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| 編輯推薦： |
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《土壤侵蚀动力过程与调控》可供从事土壤侵蚀及其相关领域的研究人员和高等院校相关专业的师生参考。
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| 內容簡介： |
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《土壤侵蚀动力过程与调控》采用室内模拟、野外观测实验等手段，并结合核示踪、遥感、地理信息系统等技术，系统研究了坡面侵蚀过程及侵蚀泥沙分选搬运机理，建立了细沟水流输沙能力因子模型，阐明了坡沟系统径流水动力学特性及沟蚀过程与调控。在流域尺度上，揭示了降雨、径流、泥沙特征及其内在联系，分析了水土保持措施对土壤侵蚀的调控机理，阐明了黄土高原水蚀风蚀交错带水蚀风蚀特征及相互作用。揭示了工程建设中不同下垫面侵蚀产沙对水动力学特征的响应。
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| 目錄：
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序
前言
第1章 坡面侵蚀过程与泥沙分选搬运机理
1.1坡度对坡面侵蚀过程及泥沙分选搬运机理的影响
1.1.1研究方法
1.1.2坡度对坡面侵蚀产流产沙过程的影响
1.1.3坡度对侵蚀泥沙颗粒分选特性的影响
1.1.4坡度对侵蚀泥沙搬运机制的影响
1.2秸秆覆盖对坡面侵蚀过程及泥沙分选搬运机理的影响
1.2.1研究方法
1.2.2秸秆覆盖对坡面侵蚀产流产沙过程的影响
1.2.3秸秆覆盖对侵蚀泥沙颗粒搬运分选特性的影响
1.3降雨动能对坡面侵蚀过程及泥沙分选搬运机理的影响
1.3.1研究方法
1.3.2降雨动能对坡面侵蚀产流产沙过程的影响
1.3.3降雨动能对侵蚀泥沙颗粒分选特性的影响
1.3.4降雨动能对侵蚀泥沙搬运机制的影响
1.4坡面细沟水流输沙能力变化特征
1.4.1细沟水流输沙能力随供水流量的变化
1.4.2细沟水流输沙能力随坡度的变化
1.4.3细沟水流输沙能力因子模型
1.5坡面细沟水流输沙能力对水动力学参数的响应
1.5.1细沟水流输沙能力动力学机理分析的水动力学理论依据
1.5.2细沟水流输沙能力对流速的响应
1.5.3细沟水流输沙能力对水流切应力的响应
1.5.4细沟水流输沙能力对单位水流功率的响应
1.5.5细沟水流输沙能力对水流功率的响应
1.5.6细沟水流输沙能力对单位能量的响应
1.5.7细沟水流输沙能力动力学指标
1.5.8细沟水流输沙能力动力学模型
参考文献
第2章 沟蚀过程与调控
2.1流域坡沟系统侵蚀过程与机理
2.1.1坡沟系统侵蚀过程
2.1.2坡沟系统径流水动力学特性
2.1.3坡沟系统稳定性变化规律
2.1.4流域侵蚀产沙过程与模拟
2.2水土保持措施对流域坡沟系统侵蚀的调控机理
2.2.1淤地坝淤积过程与机理
2.2.2坝地淤积与坡沟特征演变的关系
2.2.3水土保持措施对流域坡沟系统重力侵蚀的调控与机理
2.2.4淤地坝对流域侵蚀产沙过程的影响
参考文献
第3章 流域降雨、径流、产沙过程
3.1黄土丘陵区典型流域植被恢复减沙效益研究
3.1.1研究目的和意义
3.1.2国内外研究进展
3.1.3材料与方法
3.1.4坡面退耕小区减沙效益分析
3.1.5燕沟流域输沙量变化
3.2小流域产流：SCSCN曲线修正
3.2.1SCSCN方程预测径流
3.2.2基流分割及降雨选择
3.2.3SCSCN关键参数矫正
3.2.4结果与讨论
3.3小流域降雨、径流、泥沙关系
3.3.1小流域降雨、径流、泥沙月变化
3.3.2次降雨过程主控因子
3.3.3泥沙、径流滞后关系研究
3.4流域暴雨、洪水、泥沙搬运数值模拟
3.4.1研究区概况
3.4.2数据收集
3.4.3研究方法
3.4.4洪水发生频率模型
3.4.5暴雨、洪水过程
3.4.6暴雨、洪水、泥沙模型
参考文献
第4章 水蚀风蚀交错带土壤侵蚀规律研究
4.1利用风洞实验研究Be7示踪估算土壤风蚀速率的可行性
4.1.1国内外研究进展
4.1.2实验布设与研究方法
4.1.3风蚀前后各实验小区表层土壤理化性状的变化
4.1.4Be7剖面深度分布特征及其背景值确定
4.1.5Be7示踪风蚀速率模型的建立
4.1.6Be7示踪风蚀速率的可行性分析
4.2冻融作用及土壤含水量对风蚀的影响
4.2.1研究方法
4.2.2风蚀后表土水分含量变化情况
4.2.3冻土和解冻土的有效颗粒分布
4.2.4冻融和水分对风蚀产沙量的影响
4.3黄土丘陵区典型峁坡土壤侵蚀空间分异特征
4.3.1材料与方法
4.3.2峁坡不同坡向Cs137及侵蚀强度的空间变化特征
4.3.3峁坡土壤侵蚀的坡向变化及坡位差异
4.4风蚀水蚀复合侵蚀过程研究
4.4.1研究区侵蚀环境特征
4.4.2流域风水土壤侵蚀复合特征识别
4.4.3风水复合侵蚀的过程
4.4.4流域风水复合侵蚀的相互作用
参考文献
第5章 工程建设水土流失过程
5.1不同下垫面的侵蚀产沙特征
5.1.1原始地面的侵蚀产沙特征
5.1.2扰动地面的侵蚀产沙特征
5.1.3非硬化路面的侵蚀产沙特征
5.1.4弃土弃渣体的侵蚀产沙特征
5.2不同下垫面水动力学特征及对侵蚀产沙的影响
5.2.1坡面水流水动力学参数的表达
5.2.2原始地面的水动力学特征分析
5.2.3扰动地面的水动力学特征分析
5.2.4非硬化路面的水动力学特征分析
5.2.5弃土弃渣体的水动力学特征分析
5.2.6水动力学参数对侵蚀产沙的影响
5.3不同下垫面新增水土流失研究
5.3.1不同下垫面土壤侵蚀量与径流量的关系
5.3.2不同下垫面新增水土流失量分析
5.4弃渣体坡面不同防护措施的减沙效果分析
5.4.1不同防护措施下弃渣体坡面的含沙量变化
5.4.2不同防护措施下弃渣体坡面的产沙率变化
参考文献
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第1章 坡面侵蚀过程与泥沙分选搬运机理
王占礼 王玲 王剑 史志华
1.1坡度对坡面侵蚀过程及泥沙分选搬运机理的影响
水力侵蚀是指土壤在雨滴和径流作用下发生分离、搬运和沉积的过程。侵蚀泥沙颗粒的分布特征在一定程度上能反映侵蚀过程中泥沙颗粒的积蚀性，这将有助于建立土壤侵蚀预报模型（Asadi et al，2011）。侵蚀过程中，泥沙是土壤养分和污染物质的载体。不同粒径的泥沙颗粒对养分和污染物的吸附作用存在差异。由于细颗粒具有更大的比表面积，其吸附的养分通常比粗颗粒多。充分理解侵蚀过程中泥沙的分选特性及搬运机制对于预测面源污染对水体的危害及建立相关模型具有重要意义。
根据侵蚀泥沙的来源，可将水力侵蚀划分为细沟侵蚀和细沟间侵蚀。侵蚀泥沙通常由原始土壤颗粒（黏粒、粉粒和沙粒）和团聚体组成。研究表明，细沟间侵蚀对泥沙的分选作用强，通常会导致细颗粒在泥沙中富集；细沟侵蚀对泥沙的分选作用弱，并且当径流剪切力大于临界剪切力时，细沟侵蚀对泥沙几乎不存在分选作用。细沟间侵蚀造成泥沙细颗粒富集的主要原因是:坡面薄层水流的搬运能力较弱，不足以搬运粗颗粒。然而，Meyer等（1992）发现细沟间侵蚀搬运的泥沙颗粒比实验原始土壤颗粒和细沟侵蚀泥沙颗粒粗。也有研究发现在降雨侵蚀过程中，泥沙浓度和颗粒大小分布会不断变化。在侵蚀开始阶段，侵蚀泥沙中的黏粒和粉粒含量较高。随着侵蚀时间延长，泥沙逐渐变粗，最后保持稳定。在稳定状态时，泥沙的颗粒组成与原始土壤颗粒组成非常相似。Asadi等（2007）、Loch和Donnollan（1983）发现不同大小的泥沙颗粒物质量百分比呈双峰分布，这主要是由于悬移、跃移和推移三种搬运机制在不同粒级泥沙搬运中所起的作用不同。侵蚀过程中的泥沙分选仍然存在一些矛盾和解释不清的结论。泥沙颗粒大小的分布由许多因素共同决定，如降雨特性、植被覆盖、水流类型（薄层水流和细沟流）、土壤属性、坡度等。关于泥沙颗粒分选及其搬运机制需要进一步研究，才能更好地了解侵蚀过程中各因素的性能和相互关系。
据报道，全世界大约有8亿人需要依靠陡坡耕作维持生存。掌握陡坡侵蚀发生的主要机制是合理布设水土保持措施的基础。本研究选取黄土高原黏壤土作为研究对象，探讨模拟降雨条件下坡度对侵蚀泥沙颗粒分选及搬运机制的影响。
1.1.1研究方法
1. 实验设计
人工模拟降雨实验在中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行。纯净水作为降雨水源，室温为10℃时，其电导率为4.81μScm。供试土壤取自陕西省杨凌区的塿土，属于人为土土纲，土壤质地属于黏壤土，其化学性质，如酸碱度、碳酸盐、营养元素和黏粒化学组成等与其他地带性土壤不同（表1.1）。塿土覆盖层疏松透气，微生物活跃，有机质分解快，积累少，耕层有机质含量普遍不高。在装土前，将土样风干过10mm的筛，混合均匀后分层填入实验土槽。实验土槽为移动式变坡度钢槽，尺寸为 5m×1m×0.5m （长×宽×深）。采用液压系统调节地面坡度，坡度设置为10°、15°、20°、25°。土槽底部装填10mm深的细沙并用纱布覆盖，以保证良好的透水性，其上装填 30cm的供试土样。分层填土，每层填土深度5cm。分层填土可以减小边壁对入渗、产流、产沙过程及坡面侵蚀微形态发育等诸多方面的影响，并使下垫面土壤条件的变异性达到最小。实验设计的土壤容重为1.2～1.4gcm3。实验土槽装土后，用蒸馏水（电导率为4.81μScm）进行湿润，达到饱和状态后，进行降雨。依据黄土高原侵蚀性降雨的分布规律，实验降雨雨强确定为90mmh，采用下喷式降雨系统。降雨动态变化用6个自记录雨量计记录，记录时间间隔为20s。降雨历时为60min。每种处理重复三次。
2. 测量指标
1 径流和泥沙测量每一场降雨事件中，待坡面开始产流后，每1min采集1次土槽径流泥沙样。每一场降雨实验结束后，测量样品中径流体积，将径流泥沙样沉淀并倒掉上层清水后，放在105℃的烘箱中烘干，用烘干泥沙重量计算含沙量和侵蚀产沙量。采用高锰酸钾（K2MnO4）染色剂示踪剂法测定坡面水流流速，测定时间与径流泥沙采集的时间同步，并结合摄像机持续摄像对侵蚀过程进行动态监测。细沟出现后，用量尺法测定坡面细沟变化过程。
在降雨过程中，每3min采集1次径流泥沙样，用于测量泥沙颗粒组成。用湿筛法进行测量，分别过2mm、1mm、0.5mm的筛。小于0.5mm的颗粒采用英国马尔文公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪进行测定。其基本参数为：搅拌器速度是2500rmin，遮光度为20%～30%。首先，将泥沙样搅拌均匀，舀取1～2mL的样品加到盛有800mL蒸馏水的烧杯中，控制遮光度在20%～30%，然后测量侵蚀泥沙颗粒含量历时2min。测量分散后的土壤原始颗粒含量之前要对样品进行60s的超声波分散，控制遮光率在规定范围内，之后再进行测量。
2 未分散的土壤颗粒（土壤有效颗粒）测量取10g的原状土用蒸馏水进行浸泡，有效颗粒大小分布用湿筛法进行测量，分别过2mm、1mm、0.5mm的筛。过筛前，每个样品震荡10min，震动频率为35rmin。小于0.5mm的颗粒用激光粒度仪进行测量。
3 降雨动能当雨滴打击土壤时，雨滴能量能分离土壤和扰动土表薄层水流。降雨动能（R，Wm2）是单位面积单位时间内的动能，通过式1.1进行计算:
R=ρIv21-Cvcosθ2（1.1）
式中，ρ为水的密度，1000kgm3；I为降雨强度，ms；v为雨滴速度，ms；Cv为地表植被覆盖度，%；θ为地面坡度。
4 径流功率径流功率是指单位面积上径流的能量，这些能量全部或部分用于分离和搬运侵蚀界面的土壤颗粒。径流功率（Ω，Wm2）公式为
Ω=ρgSQW（1.2）
式中，ρ为水的密度，1000kgm3；g为重力加速度，9.8ms2；S为坡度的正弦值；Q为水流速率，m3s；W为细沟宽度或坡面宽度，m。
3. 数据处理将原状土有效颗粒划分为10个具有相等质量百分含量的粒级（每个粒级颗粒对应的质量百分含量都为10%），再计算出不同时间段侵蚀泥沙中该10个粒级有效颗粒的百分含量（图1.1）。当泥沙中对应粒级颗粒的百分含量高于10%时，该粒级颗粒被侵蚀；当对应粒级颗粒的百分含量低于10%时，该粒级颗粒沉积在坡面（Asadi et al.，2007）。
图1.1原始土壤与侵蚀泥沙（坡度25°，时间54min）中累计质量百分含量侵蚀泥沙的大小颗粒分布用平均重量直径（mean weighted diameter，MWD）来表示，用式1.3进行计算:
MWD=∑10i=1xi×wi（1.3）
式中，i为10个粒级；xi为第i粒级的平均重量直径；wi为第i粒级的重量百分比。
1.1.2坡度对坡面侵蚀产流产沙过程的影响
不同坡度下模拟降雨实验结果见表1.2。稳定产流强度和产流时间差异不显著（T检验α=0.05），原因可能是在实验前，土壤中含水量已经达到饱和状态。各个坡度之间的产沙强度差异显著，但多重比较结果显示15°和20°的产沙强度（分别为2240gm2?min和2610gm2?min差异不显著。四种坡度处理中，坡度为10°时产生细沟所需的时间最长。平均含沙量与最大含沙量均随着坡度增大而增加。
通过分析不同坡度条件下，产流强度和含沙量随着时间的变化，可以深入了解土壤侵蚀的动态变化过程（图1.2）。产流强度随时间增加较快，在7～10min之后径流开始趋于稳定，不同坡度处理中稳定产流强度差异不明显（表1.2和图1.2）。含沙量随时间波动大，且各坡度间差异明显（图1.2），但降雨初期各坡度含沙量随时间的变化趋势相同：含沙量随时间迅速增大，随后迅速减少。这一结果说明降雨初期，“搬运限制”（transport.limit）为主要的侵蚀机制（Kinnell，2005）。“搬运限制”是指坡面具有足够的可供搬运的土壤颗粒，但由于侵蚀外力小，不足以将土壤颗粒搬运殆尽，当侵蚀外力增大时，更多的土壤颗粒将被搬运。实验中，降雨初期径流随着时间显著增加，侵蚀外力增大，因此含沙量迅速增加。在细沟间侵蚀向细沟侵蚀转变的过程中，含沙量和产沙强度发生明显的变化。细沟产生后，各坡度处理下的含沙量都迅速增加，并且坡度越大，含沙量越高（图1.2）。这些结果与Kinnell（2000）研究结果一致，他认为含沙量随着坡度的增大而增加，尤其是坡度大于10°之后。随着坡度的增大，径流剪切力增加而径流深度减小，这将削弱坡面薄层水流对土体的保护作用，增加土壤分离率，从而增大土壤侵蚀的风险。此外，从图1.2可以看出，含沙量的波动随着坡度的增加而增大。
1.1.3坡度对侵蚀泥沙颗粒分选特性的影响
1. 细沟出现前后泥沙颗粒分布特征坡面径流侵蚀一般分为两部分：细沟间侵蚀和细沟侵蚀。为了更好地理解这个过程，将径流样品划分为10个粒级，在产流之后3～6min为细沟间侵蚀［图1.3a］，51～54min为细沟侵蚀和细沟间侵蚀组合［图1.3（b）］。原始土壤划分为10个等质量粒级，每个粒级质量百分比均为10%。因此，任何质量百分数大于10%的颗粒都会优先被搬运。
图1.3侵蚀泥沙颗粒质量百分比：（a）3～6min和（b）51～54min
由图1.3可知，以0.054mm的土壤颗粒作为分界，在其前后粒级的颗粒含量出现较明显的差异。侵蚀初期，各坡度处理下侵蚀泥沙中小于0.054mm的土壤颗粒占侵蚀泥沙总量的87%～95%。大于0.054mm的颗粒含量小于6%，并且颗粒越粗，含量越低［图1.3（a）］。在细沟产生之后，小于0.054mm的泥沙颗粒含量
……
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