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不同含石率土石混合体水力侵蚀分异特征及机制

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 133-145页

作者：杨忠平李勇华李诗琪刘浩宇高宇豪重庆大学土木工程学院重庆400045 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆400045 库区环境地质灾害防治国家地方联合工程研究中心(重庆) 重庆400045

水力作用诱发的堆积体滑坡是我国西南地区主要地质灾害之一,研究土石混合体的侵蚀分异机制对深入揭示此类滑坡机制具有重要意义。含石率是影响土石混合体侵蚀分异特征最主要的因素之一。基于不同含石率的土石混合体渗透侵蚀试验,揭示了... 详细信息

水力作用诱发的堆积体滑坡是我国西南地区主要地质灾害之一,研究土石混合体的侵蚀分异机制对深入揭示此类滑坡机制具有重要意义。含石率是影响土石混合体侵蚀分异特征最主要的因素之一。基于不同含石率的土石混合体渗透侵蚀试验,揭示了不同含石率土石混合体的侵蚀分异特征及机制。结果表明:土石混合体的渗透侵蚀过程中,随机存在侵蚀加剧、侵蚀减缓、内部块石结构重组、侵蚀稳定4种状态,含石率对其侵蚀分异特征有显著影响;渗透系数随含石率的增加先增大后减小再增大,60%含石率的土石混合体渗透性最小,其渗透系数均小于1×10^(−2)cm/s,且波动幅度不大,高含石率土石混合体渗透前、后渗透系数变化率基本小于10%;侵蚀量随水力梯度增加而增加,基于侵蚀量变化,将渗透侵蚀分为3个阶段:剧烈侵蚀阶段、缓慢侵蚀阶段、稳定渗流阶段,临界水力梯度随含石量增加而降低;含石率通过影响土石结构填充形式影响土石混合体的渗透性,满填结构抗渗性能最好,这为揭示堆积体边坡的水力失稳机制提供了思路和参考。

关键词：土工试验土石混合体含石率侵蚀分异土石结构水力侵蚀

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水力侵蚀的自然与人为驱动机制

福建农林大学学报（自然科学版） 2022年第4期51卷 433-450页

作者：陈培济俞慎中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室福建厦门361021 中国科学院大学北京100049

水力侵蚀是一种自然现象,在土壤特性、地形、植被和气候等自然因素的驱动下,在地球表面呈条带状或区域化分布.然而,在人类活动(农业活动、城市建设、工业发展和水利工程建设)引起的地表剧烈变化及全球气候变化的驱动下,水力侵蚀模式会... 详细信息

水力侵蚀是一种自然现象,在土壤特性、地形、植被和气候等自然因素的驱动下,在地球表面呈条带状或区域化分布.然而,在人类活动(农业活动、城市建设、工业发展和水利工程建设)引起的地表剧烈变化及全球气候变化的驱动下,水力侵蚀模式会发生转变.本文综述了自然和人类活动共同驱动下的水力侵蚀机制.土壤母质决定了土壤的本质属性,其中包括土壤可蚀性;通常,水力侵蚀速率随着坡度、坡长和降雨强度的增大而升高,而植被因子负反馈调控水力侵蚀过程.自然水力侵蚀过程是缓慢的;然而,在人类活动的强烈干扰下,土壤、地形、植被和气候发生了巨变,极大加速了自然水力侵蚀过程.人类对陆地表面的改造,引起全球土地利用格局的巨大变化,导致植被锐减和全球气候变化;人为的植被破坏成为全球水力侵蚀加剧的主要因素;气候变化,极大地改变了水力侵蚀模式,导致极端水力侵蚀事件频发.可持续的土地管理可降低人类活动和气候变化带来的不利影响;基于流域尺度的水力侵蚀预报模型的建立与应用,有利于水力侵蚀的预报、预警和防治.

关键词：水力侵蚀驱动机理人类活动气候变化可持续土地管理预报模型

水力侵蚀下坡面微地貌变化对土壤有机碳再分配的影响

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水力侵蚀下坡面微地貌变化对土壤有机碳再分配的影响

作者：张若曦内蒙古农业大学

学位级别：硕士

在土壤侵蚀过程中,坡面是最基本的单元,降雨作为侵蚀动力因子,对土壤坡面侵蚀起着关键性的作用,而碳是近年来的研究热点,研究由侵蚀引发的土壤有机碳再分配规律对深入理解土壤碳库动态变化过程具有重要意义。本文通过设置野外径流小区... 详细信息

在土壤侵蚀过程中,坡面是最基本的单元,降雨作为侵蚀动力因子,对土壤坡面侵蚀起着关键性的作用,而碳是近年来的研究热点,研究由侵蚀引发的土壤有机碳再分配规律对深入理解土壤碳库动态变化过程具有重要意义。本文通过设置野外径流小区并结合三维激光扫描技术、地统计分析及Arc GIS空间分析,研究水力侵蚀下坡面微地貌的重塑过程及其对土壤有机碳再分配的影响,探讨其变化特征。本研究将对土壤侵蚀下陆地生态系统土壤碳平衡的研究提供科学参考,通过合理分析水土流失的侵蚀机理从而科学建设水土保持措施。主要结论如下:1.研究区两个雨季共观测到产流产沙的有效降雨13场,小雨中雨大雨分别为1、9、3场,中雨及大雨贡献最大。两个雨季过后坡面侵蚀深度为3-5cm,小区上部为非侵蚀区,中部及底部为侵蚀区。水蚀后各地形因子及细沟形态参数均增大,但雨后及冲刷200L/h后细沟宽深比均减小。自然降雨及放水冲刷条件下地表起伏度及细沟密度均与产沙量相关性较强,且径流泥沙均存在一定正相关关系可以用多项式拟合。2.水蚀后土壤有机碳整体均减小,自然降雨0-2cm土层含量减小,2-4cm增加,且均表现为空间正相关,中等程度变异,与高斯模型及球状模型拟合较好,空间分布上斑块面积增大总体为小区上部侵蚀区底部沉积区,冲刷后上部及中部为侵蚀区,底部在流量为200L/h时表现为侵蚀,60及100L/h时为沉积。3.水蚀后各土壤粒度组分及团聚体均为空间正相关及中等程度变异,黏粒均减小,砂粒均增加,雨后>2、0.5-1mm团聚体及冲刷后>2、1-2、0.5-1mm团聚体含量增大,雨后0-1-0.25mm及冲刷后0.25-0.5、0.1-0.25mm团聚体含量减小,而雨后1-2及0.25-0.5mm团聚体在0-1cm土层含量减小,1-4cm土层增大。雨后黏粒0-1cm沉积,1-4cm侵蚀;粉粒及>2、1-2mm团聚体0-2cm土层侵蚀,2-4cm沉积;砂粒0-1cm侵蚀,1-4cm沉积;0.5-1mm团聚体各土层均沉积;0.25-0.5mm团聚体0-2cm土层沉积,2-4cm沉积;0.1-25mm团聚体各土层均侵蚀。冲刷后黏粒及粉粒小区底部均侵蚀,砂粒沉积;>2、1-2、0.5-1mm团聚体上中部各流量均沉积,0.25-0.5mm底部侵蚀而0.1-0.25mm中部侵蚀。侵蚀后0-1cm土层各侵蚀区有机碳含量均减小,1-2cm土层0-1cm侵蚀区含量增加,其他侵蚀区均减小,而2-4cm土层各侵蚀区均增加。各土层2-3cm侵蚀区有机碳含量变化最多。水蚀影响后,地表起伏度及地表切割深度对有机碳影响最显著,其中地表起伏度为极显著(P<0.01)。各土层及冲刷流量下黏粒及微团聚体与有机碳相关性最强。

关键词：水力侵蚀坡面微地貌有机碳空间分布

基于水力侵蚀过程的土壤有机碳变化驱动机制研究进展

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土壤通报 2023年第5期54卷 1196-1204页

作者：齐瑜洁黄金权李威闻刘小岚刘纪根毛治超长江大学资源与环境学院湖北武汉430100 长江水利委员会长江科学院湖北武汉430010 水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心湖北武汉430010

土壤有机碳库是陆地生态系统中影响全球碳循环格局的重要组成部分,有机碳的品质与数量成为决定土壤碳汇形成和温室气体排放的关键因素,准确把握水力侵蚀各阶段有机碳组分动态特征与变化机制有助于科学评估土壤侵蚀影响土壤碳源汇的净效... 详细信息

土壤有机碳库是陆地生态系统中影响全球碳循环格局的重要组成部分,有机碳的品质与数量成为决定土壤碳汇形成和温室气体排放的关键因素,准确把握水力侵蚀各阶段有机碳组分动态特征与变化机制有助于科学评估土壤侵蚀影响土壤碳源汇的净效应。在阐述有机碳及其组分在分散剥离-运移-沉积基本过程中的主要动态特征与运移机制的基础上,对相关研究进展进行总结,提出未来研究应从土壤团聚体入手,在定性及定量两个层面进一步深入探索水力侵蚀作用下有机碳选择性迁移与矿化机制,并将研究的重点放在不同侵蚀过程中有机碳组分与功能微生物的相互作用上来,为准确评估碳动态提供技术支撑的突破口。

关键词：土壤有机碳迁移动态机制水力侵蚀土壤团聚体矿化

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水力侵蚀作用下土壤有机碳动态研究进展

长江科学院院报 2016年第12期33卷 27-32页

作者：黄金权程冬兵王志刚刘纪根张冠华孙蓓张平仓长江科学院水土保持研究所武汉430010 长江科学院水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心武汉430010

水蚀作用下土壤有机碳动态对于准确评估土壤侵蚀的碳"源/汇"角色具有重要意义。论述了侵蚀作用对全球碳循环格局产生的影响,阐明了水蚀作用下土壤有机碳动态机制研究的重要意义,并从水蚀作用下土壤碳循环格局以及有机碳库动态过程机制... 详细信息

水蚀作用下土壤有机碳动态对于准确评估土壤侵蚀的碳"源/汇"角色具有重要意义。论述了侵蚀作用对全球碳循环格局产生的影响,阐明了水蚀作用下土壤有机碳动态机制研究的重要意义,并从水蚀作用下土壤碳循环格局以及有机碳库动态过程机制等方面介绍了国内外最新研究进展,进而深入分析了当前研究存在的系列问题及今后的发展趋势。分析认为,以微生物为切入点进行侵蚀作用下的碳矿化研究将有助于从机理层面解决侵蚀在土壤碳循环中的不确定性问题。此外,运用模型模拟的方法全面考察水力侵蚀作用下土壤有机碳库动态机制,将是今后侵蚀作用下土壤碳循环研究中亟待开展的工作。

关键词：水力侵蚀土壤有机碳碳循环动态机制全球气候变化

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水力侵蚀过程中土壤有机碳循环研究进展

南京林业大学学报（自然科学版） 2022年第6期46卷 187-194页

作者：林杰张相姜姜蒯杰郭赓孟苗婧李肖南京林业大学林学院南方现代林业协同创新中心江苏省水土保持与生态修复重点实验室江苏南京210037 苏州市水利设计研究院有限公司江苏苏州215000 华中农业大学资源与环境学院湖北武汉430070

水力侵蚀(水蚀)是土壤侵蚀研究的焦点和热点领域,研究水蚀作用下侵蚀与沉积过程中土壤有机碳的动态变化对于评估土壤碳的“源/汇”效应具有重要意义。笔者总结了水蚀过程中土壤碳循环的研究现状,从侵蚀过程中土壤有机碳流失的定量研究... 详细信息

水力侵蚀(水蚀)是土壤侵蚀研究的焦点和热点领域,研究水蚀作用下侵蚀与沉积过程中土壤有机碳的动态变化对于评估土壤碳的“源/汇”效应具有重要意义。笔者总结了水蚀过程中土壤碳循环的研究现状,从侵蚀过程中土壤有机碳流失的定量研究、有机碳迁移与再分配以及有机碳矿化的影响等3个方面明确了土壤水蚀过程中土壤有机碳动态,并对国内外土壤水蚀过程中的有机碳主要研究成果进行了对比分析。建议未来研究中先对水蚀过程中有机碳的破坏、搬运和沉积等全过程进行精准解析和量化,在此基础上揭示其物理、化学及生物等共同作用下碳矿化特征的响应机制,全面探究水蚀过程中土壤碳收支的动态,量化土壤侵蚀对全球土壤碳循环的贡献率。

关键词：土壤侵蚀水力侵蚀有机碳矿化碳循环侵蚀与沉积过程

水力侵蚀对裸露砒砂岩区坡面微地形的影响研究

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水力侵蚀对裸露砒砂岩区坡面微地形的影响研究

作者：钱秋颖内蒙古农业大学

学位级别：硕士

坡面侵蚀是土壤侵蚀研究的重要组成之一,砒砂岩又是黄河粗泥沙的主要来源区,研究水力侵蚀对裸露砒砂岩坡面微地形的影响,不仅有助于认识坡面微地形水力侵蚀的过程,还可以为水土流失的防治和生态环境保护提供依据。本文以位于内蒙古自治... 详细信息

坡面侵蚀是土壤侵蚀研究的重要组成之一,砒砂岩又是黄河粗泥沙的主要来源区,研究水力侵蚀对裸露砒砂岩坡面微地形的影响,不仅有助于认识坡面微地形水力侵蚀的过程,还可以为水土流失的防治和生态环境保护提供依据。本文以位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗西部暖水乡鲍家沟流域自然条件下形成的裸露坡面为研究对象,使用RIGEL-400三维激光扫描仪,通过径流小区监测与野外放水冲刷试验,分析坡面地形因子、细沟规模和形态的变化特征,揭示野外自然条件下形成细沟演化规律。明确了裸露砒砂岩区坡面的侵蚀产沙规律、微地形变化过程,分析了降雨和冲刷对坡面产流产沙过程的影响,主要结论如下:1.研究区的降雨类型分为小雨、中雨、大雨,中雨和大雨对坡面侵蚀影响较大,中雨对裸露基岩坡面的径流和泥沙贡献率最大,产流率和产沙率随着降雨强度的大小而改变,降雨参数均可与侵蚀量用函数关系式拟合。研究区坡面侵蚀主要以0-1cm的微度侵蚀为主,随着次降雨次数的增多,次降雨坡面细沟的发育过程总结为:溅蚀-片蚀-跌坎-连续细沟-溯源侵蚀-沟壁坍塌-沟道稳定,细沟宽度、深度增大,细沟宽深比减小,沟壑密度、细沟表面积、细沟复杂度、细沟割裂度的数值均增大,ΔDEM细沟宽深比增大,其它形态指标无变化;降雨会显著改变裸露坡面基岩的微地形,地形因子都随着降雨次数的增多数值变大,表明降雨向着利于侵蚀的方向发展。2.不同冲刷流量和不同坡度的产流率都随着冲刷时间的持续逐渐增大的趋势,而产沙率随着冲刷时间的持续表现为先增大后减小的趋势,其产流率和产沙率均可用函数关系拟合,坡度对产流率和产沙率的影响要大于冲刷流量对产流率和产沙率的影响。坡度较小的5°和10°坡面,细沟的形态表现为“倒梯形”和“U型”,为“宽浅型”,坡度较大的20°和30°坡面,细沟的形态表现为“深V型”和“V型”,为“窄深型”,细沟宽深比减小,沟壑密度、细沟表面积、细沟复杂度、细沟割裂度的数值均增大,ΔDEM细沟宽深比增大,其它形态指标无变化,坡度的增加相比冲刷流量更有利于细沟的发育成熟速率。坡度的增加相比冲刷流量对微地形的改变作用更大,地表粗糙度、地表起伏度、地表切割度的数值均变大,相邻两次冲刷ΔDEM的地形因子也都随着冲刷流量的增大和坡面坡度的增大数值变大。3.自然降雨条件下细沟的形态指标与侵蚀量呈现显著相关关系,冲刷条件下细沟的形态指标与侵蚀量呈现极显著相关关系;自然降雨条件下微地形的地形因子与侵蚀量呈现显著相关关系,冲刷条件下微地形的地形因子与侵蚀量呈现极显著和显著相关关系。

关键词：水力侵蚀裸露砒砂岩坡面微地形细沟形态产流产沙

基于CSLE模型的黄河流域内蒙古段水力侵蚀空间分布格局及影响因素研究

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基于CSLE模型的黄河流域内蒙古段水力侵蚀空间分布格局及影响因素...

作者：骆泓旸内蒙古农业大学

学位级别：硕士

本文基于中国土壤流失方程CSLE,以黄河流域内蒙古段为研究区,基于土地利用类型及变化特征,通过计算降雨、土壤、地形、水土保持措施等各因子得到2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的土壤侵蚀模数,采用叠加分析、转移矩阵及地理探... 详细信息

本文基于中国土壤流失方程CSLE,以黄河流域内蒙古段为研究区,基于土地利用类型及变化特征,通过计算降雨、土壤、地形、水土保持措施等各因子得到2000年、2005年、2010年、2015年、2020年的土壤侵蚀模数,采用叠加分析、转移矩阵及地理探测器等方法分析区域土壤侵蚀强度影响因素。得出如下结论:(1)2000-2020年研究区水力侵蚀时空变化:水力侵蚀强度包含标准规定的全部级别,但主要以微度、剧烈侵蚀为主,其他侵蚀强度占比相对较少;随着时间的推移,水力侵蚀强度总体呈下降趋势,剧烈侵蚀区域由14.35%下降到2.90%,微度侵蚀由63.83%上升到91.03%;2005年和2010年分布接近,2015年和2020年分布接近;其中,2015年和2020年,剧烈侵蚀区域:主要在乌兰察布市、呼和浩特市的南部和北部、鄂尔多斯市的东南部、包头市的北部,面积占比1.87%-2.90%;微度侵蚀区域:主要分布在巴彦淖尔市西部、北部和东部,阿拉善盟东部,鄂尔多斯市大部,包头市中部、呼和浩特市中部,面积占比91.03%-93.39%。(2)基于CSLE模型的主要因子分布:降雨侵蚀力因子R,总体上呈从西北至东南逐渐递增的规律,最大值为1067.52 MJ·mm·hm·h·a;土壤可蚀性因子K,值域范围为10.54～79.73t·hm·a/(hm·MJ·mm),土壤可蚀性强,呈现从西向东逐渐减小的变化的态势;地形因子LS,有25.94%的面积区域LS值>1;植被覆盖与生物措施因子B,研究期间,处于波动趋势;水土保持工程措施因子E主要为水平沟和田埂,田埂主要零星分布于巴彦淖尔市和呼和浩特市,占总面积的0.19%;耕作措施因子T,涉及后山坝上晋北高原山地半干旱喜凉作物一熟区和河套河西灌溉一熟区,面积占比分别为21.59%和31.05%。(3)研究区土壤侵蚀主要影响因素:土壤侵蚀主要受地形因子、降雨因子、植被因子和土地利用因子的干扰。分析各因子的驱动力,呈坡度>降雨量>土地利用>植被覆盖度。在坡度陡、降雨量大的区域,侵蚀强度升高,植被覆盖度升高能有效降低侵蚀强度;在年均降雨量小于200mm的区域,提高植被覆盖度是减少水力侵蚀的重要措施;在均降雨量250-400mm的区域,在提高植被覆盖度和保持较高植被覆盖度的基础上,还应当针对降雨采用其他水土保持措施。

关键词：水力侵蚀 CSLE模型空间分布格局黄河流域内蒙古段

黄土地貌区水力侵蚀敏感性分析:以山西省五寨县为例

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科学技术与工程 2023年第30期23卷 12850-12857页

作者：秦彤李功权长江大学地球科学学院武汉430100

在自然与人为因素的干扰下,黄土高原地区常年遭受较为严重的水力侵蚀。为了减缓水力侵蚀进程并避免对人类生命财产的损害,对其进行敏感性分析是具有重要意义的。从CSLE模型出发,以地貌单元作为评价单元,对降水侵蚀力因子、土壤可蚀性因... 详细信息

在自然与人为因素的干扰下,黄土高原地区常年遭受较为严重的水力侵蚀。为了减缓水力侵蚀进程并避免对人类生命财产的损害,对其进行敏感性分析是具有重要意义的。从CSLE模型出发,以地貌单元作为评价单元,对降水侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡长坡度因子、生物/耕作措施因子以及工程措施因子分别进行正向化处理与熵值法确权叠加后建立了一个水力侵蚀敏感性评价模型,借助面积-高程积分对该模型进行评价后,利用该模型对研究区进行水力侵蚀敏感性分析。结果表明:在区域尺度下,文中提出的水力侵蚀敏感性评价模型的评价因子为0.61,相对优于作为对比验证的CSLE模型,因此可以利用该模型对研究区进行水力侵蚀敏感性评价;水力侵蚀敏感性值在不同地貌单元之间表现为:大起伏山地>洪积平原>黄土塬>黄土梁峁>中起伏山地>冲积洪积平原;为了避免对人类生命财产造成损害,北部冲积洪积平原与中起伏山地相交地带、南部大起伏山地的清涟河流域应重点进行治理。该文提出的方法有效解决了黄土地貌区的水力侵蚀敏感性分析问题。

关键词：地理信息科学水力侵蚀熵值法面积-高程积分