切沟侵蚀研究进展与展望
发布时间：2021-10-10 17:06
切沟是重要的侵蚀类型,是小流域侵蚀泥沙的主要来源,对其发生发展的动力过程、形态特征、监测方法及预报模型进行系统分析和总结,是揭示切沟侵蚀发生动力学机制、治理切沟侵蚀、保护土地资源的前提和基础。通过系统分析、总结切沟及切沟侵蚀概念、切沟形态特征与测量方法、影响因素、发育动力过程和预报模型等相关研究进展,明晰了切沟概念,对比了不同测定方法的优劣,量化了影响切沟发育的关键因素,明确了切沟发育各子过程的动力机制,比较了典型切沟侵蚀模型的结构与主控因素,提出了切沟侵蚀亟待加强的研究内容。为理解切沟侵蚀形成、发育动力过程、提高切沟侵蚀治理的有效性提供理论依据。
【文章来源】：水土保持学报. 2020,34(05)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
摄像测量法测定切沟形态的数据处理过程
式中:S为坡度(m/m);A为沟头以上集水区面积(m2);a和b为经验系数,均随着环境条件的变化而变化[15]。表2为典型地区不同土地利用条件下切沟发育的临界地形条件,从表2可知,无论是a,还是b都随着研究区域和土地利用的变化而有所不同,但Torri等 [52]分析了全球的相关研究后发现,系数a受土地利用方式影响显著,而指数b却相对比较稳定,坡耕地a值最小,依次为荒坡、草地和林地。公式(1)也可以表达为AS2的形式,介于500～4 000 m2[49]。在干旱和半干旱地区,土壤水分是影响植被生长的限制性因子,湿润指数越大,植被生长越茂密,对切沟发育的抑制功能越强[53]。在黄土高原丘陵沟壑区,切沟主要分布在地表湿度较大、坡度>35°的阴坡凹型坡面[54-55],而在东北黑土区,受积雪消融的影响,阳坡的切沟发育明显大于阴坡[56]。凹型坡有利于径流汇聚,促进切沟形成和发育[36]。沟壑密度越大,越有利于侵蚀泥沙输移,切沟越发育[57-58]。岩性及土壤显著影响切沟侵蚀。地质构造运动引起压力或张力的非均衡分布,形成岩石裂隙,促进岩石风化,在优先流的作用下形成地表塌陷,是地表径流汇聚、形成切沟沟头的重要部位[59]。虽然土壤物理结皮形成会增大表层土壤黏结力,抑制细沟间侵蚀,但随着土壤物理结皮的形成,土壤入渗速率迅速下降,大量地表径流的形成,势必会促进切沟形成和发育,因此,土壤物理结皮发育是切沟广泛分布于黄土带及其他干旱和半干旱区的重要原因之一[60-61],也是粗骨土、砂土和冲积泥沙容易发生切沟的关键所在[39]。土壤抗蚀性能是土壤质地的函数,因而土壤质地是影响切沟发育[62]、特别是影响沟头溯源速率和沟头下切深度的主要因素[63]。垂直节理发育是黄土的显著特征,降雨时节理被径流快速填充,节理内静水压力增大,促使沟头和沟壁失稳崩塌[63]。当土体中存在相对不透水层且降雨强度适宜时,会形成壤中流,流动过程中遇到富含钠的土层时,极易分散土壤形成洞穴,进而逐渐崩塌扩张形成切沟沟头,强淋溶性或富含蒙脱石的土壤,也存在类似现象[64]。在黄土高原丘陵沟壑区,洞穴发育与切沟形成密切相关,面积仅为9.1 km2的山西省王家沟小流域,发育了704个切沟和967个洞穴,79%的坳蚬切沟、48%的坡面切沟和3%的沟坡切沟伴随着洞穴发育[65]。
切沟侵蚀敏感性表征了切沟发育的可能性,敏感性评估是近期切沟研究的热点,大体思路见图3。根据研究目的选择研究区域及代表性切沟,利用前文叙述的切沟监测方法,测量切沟的形态特征,确定切沟侵蚀量,同时收集或测定影响切沟的影响因素,主要包括气候、岩性、土壤、地形、植被和土地利用情况。将切沟数据随机划分为模型率定数据集(60%或70%)和模型验证数据集(40%或30%),利用双变量分析、人工神经网络、随机森林等算法,基于率定数据集确定各影响因素对切沟发育的相对贡献率。通过验证数据集、以ROC(receiver operating characteristic curve,接受者操作特征)曲线和AUC(area under curve,曲线下面积)曲线,遴选评估切沟发育敏感性的最佳或适宜模型[36-37,42]。理想条件下AUC的值为1,而0.5则表示模型精度不可接受。介于0.5～0.6为差,0.6～0.7为一般,0.7～0.8为好,0.8～0.9为很好,0.9～1.0为优秀。切沟发育敏感性评估的结果可用概率表征,也可以划分成等级(很低、低、中、高、很高)用图表示。与坡面细沟间和细沟侵蚀相比,切沟侵蚀模型研发相对滞后且更为复杂。目前对影响切沟发育的动力过程知之甚少,且它们都随环境条件的变化而变化[98]。根据模型结构和原理,可将切沟模型分为经验模型和过程模型2类。前者参数较少且较易获取,因而相关研究明显多于后者,但机理或过程模型是切沟侵蚀模型研究的方向,急需加强研究。切沟侵蚀经验模型研究集中在沟头发育、沟头溯源和沟岸扩张几个方面。沟头形成是切沟发育的基础和前提,因而准确预测切沟沟头出现的位置极为重要。采用切沟发育临界地形条件(S=aA-b),是预测切沟沟头发育位置最常用的方法[40,50]。虽然许多学者[15,49]认为,系数a为常数,指数b随着环境条件的变化而变化,且介于0.500～0.875,但Torri等[52]通过元分析评估全球切沟沟头发育地形临界条件时发现,土地利用方式显著影响系数a,而指数b与土地利用类型无关。气候、砾石覆盖和流域持水性能对系数a具有一定影响。对于给定的b值,可利用美国土壤保持局(USDA-SCS)径流曲线数CN、砾石覆盖、土壤性质和植被属性估算a值,进而预测切沟沟头发育位置。
【参考文献】：
期刊论文
[1]几个常用土壤侵蚀术语辨析及其生产实践意义[J]. 刘宝元,杨扬,陆绍娟. 中国水土保持科学. 2018(01)
[2]使用高分遥感立体影像提取黄土丘陵区切沟参数的精度分析[J]. 唐杰,张岩,范聪慧,程晓鑫,邓家勇. 农业工程学报. 2017(18)
[3]陕北黄土区退耕前（1976—1997）坡面切沟发育特征[J]. 陈一先,焦菊英,魏艳红,赵珩钪. 农业工程学报. 2017(17)
[4]不同分辨率DEM提取切沟形态特征参数的转化研究[J]. 吴红艳,郑粉莉,徐锡蒙,覃超,钟科元. 水土保持学报. 2016(06)
[5]黄土坡面侵蚀沟沟岸扩张过程[J]. 李斌兵,黄磊,冯林,李鹏,姚京威,柳方明,李俊利,唐辉. 应用基础与工程科学学报. 2016(06)
[6]陕北黄土区植被恢复对切沟发育速率的影响[J]. 杨松,张岩,阿尼克孜·肉孜,李宏钧,刘彦. 中国水土保持科学. 2016(04)
[7]黄土高原切沟地貌学研究述评[J]. 那嘉明,杨昕,李敏,丁浒,汤国安. 地理与地理信息科学. 2016(04)
[8]沟蚀过程研究进展[J]. 郑粉莉,徐锡蒙,覃超. 农业机械学报. 2016(08)
[9]一种基于线结构光技术的细沟形态测量系统[J]. 朱良君,张光辉,李振炜,耿韧. 山地学报. 2015(06)
[10]退耕草地近地表层特征对坡面流流速的影响[J]. 易婷,张光辉,王兵,苏子龙,李振炜,师阳阳. 山地学报. 2015(04)
本文编号：3428797
【文章来源】：水土保持学报. 2020,34(05)北大核心CSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
摄像测量法测定切沟形态的数据处理过程
式中:S为坡度(m/m);A为沟头以上集水区面积(m2);a和b为经验系数,均随着环境条件的变化而变化[15]。表2为典型地区不同土地利用条件下切沟发育的临界地形条件,从表2可知,无论是a,还是b都随着研究区域和土地利用的变化而有所不同,但Torri等 [52]分析了全球的相关研究后发现,系数a受土地利用方式影响显著,而指数b却相对比较稳定,坡耕地a值最小,依次为荒坡、草地和林地。公式(1)也可以表达为AS2的形式,介于500～4 000 m2[49]。在干旱和半干旱地区,土壤水分是影响植被生长的限制性因子,湿润指数越大,植被生长越茂密,对切沟发育的抑制功能越强[53]。在黄土高原丘陵沟壑区,切沟主要分布在地表湿度较大、坡度>35°的阴坡凹型坡面[54-55],而在东北黑土区,受积雪消融的影响,阳坡的切沟发育明显大于阴坡[56]。凹型坡有利于径流汇聚,促进切沟形成和发育[36]。沟壑密度越大,越有利于侵蚀泥沙输移,切沟越发育[57-58]。岩性及土壤显著影响切沟侵蚀。地质构造运动引起压力或张力的非均衡分布,形成岩石裂隙,促进岩石风化,在优先流的作用下形成地表塌陷,是地表径流汇聚、形成切沟沟头的重要部位[59]。虽然土壤物理结皮形成会增大表层土壤黏结力,抑制细沟间侵蚀,但随着土壤物理结皮的形成,土壤入渗速率迅速下降,大量地表径流的形成,势必会促进切沟形成和发育,因此,土壤物理结皮发育是切沟广泛分布于黄土带及其他干旱和半干旱区的重要原因之一[60-61],也是粗骨土、砂土和冲积泥沙容易发生切沟的关键所在[39]。土壤抗蚀性能是土壤质地的函数,因而土壤质地是影响切沟发育[62]、特别是影响沟头溯源速率和沟头下切深度的主要因素[63]。垂直节理发育是黄土的显著特征,降雨时节理被径流快速填充,节理内静水压力增大,促使沟头和沟壁失稳崩塌[63]。当土体中存在相对不透水层且降雨强度适宜时,会形成壤中流,流动过程中遇到富含钠的土层时,极易分散土壤形成洞穴,进而逐渐崩塌扩张形成切沟沟头,强淋溶性或富含蒙脱石的土壤,也存在类似现象[64]。在黄土高原丘陵沟壑区,洞穴发育与切沟形成密切相关,面积仅为9.1 km2的山西省王家沟小流域,发育了704个切沟和967个洞穴,79%的坳蚬切沟、48%的坡面切沟和3%的沟坡切沟伴随着洞穴发育[65]。
切沟侵蚀敏感性表征了切沟发育的可能性,敏感性评估是近期切沟研究的热点,大体思路见图3。根据研究目的选择研究区域及代表性切沟,利用前文叙述的切沟监测方法,测量切沟的形态特征,确定切沟侵蚀量,同时收集或测定影响切沟的影响因素,主要包括气候、岩性、土壤、地形、植被和土地利用情况。将切沟数据随机划分为模型率定数据集(60%或70%)和模型验证数据集(40%或30%),利用双变量分析、人工神经网络、随机森林等算法,基于率定数据集确定各影响因素对切沟发育的相对贡献率。通过验证数据集、以ROC(receiver operating characteristic curve,接受者操作特征)曲线和AUC(area under curve,曲线下面积)曲线,遴选评估切沟发育敏感性的最佳或适宜模型[36-37,42]。理想条件下AUC的值为1,而0.5则表示模型精度不可接受。介于0.5～0.6为差,0.6～0.7为一般,0.7～0.8为好,0.8～0.9为很好,0.9～1.0为优秀。切沟发育敏感性评估的结果可用概率表征,也可以划分成等级(很低、低、中、高、很高)用图表示。与坡面细沟间和细沟侵蚀相比,切沟侵蚀模型研发相对滞后且更为复杂。目前对影响切沟发育的动力过程知之甚少,且它们都随环境条件的变化而变化[98]。根据模型结构和原理,可将切沟模型分为经验模型和过程模型2类。前者参数较少且较易获取,因而相关研究明显多于后者,但机理或过程模型是切沟侵蚀模型研究的方向,急需加强研究。切沟侵蚀经验模型研究集中在沟头发育、沟头溯源和沟岸扩张几个方面。沟头形成是切沟发育的基础和前提,因而准确预测切沟沟头出现的位置极为重要。采用切沟发育临界地形条件(S=aA-b),是预测切沟沟头发育位置最常用的方法[40,50]。虽然许多学者[15,49]认为,系数a为常数,指数b随着环境条件的变化而变化,且介于0.500～0.875,但Torri等[52]通过元分析评估全球切沟沟头发育地形临界条件时发现,土地利用方式显著影响系数a,而指数b与土地利用类型无关。气候、砾石覆盖和流域持水性能对系数a具有一定影响。对于给定的b值,可利用美国土壤保持局(USDA-SCS)径流曲线数CN、砾石覆盖、土壤性质和植被属性估算a值,进而预测切沟沟头发育位置。
【参考文献】：
期刊论文
[1]几个常用土壤侵蚀术语辨析及其生产实践意义[J]. 刘宝元,杨扬,陆绍娟. 中国水土保持科学. 2018(01)
[2]使用高分遥感立体影像提取黄土丘陵区切沟参数的精度分析[J]. 唐杰,张岩,范聪慧,程晓鑫,邓家勇. 农业工程学报. 2017(18)
[3]陕北黄土区退耕前（1976—1997）坡面切沟发育特征[J]. 陈一先,焦菊英,魏艳红,赵珩钪. 农业工程学报. 2017(17)
[4]不同分辨率DEM提取切沟形态特征参数的转化研究[J]. 吴红艳,郑粉莉,徐锡蒙,覃超,钟科元. 水土保持学报. 2016(06)
[5]黄土坡面侵蚀沟沟岸扩张过程[J]. 李斌兵,黄磊,冯林,李鹏,姚京威,柳方明,李俊利,唐辉. 应用基础与工程科学学报. 2016(06)
[6]陕北黄土区植被恢复对切沟发育速率的影响[J]. 杨松,张岩,阿尼克孜·肉孜,李宏钧,刘彦. 中国水土保持科学. 2016(04)
[7]黄土高原切沟地貌学研究述评[J]. 那嘉明,杨昕,李敏,丁浒,汤国安. 地理与地理信息科学. 2016(04)
[8]沟蚀过程研究进展[J]. 郑粉莉,徐锡蒙,覃超. 农业机械学报. 2016(08)
[9]一种基于线结构光技术的细沟形态测量系统[J]. 朱良君,张光辉,李振炜,耿韧. 山地学报. 2015(06)
[10]退耕草地近地表层特征对坡面流流速的影响[J]. 易婷,张光辉,王兵,苏子龙,李振炜,师阳阳. 山地学报. 2015(04)
本文编号：3428797
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