黄河流域砒砂岩区地貌-植被-侵蚀耦合研究进展

砒砂岩地区是黄河中游粗泥沙来源的核心区,是黄河流域生态保护的重点。揭示黄河中游砒砂岩地区地貌植被侵蚀耦合规律,对于砒砂岩区生态综合治理具有重要的理论指导价值。本文评述了砒砂岩区侵蚀地貌特征、植被生境空间分异规律、侵蚀空间分异规律,以及砒砂岩区地貌-植被-侵蚀空间耦合关系研究进展,并展望了其研究发展趋势。同时,提出了今后应加强研究的方向:应着重从机理层面对砒砂岩区的地形地貌空间结构分异特征、植被生境和群落分异特征及侵蚀时空分异特征进行深入研究,特别是将三者作为一个耦合系统的因素进行研究,解决制约砒砂岩区水土流失综合治理理论水平提升与实践的瓶颈问题;研究不同地貌单元的土壤侵蚀年内时空分异性特征及其成因,揭示坡沟系统水蚀年内时空分异性特征与自然植被时空分异性特征的耦合机理;揭示砒砂岩区地貌-植被-水蚀空间耦合机理。本综述可为黄河流域砒砂岩区生态保护、侵蚀规律研究及高质量发展提供一定参考。     

砒砂岩区侵蚀治理技术研究进展

黄河流域砒砂岩区是我国北方生态严重退化的地区,其土壤侵蚀治理长期以来是我国水土保持学界所面临的难题之一,其难点在于砒砂岩区水力、风力、冻融、重力等多动力复合侵蚀交替发生且时空分异性强、侵蚀岩性机理及侵蚀动力过程复杂、干旱缺水而暴雨集中,以及人们对于砒砂岩区土壤侵蚀规律性认知水平的局限性。本文从砒砂岩区土壤侵蚀特征、治理措施及其作用与效益,以及砒砂岩治理技术研究新成果等方面综述了砒砂岩区土壤侵蚀治理技术的研究与实践进展,并提出了存在的问题。阻控侵蚀与植被恢复一体化、砒砂岩资源利用与生态衍生产业发展相结合,以及实现生态综合治理将成为砒砂岩区土壤侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向。     

黄河流域砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应研究

识别砒砂岩区多动力侵蚀的叠加效应,对于深化认识砒砂岩区土壤侵蚀与产沙机理,为黄河粗泥沙来源区水土流失治理及砒砂岩区生态恢复等实践提供科学依据具有重要意义.通过室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型试验研究了砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应.试验结果表明:单一的冻融、风蚀作用不会导致坡面产沙量的明显增加,而是增加了水力侵蚀的...     

砒砂岩侵蚀的物理特性试验研究

砒砂岩侵蚀较为强烈,研究其易蚀的岩性物理特性对于认识侵蚀岩性机理具有重要意义。利用现场灌砂法、粒度分析等方法,开展了砒砂岩原状样密度、微观结构和级配等物理特性试验研究。结果表明:砒砂岩干密度为1.36~1.58 g/cm~3,远小于一般砂岩的密度;砒砂岩孔隙率大、透水性强为砒砂岩易发生水蚀提供了结构条件;砒砂岩黏粒含量低,颗粒粒径小于0.500 mm的颗粒含量高,为砒砂岩易发生风蚀且风化速率快提供了几何条件;砒砂岩碱性较强,为砒砂岩在酸性雨水环境下发生水蚀提供了化学条件。因此,砒砂岩的物理特性是砒砂岩易发生强烈侵蚀的重要内因。     

基于W-OH的砒砂岩抗蚀促生机理研究

砒砂岩区是黄河中游粗沙的主要来源区之一,而化学—植物措施对保护砒砂岩免受降雨和风力侵蚀具有较为明显的效果。从砒砂岩侵蚀机理、表面浸润性、抗蚀性、微观结构、红外光谱、保水性和植生等方面研究了一种新型亲水性聚氨酯复合材料(W-OH)对砒砂岩的抗侵蚀和促生机理。结果表明,砒砂岩易受侵蚀主要是组成和内部结构造成的,而W-OH溶液能够包裹在砒砂岩表面,形成一层具有保护作用的固结层,且可以很好地渗透入砒砂岩颗粒内部,增加颗粒间的黏结性,从而可以防止砒砂岩的进一步侵蚀。另外,W-OH为高分子材料,与水迅速反应可以形成网状的弹性凝胶体。该凝胶体具有保水保肥的作用,可以反复缓慢吸收和释放水分为植物生长所需,延长植物的生长期,起到促生的效果,从而为砒砂岩区综合治理提供理论依据。     

砒砂岩地区水土流失研究进展与治理途径

砒砂岩地区是黄土高原生态环境最脆弱、土壤侵蚀最剧烈的区域。从砒砂岩地区生态建设和治理开发的需求出发,回顾砒砂岩地区土壤侵蚀规律研究的主要进展,包括砒砂岩地区土壤侵蚀机理、水土流失动态监测、水土流失模拟评估。同时,对砒砂岩地区水土流失治理措施等方面的最新进展进行了分析,并针对目前存在的问题以及今后砒砂岩地区水土流失的治理途径进行了探讨。     

砒砂岩区典型小流域复合侵蚀动力特征分析

以鄂尔多斯高原砒砂岩区水力、风力、冻融交错侵蚀作用为研究对象,选择准格尔旗二老虎沟小流域作为研究流域,对侵蚀环境参数进行定位观测,统计分析水力、风力、冻融作用的年内变化过程。采用数据标准化后的层次分析法,揭示水力-风力-冻融交错作用过程,辨识高侵蚀风险发生的时阈及动力交错模式。研究表明:砒砂岩区复合侵蚀作用可分为风冻交错、风水交错和风水冻交错三个典型动力组合模式,风水交错侵蚀是该地区的主要侵蚀模式;砒砂岩区年内存在三个高侵蚀风险期,即风-冻融交错侵蚀期(2月上旬至3月中下旬),风-水交错侵蚀期(6月中上旬至8月中下旬),水-风-冻融交错侵蚀期(10月中旬至11月中下旬)。     

原状砒砂岩坡面产流产沙规律试验研究

为深入了解砒砂岩坡面的侵蚀产沙特征,在野外建立了人工原状砒砂岩坡面,通过放水冲刷试验对比研究了白色和红色原状砒砂岩坡面的产流、产沙过程。结果表明:白色砒砂岩坡面水分入渗率为18.9 mm/h,小于红色砒砂岩坡面的47.0 mm/h;白色和红色原状砒砂岩坡面水流平均流速与流量呈幂函数关系,相同冲刷流量条件下红色砒砂岩较白色砒砂岩产沙量及坡面水流含沙量大、抗侵蚀性弱;受水分入渗率和砒砂岩颗粒分离速度的控制,两种坡面土壤剥蚀率与单宽流量之间呈向下弯曲的二次曲线关系;两种砒砂岩坡面土壤剥蚀率与水力学参数的相关关系相似,说明其侵蚀产沙的水力学机制是一致的。     

植被与地形对侵蚀产沙耦合影响研究评述

野外坡面内的植被与地形对侵蚀产沙影响,表现为共同改变某一坡面单元的上坡来水及其侵蚀动力,通常难以分离,呈现典型耦合作用特征。两者单独与侵蚀产沙的关系已较明确,但对侵蚀产沙的耦合影响则研究薄弱。在概述植被、地形各自对侵蚀产沙影响的基础上,从坡面和流域两个空间尺度,梳理了两者对侵蚀产沙耦合影响的相关成果,从理论认识、试验方法和监测技术三方面剖析了存在的主要问题,提出了三点推动该研究的具体对策,即:1引入反映多因素对侵蚀产沙耦合影响的预报模型参数;2搭建近自然坡面的植被镶嵌覆盖非均质试验小区;3开发侵蚀水动力参数高效量测技术等,以期为在侵蚀产沙过程机制与预报技术领域取得重大突破提供有益参考。     

W-OH与砒砂岩固结体力学性能研究

基于砒砂岩基本组成和侵蚀机理,研究了新型固结促生复合材料——亲水性聚氨酯材料(W-OH)对砒砂岩固结的力学性能,并通过添加硅胶、乳化沥青、玄武岩短纤维、聚丙烯醇纤维(PVA)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等功能材料对提升W-OH砒砂岩固结体的力学性能进行了试验研究。结果表明,W-OH与砒砂岩固结体的抗压强度和变形能力随着W-OH浓度的增大而增大,说明W-OH砒砂岩固结体具有一定的变形能力,可有效缓解冻胀、重力作用引起的变形;加入功能材料复合后,抗压强度和形变率均有变化,但只有PVA和EVA提升效果较为明显,PVA浓度为2%时固结体抗压强度最大(为单独采用W-OH时抗压强度的7倍),PVA浓度为3%时形变率最大(为10%~15%),加入EVA后抗压强度最大为不添加EVA的40倍,说明PVA、EVA与W-OH的复合材料固结砒砂岩效果较好。     

砒砂岩分布及岩性特征

砒砂岩是一种发育不完全,矿物成分主要为石英、钙蒙脱石及方解石的泥岩、泥沙岩,主要分布在晋陕蒙交界地区。通过对现有砒砂岩文献资料进行分析,归纳总结了砒砂岩的分布类型及分布面积、主要矿物组成及含量、化学成分、力学性能以及胶结、侵蚀机理。结果表明:砒砂岩分布区面积在1.2万²万km2之间,分布区内不同地点的砒砂岩主要矿物及化学成分相同,含量相近;砒砂岩力学强度较低,研究者得出的力学性能数据较为离散。结合砒砂岩研究现状,提出了几点关于砒砂岩未来研究方向的建议。     

“黄河中游砒砂岩区抗蚀促生技术集成与示范”项目课题启动

<正>日前,"十二五"国家科技支撑计划项目"黄河中游砒砂岩区抗蚀促生技术集成与示范"中的"砒砂岩侵蚀岩性机理研究""砒砂岩固结促生技术研发"和"砒砂岩改性筑坝技术研发"三个课题正式启动。据了解,三个课题分别由黄河水利科学研究院、东南大学和大连理工大学承担,除开展以上三项研究外,该项目还将在砒砂岩典型分布区进行"抗蚀促生措施立体配置技术集成与示范",研究水土保持材料—工程—生物措施、坡面—沟道系统二元     

砒砂岩区二元立体配置治理技术及示范效果

针对黄河流域砒砂岩地区立地条件差、水土流失剧烈,以及砒砂岩孔隙率大、颗粒间黏性差而使常规的植物与工程治理措施难以有效实施的问题,探索了砒砂岩区水土流失治理的抗蚀促生与改性筑坝新技术,集成多措施多技术建立了综合治理模式,并开展了关键技术应用示范研究。研究表明:基于砒砂岩区水土流失规律提出的水土保持材料-工程-生物措施、坡面-沟道系统二元立体综合治理措施配置模式,治理效果明显;研发的抗蚀促生材料具有良好的抗蚀促生性能,具有减少土壤侵蚀、促进植物生长的作用;利用砒砂岩原岩改性材料建设的淤地坝,各项主要力学性能指标满足工程建设规范要求;研发的抗蚀促生复合生态材料措施可以作为我国生态环境极度脆弱区水土流失治理、生态建设的一条有效的新途径。     

黄河砒砂岩单轴抗压性能与含水率关系研究

为研发砒砂岩改性材料、提高砒砂岩抗蚀能力,对黄河砒砂岩单轴抗压性能与含水率的关系进行了研究,研究对象为红白混杂、红色两种砒砂岩。结果表明:红白混杂砒砂岩、红色砒砂岩单轴抗压强度均随着含水率的增大而快速减小;在含水率基本相同的条件下,红色砒砂岩抗压强度的降幅比红白混杂砒砂岩的更为明显;在相同应力时,干燥状态下的红白混杂砒砂岩和红色砒砂岩的应变基本一致,在吸收一定水分后,红白混杂砒砂岩和红色砒砂岩应变的变化规律基本相同,但红色砒砂岩的应变明显大于红白混杂砒砂岩的;红白混杂砒砂岩的透水性较差,遇水时相对不易发生溃散,而红色砒砂岩的透水性较强,稳定透水率大于红白混杂砒砂岩的,遇水时更易发生溃散;当含水率达到9%时,红色砒砂岩单轴抗压强度接近0 MPa,随着含水率的继续增大,单轴抗压强度的变化已不明显。     

砒砂岩膨胀溃散及抑制机理研究

对砒砂岩的颗粒、结构、物理及几何组成进行了研究,重点研究了砒砂岩的水蚀溃散机理及过程,分析了影响砒砂岩吸水膨胀和胶结稳定的主要因素,在此基础上构建了砒砂岩的膨胀–胶结二元力学模型。研究结果表明,砒砂岩的组成可划分为颗粒物、胶结物和填充物3部分,砒砂岩的溃散主要是胶结物难以约束填充物中的黏土矿物吸水膨胀导致的,控制砒砂岩溃散需从控制填充物的吸水膨胀和增强胶结物的胶结能力着手。基于砒砂岩溃散和抑制机理的研究,提出了砒砂岩膨胀溃散的改性方案。     

砒砂岩与沙复配成土技术研究综述

砒砂岩是一种结构松散、利用率较差并广泛分布于我国陕北、内蒙古以及山西等干旱半干旱地区的风化岩石,而砒砂岩与沙复配成土技术的推出,改变了砒砂岩严重危害生态环境、加剧水土流失以及资源大量闲置的现状.通过对砒砂岩与沙复配成土技术作用机理的研究,详细综述了复配技术在土壤固沙能力、土壤物理性质、土壤化学性质以及作物生长和产量等方...     

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。     

利用改性砒砂岩修筑淤地坝研究

为解决砒砂岩区缺乏修建淤地坝等水土保持工程建筑材料的问题,基于砒砂岩遇水易溃散、力学性能差的岩性机理,成功开发了砒砂岩改性材料,并修建了淤地坝示范工程。结果表明,砒砂岩遇水膨胀溃散的主要原因是其岩石成分中含有大量的易膨胀溃散的亲水性蒙脱石,通过在砒砂岩中添加抑制蒙脱石膨胀的改性剂、胶凝抑制剂以后,能明显降低其膨胀性,同时其力学强度可得到显著改善;在内蒙古鄂尔多斯砒砂岩地区开展了利用砒砂岩改性材料修筑淤地坝的示范工程建设,根据现场检测和实验室测试,改性材料的力学性能得到了大幅提高,可以满足修建淤地坝的要求。同时,提出了砒砂岩改性及淤地坝施工的技术要求与方式。     

晋陕蒙交界地区砒砂岩土陡边坡水力侵蚀试验

通过修建6个1.5 m×0.4 m×0.3 m、坡度为37°的试验小区,观测陡边坡自然降雨和进行模拟径流冲刷试验,研究砒砂岩陡边坡水力侵蚀。结果表明:红棕色砒砂岩、紫红色砒砂岩和黄绵土3种陡边坡坡面的产流产沙最小10 min降雨强度为0.1 mm/min,最小降雨量为8.2 mm。3种坡面的产流量与产沙量呈线性关系,且决定系数较大,分别为0.995、0.893和0.896。平均产流和产沙量均为黄绵土>红棕色砒砂岩>紫红色砒砂岩,单位径流红棕色砒砂岩产沙量小于紫红色砒砂岩。冲刷过程中泥沙粒径分布同原土相似,但粒级比例发生变化,两种砒砂岩都显示出在冲剧过程中沙粒贫化、粉粒和黏粒富集的特征。     

植被坡面产流特征及其侵蚀动力研究进展

植被覆盖变化状况直接影响流域水文过程,通过对黄土高原植被坡面产流特性已有研究成果进行总结,以期为评价植被对水沙调控的作用提供参考。从黄土高原生态建设和水土保持效益评价的需求出发,回顾了植被作用下坡面产流特征和侵蚀动力学特性研究的主要进展,包括植被增强土壤入渗能力和减缓径流的作用、植被对坡面产流的影响、植被作用下坡面流侵蚀动力学特性;明确了需进一步深化研究的主要方向,包括植被作用下坡面降雨-入渗非线性过程、坡面产流机制发生胁变的被覆临界、不同产流机制的侵蚀动力参数特性等。