砒砂岩侵蚀机理研究与展望

砒砂岩侵蚀机理是我国北方脆弱生态区治理实践中迫切需要解决的应用基础问题中的难点。为深化理解砒砂岩复合侵蚀发生发展过程、揭示多动力侵蚀交替/耦合关系、辨识复合侵蚀与植被退化的耦合机理,系统总结了国内外对砒砂岩侵蚀研究的主要成果,包括砒砂岩侵蚀类型及其发生动因、砒砂岩侵蚀分布特征、砒砂岩侵蚀岩性机理等,并对现有研究进展进行讨论,指出砒砂岩侵蚀规律研究中面临的关键科学问题,提出未来研究的重点课题,包括砒砂岩区多动力复合侵蚀时空分异规律、复合侵蚀与植被退化的互馈关系、水岩作用下砒砂岩三元结构破坏机理、复合侵蚀试验观测方法等,可为今后开展相关研究工作提供参考。     

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)。     

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。     

黄河流域砒砂岩区抗蚀促生技术试验研究

根据黄土高原水土流失防治与生态修复的需求,以黄土高原生态环境极度脆弱的砒砂岩区为研究对象,基于抗蚀促生新理念,研发了治理砒砂岩区水土流失的环保型抗蚀促生复合材料,并进行了野外试验研究。研究表明:砒砂岩中的蒙脱石、方解石和长石含量高,岩体孔隙微结构发育,是砒砂岩抗侵蚀性能差的主要原因;W-OH在砒砂岩表面具有良好的渗透性,通过添加紫外线吸收剂可以大幅度提高弹性固体的抗老化性能,具有抗蚀促生的功能;研发的抗蚀促生新材料具有明显的防治水土流失作用,根据野外天然径流小区试验观测,产流量减少70%~75%,产沙量减少90%~99%。     

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。     

沙棘“柔性坝”对砒砂岩区生态调控效应试验研究

通过沙棘"柔性坝"野外原型试验,从土壤有机质、含水量、植被种类及覆盖度、动物种类及数量等方面研究了沙棘"柔性坝"对砒砂岩区土壤改良效应和生物群落恢复效应,研究结果表明:沙棘"柔性坝"显著地提高了砒砂岩区土壤肥力,涵养了水源,使得濒临破坏的生态环境得到了较大程度的恢复。     

室内模拟水岩作用对砒砂岩风化侵蚀的影响

针对取自内蒙古东胜至准格尔旗一带的砒砂岩,进行了室内水岩作用模拟试验,通过对初始水、溶滤水成分变化的分析,探讨了水对砒砂岩风化侵蚀的影响。结果表明:试验溶滤水的Ca2+、Mg2+及HCO3-的浓度普遍降低,Na+、K+的浓度普遍升高,SO24-、Cl-的浓度在模拟试验后未明显变化。对水样测试结果的逆向模拟表明:矿物转化量越大,其溶解的矿物量就越多,产生的次生矿物量就越大,导致岩体的抗侵蚀性降低;8组岩样的初始差异性,造成差异性水岩化学作用,加剧了砒砂岩风化侵蚀。     

复杂侵蚀环境下分布式土壤流失水动力学模型——以黄河多沙粗沙区为研究实例

以黄河多沙粗沙区为研究对象,基于实体模型试验对黄土坡面 沟道系统侵蚀产沙机理的认识,根据侵蚀动力学、水文学、泥沙运动力学的基本理论,以地理信息系统为平台,研发了复杂侵蚀环境下的分布式土壤流失水动力学模型;揭示了植被作用下坡面 - 沟道系统侵蚀产沙耦合规律;认识到坡沟产沙之间具有内在的自调控关系;提出了当量糙率的概念;建立了基于 GIS 的分布式土壤流失水动力学模型;构建了基于 ArcGIS 平台的支持系统,实现了 GIS 与土壤流失模型、产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合。通过实例验证了模型对于中尺度流域土壤流失的模拟亦有较满意的精度。     

Study on reforestation with seabuckthorn in the Pisha Sandstone area

In northwest China, an area of more than 11 000 km² is covered by Pisha Sandstone, a kind of loosely bonded sandstone formed during the Tertiary period. Pisha Sandstone is hard when it is dry but becomes loose when it is wet. Due the nature of this sandstone, this area of northwest China is plagued with a high erosion rate (over 20 000 t/km² yr) as well as poor vegetation. In order to reforest gullies and to control erosion in the area, seabuckthorn (Hippophae rhamnoides Linn) was successfully used to reduce the erosion rate and help encourage vegetation growth in this area. Field investigations have been carried out in the Xizhao gully to study the effects of the species on sediment trapping and ecological improvement. Through these investigations, it was discovered that seabuckthorn encouraged the growth of Clinelymus dahurcus Turcz, and consequently, the two species form a dense double-layer of vegetation with well-developed middle and understory plant communities. The forest was planted in the late 1990s (first introduced in 1995), with a measured rate of sediment trapping efficiency of more than 90%. Rainstorm water was also stored in the gully within the trapped sediment. The water content in the reforested gully was approximately twice as high as the non-vegetated gully. Soil organic matter content was higher in the gully planted with seabuckthorn than compared with a non-vegetated gully. The understory community was evaluated by the taxa richness, the thickness-coverage and the Simpson diversity of the sub-layer vegetation. The understory community patterns found in the seabuckthorn vegetation was much better compared with those found in areas forested with poplar or willow vegetation.     

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。     

黄土高原风水蚀交错带风力作用对流域产沙贡献的空间特征研究

利用黄土高原风水蚀交错带水文站水沙资料及有关气象资料,分析了风力作用对流域产沙贡献的空间特征。结果表明:风沙区并不是风蚀贡献最大的区域,风蚀贡献率约为1/4。风沙区和黄土丘陵沟壑区交界处的风蚀贡献急剧增大。靠近风沙区并有零星片沙分布的区域,风蚀贡献率约为1/3。风蚀贡献最大的区域为穿过风沙区和黄土丘陵沟壑区的流域,约为2/5。黄土丘陵沟壑区,风蚀贡献率约为1/10～1/4。河源梁涧区的风蚀贡献率小于1/10。风蚀贡献率的大小依次为河源梁涧区<黄土丘陵沟壑区<风沙区<风沙区和黄土丘陵沟壑区交界处<穿过风沙区和黄土丘陵沟壑区的流域。整个黄土高原风水蚀复合区风力作用产生的输沙量接近流域总输沙量的1/10～1/5,风沙入河量占d>0.05 mm粗泥沙年输沙量的1/4。     

流域侵蚀产沙平衡研究进展

介绍了国内外流域侵蚀产沙平衡研究的主要成果。分析了流域泥沙的主要来源及国内外泥沙来源的主要研究方法；介绍了侵蚀泥沙的坡面～河道运移过程、坡面～河道耦合关系的研究现状；提出了当前河道泥沙存蓄与输移研究的主要问题，并分析了该领域目前研究的现状；对比分析了目前流域侵蚀产沙平衡研究中几个主要模型的适用范围与优缺点；提出了我国未来流域侵蚀产沙平衡研究中应注重发展的主要问题。     

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。