究

^137Cs示踪技术广泛地应用于农耕地土壤侵蚀研究,目前已建立了许多运用^137Cs估算土壤侵蚀速率的模型。这些模型主要分为两类：经验模型与理论模型。其中理论模型中的质量平衡模型应用较多。质量平衡模型主要有：Walling模型、张信宝模型、杨浩模型和周维芝模型。重点讨论这4种质量平衡模型的异同。详细阐述了这四种模型的建立过程,并用图形模拟的方法给出各个模型所刻画的土壤侵蚀速率与土壤剖面中^137Cs相对损失率的关系。分析表明,尽管各个模型在建立的假设和方法上以及对^137Cs沉降过程的处理上存在一定程度的差异,但是各个模型所刻画的土壤侵蚀速率与土壤剖面中^137Cs相对损失率的关系实质上都是幂函数的形式,而且这4条曲线的走势基本一致,各自计算的土壤侵蚀速率差异也较小。因此,在利用^137Cs技术示踪农耕地土壤侵蚀速率时,这4个模型都可以应用。     

137 Cs示踪农耕地土壤侵蚀速率模型的比较研究

137 Cs示踪技术广泛地应用于农耕地土壤侵蚀研究，目前已建立了许多运用 137 Cs估算土壤侵蚀速率的模型。这些模型主要分为两类：经验模型与理论模型。其中理论模型中的质量平衡模型应用较多。质量平衡模型主要有：Wal l ing模型、张信宝模型、杨浩模型和周维芝模型。重点讨论这 4种质量平衡模型的异同。详细阐述了这四种模型的建立过程，并用图形模拟的方法给出各个模型所刻画的土壤侵蚀速率与土壤剖面中 137 Cs相对损失率的关系。分析表明，尽管各个模型在建立的假设和方法上以及对 137 Cs沉降过程的处理上存在一定程度的差异，但是各个模型所 刻画的土壤侵蚀速率与土壤剖面中 137 Cs相对损失率的关系实质上都是幂函数的形式，而且这 4条曲线的走势基本一致，各自计算的土壤侵蚀速率差异也较小。因此，在利用 137 Cs技术示踪农耕地土壤侵蚀速率时，这 4个模型都可以应用。     

土壤侵蚀量预报模型研究进展

土壤侵蚀模型是定量评价水土资源发展动态、指导综合治理规划、评价治理方案和措施的技术工具。根据建模的手段和方法，土壤侵蚀量预报模型有经验模型和物理成因模型两大类。根据建模对象的不同，土壤侵蚀模型又有坡面土壤侵蚀模型和流域土壤侵蚀模型之分。主要从这4个方面入手，介绍了国内外土壤侵蚀量预报模型研究的主要成就，指出了现有模型的不足。在总结前人工作的基础上，提出了我国土壤侵蚀模型今后的发展方向。     

西南喀斯特区土壤侵蚀研究进展

西南喀斯特区土层浅薄、成土速率低等特点决定了其允许土壤流失量小,土壤一旦流失,极难恢复,土壤侵蚀及其造成的石漠化现象已成为制约该区可持续发展最严重的生态环境问题。文章首先明晰西南喀斯特区土壤侵蚀特征,从坡面、小流域和区域三个尺度上系统概括西南喀斯特区土壤侵蚀的相关研究进展。针对当前喀斯特区土壤侵蚀研究野外径流小区、小流域及区域空间尺度数据缺少和相关研究模型限制性强等不足,建议从不同尺度深入研究喀斯特区土壤侵蚀发生发展规律及时空演化格局,并结合高新遥感、地球物理探测技术及模型,同步监测坡面—小流域—区域土壤流失,对土壤侵蚀进行定量评估,结合不同空间尺度土壤侵蚀特征构建系统性水土保持生态恢复治理模式和监测系统评价体系。      

非点源污染模型研究

描述了土壤侵蚀的物理过程,分析了影响土壤侵蚀过程的主要因素,提出包括降雨径流模型、土壤侵蚀模型和畜禽污染模型的非点源污染模拟模型(NPSP),并介绍了该模型在爱尔兰Dodder流域的应用.     

RUSLE及其影响因子的快速计算分析

RUSLE是目前应用最广泛的土壤侵蚀模型。虽然是一种经验模型,但是其影响因子计算仍然非常复杂,满足不了区域土壤侵蚀的快速提取要求。针对这种状况,文章在介绍RUSLE手册中每个影响因子计算方式基础上,分析总结了可进行快速计算的方法,实验表明,采用文章推荐的因子计算方式,可达到快速有效的目的。     

区域土壤侵蚀定量研究的国内外进展

由于水土保持宏观决策的需要、土壤侵蚀学科自身的进步和全球变化研究的促进，过去的10多年来，国内外研究者对区域尺度土壤侵蚀研究给予了高度重视。已经开展的主要研究包括:全球和区域（包括国家尺度）土壤侵蚀调查、区域土壤侵蚀过程和尺度效应、区域土壤侵蚀因子和区域土壤侵蚀模型等。将区域土壤侵蚀作为现代陆地地表过程的一部分，充分考虑全球变化的影响，集成土壤侵蚀研究成果与遥感和GIS技术，开发分布式区域土壤侵蚀模型，成为区域土壤侵蚀定量评价研究的基本趋势。在对国内外区域土壤侵蚀定量评价研究评述的基础上，提出我国近期在区域土壤侵蚀方面研究的重点问题为：区域土壤侵蚀过程及其尺度效应的量化描述、区域土壤侵蚀模型开发、区域土壤侵蚀动态模拟与趋势预测、区域土壤侵蚀与全球变化关系研究和区域土壤侵蚀数据处理与管理方法。     

北京市密云水库北部地区土壤侵蚀情况的遥感调查

应用遥感技术,对密云水库北部地区的土壤侵蚀情况进行了调查与评价。在研究中,首先利用遥感图像进行判读,并进行实地验证,然后,根据影响土壤侵蚀的生态环境因子,建立数学评判模型,并对土壤侵蚀情况进行评判。     

137Cs示踪技术在土壤侵蚀估算中的应用研究进展

137Cs示踪技术目前已被广泛用于长期的土壤侵蚀(水蚀)估算。该技术要解决的两个关键问题是土壤137Cs基准值的确定,以及土壤的137Cs损失量与土壤侵蚀量之间的定量模型的建立。对现有的主要的定量模型进行了简述,并提出了各自的局限性。这些模型可分为经验模型和理论模型两大类,其中以理论模型中的质量平衡模型较为成熟,综合考虑了较多的侵蚀因子,如137Cs年沉降分量、土壤颗粒粒径分布差异、地表富集作用、耕作土壤在耕作活动前新沉降137Cs的侵蚀损失等。对现有模型的改进也进行了探讨,并提出了今后的一些研究重点。     

Rill erosion: Exploring the relationship between experiments,modelling and field observations

Predicting rill erosion rates for a given discharge and slope minimally requires a model for rill hydraulics that allows the prediction of hydraulic parameters and a model for sediment detachment. Several relationships that describe rill hydraulics and/or sediment detachment within an eroding rill have been proposed and are incorporated into state of the art soil erosion models.In this paper a critical review of the theoretical concepts that are underpinning current rill flow and sediment detachment models is made in the light of recent experimental results. Approaches to define detachment–hydraulics relationship are generally based on developments in alluvial river hydraulics. However, experimental evidence to support the use of these concepts in models of rill erosion is scarce and recent experimental findings suggest that the basic assumptions used to model rill erosion are to some extent flawed. An analysis of empirically collected data on rill hydraulics conclusively shows that the empirical Manning equation does not hold for rill flow and should therefore not be used in rill erosion models. An empirical power law relationship relating velocity to discharges is much better in agreement with available experimental data, both for soils with and without rock fragments. In the absence of vegetation residue and/or other macroscopic, immobile elements such as rock fragments, total shear stress and unit length shear force can be used to predict soil detachment. The use of unit length shear force has the advantage that no information about rill geometry is necessary.The evidence for sediment load and rill flow detachment interaction is somewhat conflicting: the presence of a heavy sediment load appears to restrict rill flow detachment, but the exact form of the relationship between detachment rate and sediment load remains unclear. The effect of the presence of a sediment load on flow detachments under natural conditions is also limited by the nature of the detachment and transporting capacity relationships: on a rectilinear hillslope, transporting capacity increases much more rapidly with discharge than detachment capacity.We propose modifications to the theoretical formulations used in rill erosion models so that they are in better agreement with experimental evidence. Finally, we illustrate the potential of simplified models and conclude that the combination of empirical equations for flow detachment and rill hydraulics leads to results that are consistent with empirical data relating rill erosion rates to topography.     

Analysis of soil erosion characteristics in small watersheds with particle swarm optimization, support vector machine, and artificial neuronal networks

Sand production by soil erosion in small watershed is a complex physical process. There are few physical models suitable to describe the characteristics of the intense erosion in domestic loess plateau. Introducing support vector machine (SVM) oriented to small sample data and possessing good extension property can be an effective approach to predict soil erosion because SVM has been applied in hydrological prediction to some extent. But there are no effective methods to select the rational parameters for SVM, which seriously limited the practical application of SVM. This paper explored the application of intelligence-based particle swarm optimization (PSO) algorithm in automatic selection of parameters for SVM, and proposed a prediction model by linking PSO and SVM for small sample data analysis. This method utilized the high efficiency optimization property and swarm paralleling property of PSO algorithm and the relatively strong learning and extending capacity of SVM. For an example of Huangfuchuan small watershed, its intensive fragmentation and intense erosion earn itself the name of “worst erosion in the world”. Using four characteristics selection algorithms of correlation feature selection, the primary affecting factors for soil erosion in this small watershed were determined to be the channel density, ravine area, sand rock proportion, and the total vegetation coverage. Based on the proposed PSO–SVM algorithm, the soil erosion modulus in the small watershed was predicted. The accuracy of the simulation and prediction was good, and the average error was 3.85%. The SVM predicting model was based on the monitoring data of sand production. The construction of the SVM erosion modulus prediction model for the small watershed comprehensively reflected the complex mechanism of soil erosion and sand production. It had certain advantage and relatively high practical value in small sample prediction in the discipline of soil erosion.     

植物固土护坡效应的研究现状及发展趋势

近年来由于自然环境变化和人类工程实践活动的影响,水土流失、滑坡等地质灾害发生的概率逐年提高,这些灾害的发生为当地人们的生产、生活带来了一定程度的危害。利用植物固土护坡方法可有效防治上述地质灾害的发生。植物固土护坡效应主要表现在水文效应和力学效应两方面。水文效应包括植物茎叶的降雨截留作用,植物茎叶削弱雨滴溅蚀作用,植物茎叶及其腐殖质抑制地表径流作用; 力学效应包括须状根系的加筋作用、主直根系的锚固作用和水平根系的牵拉作用等。本文着重探讨了植物护坡表现在水文效应和力学效应两方面的研究现状及其发展趋势。其中,在水文效应方面,对植物茎叶降雨截留及削弱溅蚀等进行了着重探讨; 对于力学效应着重探讨了根系增强土体抗剪强度理论模型、根-土相互作用、植物固土护坡力学效应数值模拟等。在上述基础上,指出了植物固土护坡效应发展趋势,即体现在水文效应方面,需开展大气-土体-植物水分迁移对边坡稳定性影响研究; 根-土复合体强度理论模型方面,进一步探讨Wu-Waldron-Model模型和Fiber-Bundle-Model模型所适用的工况条件; 数值模拟方面,需进一步探讨在建立计算模型时应系统考虑植物根型特征、根系强度等诸因素以及这些因素对计算结果的影响; 在工程实践方面,进一步开展植物护坡方法在边坡工程中的应用,探索植物护坡在不同地质、气候和区域环境条件下的应用与维护,使植物固土护坡效应体现出水文效应、力学效应、景观效应的有机结合。     

Evaluating soil erosion by water in a small alpine catchment in Northern Italy: comparison of empirical models

Acta Geochimica - To quantify water erosion rates and annual soil loss in mountainous areas, two different empirical models were used to estimate the effects of soil erosion in a small mountain...     

遥感与地理信息系统中的数学模型及其应用

本文探讨了遥感与地理信息系统中应用的数学模型的特点;并综述了中国研究人员在遥感图象识别、农林牧估产、水文过程模拟、沙漠化和水土流失动态估计以及土地资源分析评价中的应用实例;最后,根据遥感与地理信息系统的发展趋势,展望了其中应用的数学模型的发展趋势。