黄土沟道重力侵蚀规律及机理研究

重力侵蚀是黄土高原沟谷地貌发育的重要营力之一,也是流域产沙的重要途径。以桥沟为主要观测区域,采用实地观测、直剪试验等方法研究了桥沟流域重力侵蚀发生的特点和影响因素,并对小型重力侵蚀的发生机理进行了分析。在观测期内桥沟发生的重力侵蚀类型主要是发生在土体浅层的小型重力侵蚀,包括泻溜、小型崩落、小型滑塌等,主要影响因素包括沟坡坡度、降雨、土体风化、黄土节理等。坡面坡度是重力侵蚀的主要控制因素,桥沟流域重力侵蚀主要发生在坡度大于55°的陡峭沟坡上,土体风化、降雨和黄土节理等因素显著减小了坡面上浅层黄土的抗剪性,因而降低了重力侵蚀发生的临界深度,是小型重力侵蚀发生的主要触发因素。     

黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀实验研究

利用室内模拟实验的方法对典型坡度条件下黄土坡面细沟发育过程中的重力侵蚀规律进行了研究。通过对水沙测量结果的统计分析，同时结合实验中对重力侵蚀现象的观测，给出了实验条件下的临界重力侵蚀含沙量，以此为依据计算了重力侵蚀产沙量及重力侵蚀量达到总侵蚀量50%时对应的“中值时间”。结果表明，在细沟发育过程中，重力侵蚀产沙量存在着由增大到减小再到波动的变化趋势，这一趋势对坡面产沙变化具有重要的影响。重力侵蚀发生的中值时间则由小变大，反映了细沟发育的不同阶段重力侵蚀由以沟头坍塌为主向以沟壁崩塌为主的转化过程。     

坡面各侵蚀分带的侵蚀特征对降雨雨型的响应

以不同侵蚀带的径流小区为研究对象,统计试验地附近土壤侵蚀观测站6年降雨、径流泥沙观测资料,对浅沟坡面不同侵蚀带侵蚀产沙对降雨雨型的响应,结果表明:随着降雨强度的提高,不同土壤侵蚀分带的径流量均呈增加趋势,且短历时、高强度暴雨在片蚀带、细沟侵蚀带和浅沟侵蚀带的径流量与土壤侵蚀量均最大;不同侵蚀分带径流产沙量呈显著的线性关系;随着降雨强度的增加,浅沟侵蚀带径流产沙量逐渐增大,不同降雨强度下,片蚀带径流产沙量均较小,表明发生坡面侵蚀的主要原因是由于沟蚀的径流产生引起的。在不同降雨雨型下的线性函数方程中,均以A1降雨雨型下三个侵蚀分带回归方程的斜率最大,且土壤侵蚀量与降雨强度之间呈显著的正相关关系。     

黄土地区流域产沙的数学模型

泥沙及污染物质在自然界搬运、输移,主要依靠运动水流冲刷、挟带来完成.在坡面上一场降雨以薄层漫流形式汇集到沟壑,其流量集中,单位水体侵蚀、挟沙能力迅速增大.本文为了描述象这样的黄土地区径流形成过程中两种不同形式,首先将流域分为面蚀区和重力侵蚀区,然后直接应用干旱地区流域水文模型计算的净雨过程覆盖在坡面面蚀区域上,建立了在坡面层状漫流过程中它所形成的泥沙层状剥蚀、推移质运动方程以及地表流汇集到沟壑河网后,穿过重力侵蚀区的沟蚀悬移质运动方程.本文在这里指出流域产沙主要是由这两种方式引起的. 最后结合岔巴沟流域产沙计算的例子,本文总结了流域下垫面因素对流域产沙量的影响.     

小流域治理措施对泥沙输移比的影响

以黄土丘陵沟壑区第一副区韭园沟小流域为对象,探讨了1953年以来水土保持治理措施对流域泥沙输移比的影响。结果表明:该流域土壤侵蚀、泥沙输移和沉积与治理措施有着极为密切的相关性。在天然下垫面条件下,韭园沟小流域的泥沙输移比接近1.00。经过50多年来规模性水土流失治理,泥沙输移比下降到0.27。该流域的泥沙侵蚀量减少、沉积和输移比的改变,在水土保持措施达到一定程度时才逐步显现出来,小流域泥沙输移比变化的影响因素中,流域内人为沉积汇(淤积)的作用明显大于坡面水土保持措施的效果。因此,现行生态环境建设中,在注重坡面治理措施合理配置的基础上,更要加强小流域沟道泥沙拦截工程的建设。     

内蒙古黄土丘陵区小流域径流泥沙特征分析

内蒙古黄土丘陵区小流域径流量、侵蚀量年内、年际变化主要受降雨量变化制约，研究小流域侵蚀泥沙主要来源于侵蚀沟，其侵蚀量约占总侵蚀量的80％。     

坡面径流与产沙量影响因素分析——以甘肃省定西安家沟流域为例

以黄土丘陵沟壑区安家沟流域坡沟系统作为研究对象,采用多元线性回归与单因素方差分析了植被类型、坡度、降水平均强度、降水历时等因子对径流量与产沙量的影响。结果表明:不同植被类型条件下坡面径流量、产沙量的组间F检验值分别为3.873,3.930,均在0.05水平下差异显著;不同坡度的坡面径流量与产沙量的F检验值均大于1,径流量与产沙量均值存在差异;不同植被类型条件下径流量与产沙量的泊松相关系数R值均高于0.6(Sig.=0.00),二者存在显著相关关系,产沙量随径流量的增加而增加;不同植被类型下各影响因子与产沙量多元回归拟合度的R2均较高,说明各类因素可以较好地解释产沙量的变化,尤其天然草地相关性最大,R2值达到0.95并在0.05水平下显著。研究结果为黄土高原水土流失治理提供了一定理论参考。     

三峡库区下岸溪小流域水土流失现状评估

 以三峡库区下岸溪小流域为研究区,在GIS软件的支持下,利用2008年SPOT5遥感影像和1∶5万DEM数据,提取坡度因子、植被覆盖度因子和土地利用类型因子作为水土流失风险评估指标因子,结合土壤侵蚀分级标准,生成研究区水土流失风险分级图,利用改进的工程侵蚀模数计算模型,对小流域土壤侵蚀量进行了估算。结果表明：①本流域以水力侵蚀为主,占研究区总面积的88.81%,其中中度侵蚀面积占该流域总面积的38.49%;②开矿等引起的工程侵蚀对该小流域土壤侵蚀量贡献率很大,占该流域水土流失量的41.43%。因此,在开矿和矿区基础设施建设等工程施工时,应采取有效的水土保持措施。     

沟坡重力侵蚀的定量观测方法

重力侵蚀的定量观测是沟坡侵蚀产沙研究中亟待突破的"瓶颈"问题。采用MX-2010-G型地貌仪实时监测降雨模拟试验中沟坡地形的动态变化,并在ArcGIS软件中赋值形成三维立体图,进而可提供坡体的体积、投影面积和各点坐标等参数;重力侵蚀发生前、后瞬间坡体的体积差,就是该次重力侵蚀量。然后,对观测仪器和方法进行率定和验证:①采用常规观测方法以及地貌仪观测方法,测量同一坡体的体积,以验证地貌仪的精确性;②采用地貌仪观测沟坡重力侵蚀试验过程中历次重力侵蚀量,并将其与试验过程进行对比分析,以验证观测结果的合理性;③任取3次试验过程数据,分别让两组不同试验人员进行重力侵蚀事件筛选和处理,比较2组处理结果的差异,以验证数据处理方法的可靠性。试验结果表明:①对于5组不同坡度、体积约为24 000 cm3的沟坡模型,地貌仪测量的体积相对误差可以控制在±10%以内,其中绝对值最大相对误差为9.0%,绝对值最小误差为0.4%;②地貌仪测量到的重力侵蚀量变化过程与试验中直观观测记录的侵蚀现象基本一致;③对于同一沟坡侵蚀过程,两组数据处理的重力侵蚀量相对误差都在10%以内。综合分析表明,该观测仪器和观测方法能够对模拟降雨中沟坡重力侵蚀进行较准确的定量观测。     

皇甫川特拉沟小流域近期泥沙减少成因分析

受降雨变化及人类活动等因素影响,近期皇甫川流域水沙发生显著变化。通过分析皇甫川典型小流域特拉沟2007—2016年水土流失原型动态监测资料,揭示了特拉沟小流域存在降雨强度显著减小、产水产沙年际变化大、沟道坝系工程及植被对泥沙减少作用显著等特征,建立了基于降雨侵蚀力和小流域产沙模数的二次曲线相关关系,其适用于分析比较不同降雨条件下特拉沟小流域产沙状况。研究结果表明,特拉沟小流域2007—2016年年均输沙量与1954—1999年均值相比减少167.7万t,其中:降雨强度减小、汛期降雨量减少引起的年均产沙减少量约为24.98万t,占总减少量的14.9%;淤地坝拦沙减蚀作用年均拦减泥沙约75.72万t,占总减少量的45.2%;坡面治理措施年均产沙减少量约67.0万t,占总减少量的39.9%。     

黄土高原沟道坝系模型设计方法

在回顾前人研究成果及分析土壤侵蚀模型试验特点的基础上，提出了黄土高原小流域沟道坝系模型设计的方法。认为在水力侵蚀最活跃的黄土高原地区，降雨强度是影响产流产沙的关键因子，从而需要抓住降雨与侵蚀产沙这对主要矛盾，根据降雨侵蚀空间或时问的集积效果来实现模型流域与原型流域产沙特征的相似。为保证沟道坝系地貌演变相似，除降雨历时遵循重力相似条件外，模型降雨产沙关系还应通过借助天然资料率定产沙量比尺的途径与原型相对应。     

基于三级汇流和产输沙结构的分布式侵蚀产沙模型

黄土丘陵沟壑区面临严重的土壤侵蚀问题,是黄土高原主要产沙区域,针对该区域的土壤侵蚀产沙模拟一直是黄河泥沙研究的热点。尽管如此,已有侵蚀产沙模型对坡面、沟壑侵蚀环节刻画并不完善,沟壑侵蚀过程的忽视限制了模型在沟壑区侵蚀产沙模拟的精度。为此,本文考虑了沟壑侵蚀的特殊性,从分布式水循环模型(the Water and Energy Transfer Processes in Large River Basins,简称WEP-L)的"坡面-河道"二级产汇流结构中单独分离出沟壑环节,提出了"坡面-沟壑-河道"的三级汇流和产输沙结构,从而构建了基于WEP-L的分布式侵蚀产沙物理模型(WEP-SED)。将WEP-SED应用于无定河流域白家川水文站控制区,模型得到的白家川1956—2010年月均输沙率过程与实测过程接近。结果表明,WEP-SED可有效应用于黄土丘陵沟壑区的侵蚀产沙模拟研究。此外,模拟的白家川沟壑环节多年平均侵蚀量约占该区域总侵蚀量的49%,且94%的沟壑侵蚀集中于7—9月。模拟结果充分说明该区域沟壑侵蚀的严重性,细化沟壑侵蚀过程对于提高该区域侵蚀产沙模拟精度具有重要意义。     

黄土高原重点流域河网分形特征研究

分形理论为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文采用盒维数计算原理和方法,计算黄土高原20条重点流域的河网分维值,探讨其分维值与流域面积、径流模数、产沙模数的相关关系,结果表明:黄土高原地貌形态在其无标度区间内表现出很好的分形特征,根据计算出的各流域分维值发现,黄土高原大多数流域可能处于侵蚀发育的幼年期;流域干流长度与流域面积的幂函数关系式拟合较好,符合Hack提出的主河道长度与流域面积的关系;径流模数与河网分维存在很好的线性关系,其相关系数通过了显著性水平为0.01的检验;河网分维与流域面积、产沙模数都呈正相关性,但难以用某一种简单函数描述。最后通过多元回归分析,建立了产沙模数模型,验证结果表明,该模型具有较高精度,可以对流域产沙模数进行估算。     

黄土丘陵沟壑区典型流域产沙的降雨阈值变化

2000年以来,随着黄土高原林草植被大幅改善和大规模梯田建成,加之坝库拦截,黄土高原入黄沙量锐减,从而使黄土高原现状产沙情势的认知成为近年关注的热点。目前,增大林草和梯田覆盖状况可减少或遏制侵蚀产沙的观点已被广泛认可,但其在流域层面上的减沙机制仍有待深入认识。本文以黄土丘陵沟壑区30条面积较小的流域作为样本,以场次降雨为分析对象,以场次降雨的面雨量、最大1 h降雨量和降雨侵蚀力为降雨指标,以场次降雨的产沙强度≥500 t/km2为流域产沙的判断标准,探讨了林草梯田覆盖程度变化与可致流域产沙的降雨阈值之间的响应关系。研究表明,无论地貌类型如何,随着流域林草梯田覆盖程度的增大,流域产沙的降雨阈值均明显增加,其中黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值与林草梯田有效覆盖率之间呈正向的指数函数关系。在相同下垫面下,黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值差别很小;或因植被主要分布在梁茆,或因河道产沙占比较大,因此,砒砂岩区、黄土残塬区和黄土丘陵第5副区更易产沙,其降雨阈值明显小于第1—3副区。本成果不仅为诠释林草梯田减沙的机制提供了科学支撑,而且也可为黄河水沙情势的评价和入黄沙量预报提供重要参考。     

无定河坡面措施减沙和拦粗泥沙量分析

提出了一个新的反映降雨侵蚀作用的指标,并利用无定河实测输沙量资料和前人用水保法估算的水利水保措施年减沙量,建立了流域产沙与降雨和风蚀气候因子的关系。通过与前人用水保法估算的水利水保措施年减沙量对比分析,发现坡面措施拦沙量应比水保法所得的估计量大。进一步计算出产沙中的粗泥沙量,并与坡面和沟道措施拦沙量建立关系,发现坡面措施的拦沙中粗泥沙比例平均在42%以上,而坝库拦沙中只有约32%。无定河流域坡面措施在措施拦减粗泥沙中所占的比例越来越高。由于坡面措施效益期长,拦粗效率高,所以未来应大力发展坡面措施,以达到长期有效控制水土流失的目的。     

Digital Yellow River Model

Soil erosion is one of the key concerns in land use management for the Loess Plateau of the Yellow River, where serious soil loss is the root cause of environmental and ecological degradation of the basin. In this paper, a physically-based, distributed-parameter, and continuous erosion prediction model at the river basin scale was developed with the aim of assisting in developing better land use management strategies. The framework, the major supporting techniques, and the typical erosion processes are described. The physical processes of sediment yield and transport in the Loess Plateau are divided into three sub-processes, including the runoff and sediment yield on hillslopes, gravitational erosion in gullies, and hyperconcentrated flow routing in channels. For each sub-process, a physically-based simulation model was developed and embedded into the whole model system. The model system was applied to simulate the runoff and sediment yield in several typical years in the coarse sediment source area of the Loess Plateau, and the simulated results were in reasonably good agreement with the measured values.     

黄土丘陵沟壑区第五副区产沙机制初步分析

黄土丘陵沟壑区第五副区主要分布在黄土高原西北部,是黄河流域的主要产沙区之一。通过实地调查,结合下垫面、降雨和水文实测数据,本文分析了该区泥沙来源、产沙特点及其影响因素,揭示了该区的产沙机制。实地调查表明,黄土丘陵沟壑区第五副区大体是黄土丘陵和黄土台塬的结合产物,地表光滑的黄土丘陵群包围着一片黄土盆地或阶地是其地形特点,土壤疏松、植被稀疏是其地貌特点,雨量和雨强小、蒸发强是其气候特点。该区泥沙不仅产自周边丘陵,且相当部分来自中部盆地的河(沟)岸崩塌或滑坡,是黄土高原河沟侵蚀最剧烈的地方,有些河流的河沟产沙占比甚至高达2/3;从支毛沟,到干沟和河道,随着汇入水量的增加,产沙强度逐级增大。周边丘陵所产洪水是河(沟)岸崩塌或滑坡的主要动力,其植被覆盖或梯田规模是影响产洪的关键因素。该区产洪能力偏低,但洪水的含沙量高、且很难显著降低。     

暴雨条件下沙棘林减水减沙效益研究

造成黄土高原水土流失的降雨主要是短历时暴雨。根据这一特点，利用人工模拟降雨方法研究了短历时暴雨条件下沙棘林的减水减沙效益，以及不同郁闭度对产流产沙过程的影响。结果表明，沙棘林郁闭度越高，减水减沙效益越好。     

黄土高原土壤侵蚀规律研究方向与途径

从黄土高原水土保持生态建设和黄河治理开发重大实践的需求出发,回顾了我国关于黄土高原土壤侵蚀规律研究的主要进展,分析了存在的问题,论述了深化黄土高原土壤侵蚀规律研究的重大需求,就黄土高原土壤侵蚀规律的研究方法与途径、研究方向与内容提出建议,认为应加强以下几方面的研究:重力侵蚀规律、不同治理措施配置下坡面-沟道系统侵蚀产沙耦合关系及泥沙输移规律、植被措施作用下的水文效应和产流机制、土壤侵蚀产沙发生发展过程尺度转换、黄土高原水土流失模拟理论与技术等;研究途径包括建设黄土高原土壤侵蚀试验观测体系、运用土壤侵蚀模型模拟与反演技术等。     

泥沙源区沟道输沙能力的计算方法

小流域沟道是泥沙进入江河的初级通道，在洪水流量较大时，沟道挟沙力强，其输沙量往往接近断面以上流域侵蚀量，进入江河的沙量取决于流域内的补给沙量，但在洪水流量较小时，沟道水流挟沙力下降，其输沙量小于断面以上流域侵蚀量，进入江河的沙量取决于各级沟道的挟沙能力。黄土地区小流域沟道纵坡陡，固体物质补给又十分丰富，虽然沟道尺度不大，但水流含沙量却很高，已有各种基于低含沙水流的挟沙公式不能表达沟道中高含沙水流的输沙特性。作者通过分析及试验研究，求得在输沙平衡条件下水流泥沙因子间的关系，提出小流域沟道挟沙力公式，经初步验证结果满意，这为估算分析不同条件下流域输沙量提供依据，也对水土保持规划有一定的指导意义。