岩石边坡基质-植被-大气系统的水分循环

基质-植被系统是岩石边坡植被护坡工程的主要功能构件,其水分循环过程影响工程效应的实现.以高羊茅为建植植物,用TDR水分测定仪对不同表面处理、不同坡度的模拟边坡进行了1年的定位观测试验,研究了岩石边坡基质-植被-大气系统的水分循环过程.结果显示:坡度是影响岩石边坡基质-植被-大气系统水分循环的主要制约因素,坡度增加不仅降低坡面的实际受雨量,同时影响基质的水分输入,系统的蒸散量随坡度增加而降低,但变化幅度较小;试验地气象条件下,生长季的自然降水可满足45°及0°坡面植被所需,75°坡面则出现水分亏缺;由于基质良好的水分物理特性,坡面产流为蓄满产流,受降雨特征及基质初期含水量的影响较小,在同一时空条件下,不同坡面处理的基质含水量表现出微小差异,为喷射混凝土面>灰岩>砂岩.研究从水分循环角度提出了植被护坡技术应用的工程调整措施,为工程应用提供了必要的技术理论支持.     

黄土边坡植物根系固土护坡效应研究

黄土高原生态环境脆弱,且随着人类工程活动日益频繁,黄土滑坡等地质灾害问题也日益严重。植物护坡是恢复黄土边坡生态和防治黄土边坡地质灾害的有效手段。本文基于延安地区黄土边坡调查,通过植物科属分布及密度,及其在边坡植被群落结构中的生长特征等分析,查明植物生长特征与边坡生境的相关联系,筛选适宜当地环境的护坡树种;通过原位试验,分析植物根系固土护坡效应;最后在总结上述研究成果的基础上,提出了该地区适宜的护坡植物,为陕北地区黄土边坡植物防护设计提供了理论依据。本研究成果能促进植物在西北黄土地区的工程应用,为西北黄土边坡复合型生态防护技术提供指导。     

工程开挖引起的黄土边坡变形破坏机理分析

近年来,由于黄土高原地区经济快速发展,受地形限制的影响,很多工程建设无法避开已有的黄土滑坡,使得在边坡开挖过程中产生各种变形破坏迹象,危害十分严重。笔者以富县洛阳乡某挖方边坡为例。根据其地质环境、滑坡概况以及人类活动等情况,利用工程地质分析法定性阐述了在边坡开挖过程中的破坏机理,并将整个变形破坏过程分为3个阶段:坡脚卸载差异变形阶段、压致拉裂面贯通阶段、"V"型裂缝稳定阶段;其次,结合有限元数值模拟量化描述了边坡的变形破坏特征;最后,基于边坡应力分布情况,推算出蠕滑段发育的最大深度距剪出口约93m,同实际情况较为吻合。     

基于植被护坡的河道坡岸稳定性分析

本文采用Geostudio中slope/w软件对有植被和无植被情况下的边坡进行数值分析。研究结果表明,同一根系深度下,边坡安全系数随坡角的增大而减小,而同一坡角下,边坡安全系数与根系深度同样成正比;同一根系深度下,根系角度对边坡的安全系数几乎没有影响,但安全系数随根系深度的增加而增加。最后,同一树倾角下,边坡安全系数随着树间距的增大而减小,但树倾角最大,树间距对边坡的安全系数影响越大。当树间距一定时,边坡安全系数随树倾角的减小而增加。研究成果可为相关工程提供参考。     

晋西地区工程开挖形成的黄土边坡的最优坡率

针对晋西地区工程建设开挖形成的不同高度的黄土边坡,通过工程类比法、反算法、文献资料法和计算对比法,确定了不同高度黄土边坡的最优坡率。结果表明：8m高黄土(Q₃^eol 或Q₂^eol)边坡最优坡率为68°和66°;16m高黄土边坡最优坡率为56°;24m高黄土边坡最优坡率为47°;32m高黄土边坡最优坡率为42°;45m高黄土边坡最优坡率为35°。研究成果可供研究区或其他类似地区建设工程提供参考。     

黄土路堑边坡开挖变形机理的离心模型试验研究

利用离心模型试验揭示了黄土路堑边坡在开挖过程中的变形破坏特征,结果表明:开挖前,坡体变形以自重应力作用下的竖向变形为主,开挖后,堑坡坡体中后部土体以垂直向下变形为主,前部土体变形以水平变形为主,而且坡体前部的变形远大于中后部的变形;同时结合变形特征,系统分析了黄土路堑边坡开挖过程中主滑段滑带土的强度变化规律,认为黄土路堑边坡开挖变形破坏的力学机制总体上应属于蠕滑-压致拉裂机制.     

开挖型黄土边坡剥落侵蚀作用及变形破坏研究

人工开挖是黄土地质灾害最积极的诱发因素之一。为揭示非大型工程未经支护的开挖型黄土边坡在卸荷、剥落、侵蚀作用下边坡的变形破坏特征及其对边坡稳定性的影响,通过野外调查、原位微型贯入测试、室内试验等方法,对陕西省延安地区23处开挖型黄土边坡进行研究。结果表明,边坡卸荷剥落层厚度与边坡开挖年龄呈线性正相关关系,现场贯入阻力值与边坡开挖年龄呈负幂相关关系,浅层土体化学侵蚀现象较深层土体强烈。开挖型黄土边坡的变形破坏模式主要为滑移式崩塌和蠕滑-拉裂式浅层滑坡,崩塌的破坏演化过程主要为"侵蚀剥落-内凹-张裂-滑移",滑坡的破坏演化过程主要为"蠕滑-拉裂-贯通-滑脱"。     

青藏高原多年冻土地区公路边坡植被生长的观测与研究

青藏高原多年冻土地区, 具有海拔高、气温低等特点. 2000年和2001年分别在青藏公路两道河和头二九附近的公路边坡, 开展了植被恢复试验. 采用垂穗披碱草、老芒麦等植物种类混播的方式, 喷播法种植, 播种当年就可以建立良好的植被. 8 a的跟踪观测结果表明, 植被一旦建立, 能够正常越冬、返青. 在牛羊啃食、践踏的情况下, 植被能保持良好的生长状态, 地下生物量积累不断增多. 假设植被能一直保持良好生长状态, 人工植被生物量要恢复到自然群落水平, 在两道河至少需要几十年, 在头二九约需十几年. 但由于野生植物种类入侵速度较慢, 人工植被要真正恢复到自然植被状态则需要更加漫长的时间.     

敦煌西湖荒漠-湿地生态系统植被与土壤水分空间异质性研究

基于敦煌西湖荒漠-湿地生态系统植被与土壤特性调查, 采用地统计学方法, 研究了敦煌西湖荒漠-湿地生态系统的土壤水分和植被的空间变异特征. 结果表明: 研究区植被盖度、高度和多度的平均值分别为36.14%、80.42 cm和0.66株·m², 变异系数依次为117.52%、124.63%和36.50%, 植被盖度和高度均为高度变异, 植被多度为中等变异; 0~200 cm土层各层土壤湿度平均值为14.873%, 介于6.681%~ 23.004%, 变异系数介于39.28%~88.65%. 200 cm土层水分贮量平均值为163.598 mm, 变异系数为36.51%, 0~200 cm土层各层土壤湿度和2 m土层水分贮量均为中等变异. 植被特征与土壤特性各要素的基台值(C₀+C)介于0.112~0.549, 结构比介于76.6%~97.6%, 各变量具有较强的空间自相关性. 研究区植被型组由盐池湾向南呈沼泽→盐沼→草甸→阔叶林→荒漠演变过程, 植被特征与土壤特性在样带空间分布上具有明显的规律性, 且存在较强的空间自相关性和格局.     

黄土有机碳同位素与古气候植被定量化研究进展

定量化重建黄土高原地区的古气候和古植被,是黄土研究的新方向和趋势。利用黄土δ13Corg值定量化恢复古植被的研究已经比较多,而定量化恢复古降水则是一种较新的尝试。土壤δ13Corg值与植被相对生物量以及气候参数之间的关系机制比较清楚,根据土壤δ13Corg值重建的古降水和古植被状况是可接受的。针对研究中存在的一些问题,提出以后应重点加强不同生态条件下植物转化为有机质过程中的碳同位素分馏研究,多因素综合探讨其它气候和环境要素与土壤δ13Corg值之间的关系,使定量化研究更加准确。     

黄土高原退耕坡地土壤水分空间变异性研究

以神木生态观测站为例,利用经典统计学方法对黄土高原退耕坡地土壤水分在空间三维不同方向和不同位置的空间变异性进行了研究,并对空间变异的尺度和时间依赖性等问题进行了探讨,以便为坡地水分管理和植被恢复提供参考。研究结果表明土壤水分在垂直方向和水平方向(垂直于坡长方向)的平均变异程度为弱变异;而在东西方向(坡长方向)、二维平面和三维空间上为中等变异性;土壤水分沿坡长方向从坡顶到坡脚表现出先减小后增大的趋势,且在各坡位变异程度不一,呈现出变异程度为坡上>坡中>坡下的趋势;土壤水分沿南北方向表现为阴坡>山脊>阳坡的明显趋势,其变异程度为阳坡>阴坡;在40~200 cm土层深度内,土壤水分在垂直方向表现出先减小后增大的趋势,且在各土层的变异程度与各层平均土壤水分成明显的正相关。     

黄土路堑边坡土体水热变化特征现场监测研究

基于现场监测资料,对黄土路堑边坡坡面下土体水热变化规律进行分析研究.结果表明,左边坡坡面下土体温度高于右边坡,左边坡冻结期和冻结深度小于右边坡;右边坡含水率变化深度大于左边坡,水分在边坡5 cm以上浅层土体中迁移速度基本相同,在边坡坡面25 cm以下土体渗透性差异较大,左边坡迁移速度低于右坡;冬季左边坡坡面下浅层土体和右边坡观测范围内地温低于0℃,右边坡坡面25 cm以上对应的含水率为零,而左边坡浅层土体和右边坡25 cm以下土体含水率并不为零;干湿循环和冻融循环在左右边坡土体中的显著程度和影响深度不同.     

黄土高原沟壑区坡地土壤水分状态空间模拟

为掌握黄土高原沟壑区坡地土壤水分的空间分布特征及其影响因素,采用状态空间模型和经典线性回归方法对该区不同土层深度土壤含水率的分布进行模拟.结果表明,不同土层深度的土壤含水率呈中等程度变异,并与海拔高度、黏粒、粉粒、砂粒含量和分形维数具有显著的空间自相关和交互相关关系,可用于状态空间模拟分析.不同因素组合下的状态空间模拟效果均要优于线性回归方程,其中采用海拔高度、砂粒含量和分形维数的三因素状态空间方程模拟精度最高(R2=0.992).状态空间模拟方法可用于黄土高原坡面尺度不同土层深度土壤含水率的预测.     

砂性土边坡稳定性离心模型试验研究

借助于西南交通大学TLJ-2型离心机,具体研究了不同含水率下三组砂性土边坡模型的稳定及破坏情况,并分析了砂性土边坡的破坏机理和破坏特征。试验结果表明:含水量是影响砂性土边坡稳定的重要因素。从边坡模型破坏后情况分析,对于有着多级平台的砂性土边坡,滑面较浅,沿各级平台后缘拉裂而坍塌,其破坏类型属于牵引式滑动。     

青藏高原唐古拉地区暖季土壤水分对地表反照率及其土壤热参数的影响

为了研究青藏高原暖季土壤水分对冻土区地表热状况的影响,选取2010-2012年5-9月在青藏高原唐古拉气象场获取的气象及其活动层数据,分析了表层土壤水分对地表反照率以及土壤热参数的影响.结果表明：唐古拉站暖季表层土壤含水量集中在0.15～0.27之间,地表反照率值集中在0.14～0.24之间,日平均土壤热导率的波动范围在0.9～2.0 W·m^-1·K^-1之间,土壤热容的波动范围主要集中在0.8×10⁶～1.8×10⁶ J·m^-3·K^-1之间,而土壤热扩散率则主要集中在0.6×10^-6～2.2×10^-6 m2·s^-1之间.土壤水分对地表反照率影响较大,随着土壤水分的增长,地表反照率呈现出明显的减小趋势.土壤水分对地表反照率的影响还受到植被生长周期的影响,土壤水分和地表反照率之间的关系在植被枯萎期和生长期有明显的差异性.唐古拉地区土壤热参数也明显受到土壤水分变化的影响,随着土壤水分的增加,土壤热导率、热容和热扩散率都为增大趋势,但是土壤水分对土壤热导率的影响较为显著,而对土壤热扩散率的影响则不显著.     

斜坡单元支持下基于土体含水率的陕西省清涧县城区黄土滑坡危险性评价

滑坡危险性评价是减灾防灾的重要措施之一。通过野外调查,陕西省清涧县城区周边斜坡地带共发育滑坡138处,严重威胁县城安全。为了准确评价清涧县城区滑坡危险性,按照河流沟谷的发育情况和地形地貌的完整性,将清涧县城区及周边区域的斜坡地带共划分为925个斜坡单元,将斜坡单元按照不同的坡度、坡高和坡型分别进行不同土体含水率工况下的斜坡稳定性计算。计算结果表明,随着斜坡土体含水率的逐渐增加,城区内稳定斜坡的面积逐渐减少,不稳定斜坡的面积逐渐增大。依据陕北地区黄土斜坡土体含水率监测数据,分析计算土体含水率（w）的出现概率,w≤0.15出现的概率为0.622（概率很高）,0.15<w≤0.2出现的概率为0.2963（概率高）,0.2<w≤0.25出现的概率为0.0816（概率中）,w>0.25出现的概率为0（概率低）。结合斜坡稳定性计算结果和含水率出现概率,评价斜坡单元危险性。评价结果表明,清涧县城区危险性很高区面积3.27 km²,包含斜坡单元112个,已发生滑坡点92个;危险性高区面积4.19 km²,包含斜坡单元128个,已发生滑坡点36个;危险性中区面积8.75 km²,包含斜坡单元251个,已发生滑坡点6个;危险性低区面积15.20 km²,包含斜坡单元434个,已发生滑坡点4个。     

黄土关键带深层土壤水分动态模拟与主控因素

地球关键带是维系地球生态系统功能和人类生存的关键区域,土壤水分是黄土高原关键带植被恢复与生态环境重建的关键因子之一。为探明黄土关键带深剖面土壤水分变化过程并进行模型模拟,对黄土高原长武塬区苹果地和小麦地的深层土壤水分（0~18m）进行监测（2011~2013年,共选择11个不同日期进行深剖面土壤水分监测）,在此基础上,采用Hydrus-1D进行模型模拟,分析了深剖面土壤水分动态及其模拟效果的主控因素。结果表明：1）苹果地（6~18m）、小麦地（3~18m）的深层土壤含水量随时间变化很小;0~1m的土壤含水量随时间变化较大;不同土地利用类型会产生不同的土壤水分过程及运动机制;在根系及近根系区,土壤含水量变化受根系分布格局及土壤质地共同影响,接近地表时还同时受降雨、蒸发等上边界条件影响;在非根系区,土壤含水量的主要影响因素为土壤质地;2）利用前6次的实测数据进行调参和校正,后5次实测数据进行预测效果检验,取得了较好的深剖面土壤水分模拟效果——苹果地的决定系数、相对误差绝对值、均方根误差分别介于0.5923~0.7637、3.33%~5.20%、0.0149~0.0168cm³/cm³ 之间,小麦地分别介于0.2414~0.6822、2.64%~4.58%、0.0177~0.0247cm³/cm³ 之间;3）叶面积指数、根系深度与分布是影响深剖面土壤水分动态模拟效果的主控因素。相关结果可为黄土关键带深剖面土壤水分模拟与调控提供参考。

     

青藏高原玉树地区巴塘高寒草甸土壤温湿特征分析

在青藏高原腹地青海省玉树藏族自治州玉树县巴塘高寒草甸草场设立野外试验场, 进行土壤温、湿动态监测. 利用温、湿监测数据及同步气象数据资料, 采用对比分析及线性趋势等方法, 分析了巴塘高寒草甸日、年土壤温、湿变化状况. 结果表明: 土壤温度从10:00时左右开始上升, 至17:00-18:00时达到最高值, 然后开始下降, 在第二天9:00时左右到达最低; 土壤湿度在10:00时达到最低值, 在18:00时达到最大值, 随着土壤深度的增加, 土壤湿度逐渐降低. 土壤温、湿度在不同的季节表现出不同的变化趋势, 二个点不同土层表现出相对一致的变化, 随着土壤深度的增加, 土壤温、湿度逐渐降低; 随着与雪栅距离的增加, 土壤温、湿度的变化幅度减弱; 随着土壤深度的增加, 雪栅的影响也逐渐减小. 通过对土壤温、湿不同时期的特征分析, 5月中旬至8月中旬, 土壤湿度与土壤温度呈现相反的变化趋势, 而在其余时期土壤温湿变化趋势一致; 秋季向冬季转换时, 土壤温湿呈显著下降趋势, 而后土壤进入封冻时期; 冬季向春季转换时, 土壤温湿呈显著上升趋势, 土壤进入解冻时期. 冷季时, 25 cm土壤温度高于5 cm; 暖季时, 5 cm土壤温度高于25 cm.     

祁连山大野口流域土壤水热空间变化特征研究

土壤水热对水源涵养功能的发挥影响较大,为了研究流域空间上的水源涵养功能变化规律,在祁连山大野口流域布设90个土壤水热监测探头,对已取得的100多万个数据采取相关分析、变异系数等方法,研究土壤水热空间的变化特征.结果表明:随海拔增大,土壤水分呈波动性增大趋势,增大率约为2.35%·(100m)^-1,土壤温度呈波动性降低趋势,降低率约为0.74℃·(100m)^-1.半阴坡土壤水分比半阳坡高1.2倍、比阳坡高1.7倍,半阳坡土壤水分比阳坡高1.4倍.半阴坡土壤温度比半阳坡低1.6倍、比阳坡低2.2倍,半阳坡土壤温度比阳坡低1.3倍.土壤水分与其深度呈二次函数的抛物线变化关系,土壤温度与其深度呈线性函数关系,深度每增加10 cm,其温度降低约0.536℃.亚高山灌丛林比乔木林土壤水分高1.5倍、比草地高1.7倍,乔林比草地土壤水分高1.2倍.亚高山灌丛林比乔木林土壤温度低1.6倍、比草地低2.3倍,乔木林土壤温度比草地低1.4倍.高海拔半阴坡灌丛林土壤温度变化最剧烈,低海拔阳坡草地土壤变化较小.研究成果可为探索流域水资源管理及利用提供科学依据和参考资料.     

青藏高原那曲中部土壤温湿分布特征

青藏高原土壤水热状况对气候变化和植被退化方面的研究具有重要意义,土壤湿度的准确刻画还会影响到数值预报模式对当地及其下游地区降水的模拟能力。为此,采用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站安多观测点2014年1—12月的土壤温度、土壤湿度观测资料以及同期安多气象站观测数据,分析了青藏高原那曲中部不同深度土壤温湿度的分布特征及其与气温、降水量等气象要素的关系。结果表明：土壤温度在浅层为正弦曲线,随着土壤深度的增加,曲线逐渐接近直线。土壤升温迅速而降温过程缓慢。封冻和解冻日期随土壤深度的增加而推迟,封冻期逐渐缩短。不同层次土壤湿度日内变化较小。月变化呈单峰型结构,峰值和谷值基本出现在8月和12月。土壤湿度上升速率较下降速率缓慢。区域尺度上GLDAS-NOAH资料显示出类似的变化特征。土壤温湿度在一年中的变化不一致,但土壤温湿度呈显著正相关。浅层土壤的温度梯度明显大于深层;浅层土壤湿度最大,中间层较大,深层土壤湿度最小。随着干季向湿季的转换,由于太阳辐射的增加,非绝热加热呈增加的趋势。土壤湿度与气象要素在不同时段的相关性存在一些差异,但总体上土壤湿度与气温、降水量和相对湿度呈正相关,与风速、日照时数相关性不显著。