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1、博士学位论文东北黑土区切沟侵蚀定量研究摘要东北黑土区在我国的国民经济发展中具有重要的战略地位， 目 前却正面临着由“ 北大 仓” 向“ 北 大荒” 转 变的 危险， 其根 源就在于 严 重的 水土 流失， 侵 蚀沟的 恶性 扩张 是 造成该区土地资源减少和破坏的主要原因之一。 对黑土区切沟侵蚀规律定量研究， 不仅可以对 发展土壤侵蚀理论提供借鉴， 更具有重要的 现实意义。本文在综述前人切沟侵蚀定量研究成果和研究方法的基础上， 通过按季( 黑土区切沟侵蚀分春季冻融侵蚀和雨季降雨侵蚀) 连续跟踪监测黑龙江省鹤山农场的“ 六队沟” 、 “ 四队沟” 、 “ 二号流域沟”以及呐河市的“ 丰产沟” 在2
2、 0 0 2 年秋一2 0 0 5 年秋的形态及其影响 因 素变 化特征， 对短期黑土区切沟侵蚀进行研究。 研究内 容包括: 黑土区 切沟侵蚀 特征分析; 切沟侵蚀及其影响因子的量化算法， 从定量的角度阐释切沟侵蚀与其影响因子之间的关系， 初步建立黑土区切沟侵蚀经验方程;用L o g i s t i c 回归模型对黑土区切沟扩张的主 要过程之一 崩塌侵蚀进行预报。本文的主要结论如下:( 1 ) 根据切沟的规模， 形态变化特征等可以对切沟的发育阶段进行初步判断。 几条沟中， 二号流域沟和六队沟还处于发育的早期阶段， 四队沟中上游活跃而下游己经基本稳 定， 处于发育的中期阶段， 丰产沟则处于其生命
3、史比 较靠后的时期， 但是距离完全稳定还 需要相当时间。 就切沟体积变化趋势而言，二号流域沟呈指数增加，六队 沟呈直线增加，而丰产沟和四队沟则是对数增加。( 2 ) 除了 沟头雨季侵蚀外， 沟头年侵蚀、 春季侵蚀和切沟总体年侵蚀、 春季侵蚀和雨季侵蚀可以 通过与地形和降水相关的一系列关系式来描述， 地形因子， 尤其是汇水坡长是描述黑土区切沟侵蚀的重要指标。( 3 ) 黑土区切沟侵蚀季节变化在沟头处表现尤为明 显。 在侵蚀量上， 沟头春季侵蚀 远远大于雨季侵蚀， 沟头春季冻融侵蚀与底层土壤关系密切， 底土层粘粒( 粒径 1 8 和S X A 1 .4 0 .7 2 之间 变化( M o o r
4、e e t a l . 1 9 8 8 ; D e s m e t a n d G o v e r s1 9 9 7 ) 0上述的汇水面积一临界坡度曲 线主要是针对己 发生切沟侵蚀区的研究获得的， 对侵蚀 区 的 判定比 较 准确。 B e g in a n d S c h u m m ( 1 9 7 9 )在 进行 侵蚀区 与非侵 蚀区 对比 研究时 发 现， 对于没有发生 切沟侵蚀的区域， 很多点的实际条件已 经超出了切沟侵蚀发生的临界值， 模 型 预报效果比 价差。 鉴 于此， M o r g a n e t a l . ( 2 0 0 3 ) 进一 步提出 如下判 别式 方法， 对 切
5、 沟 侵博士学位论文东北黑土区切沟侵蚀定量研究蚀区与未侵蚀区加以区分:L = a l o g A + 刀l o g S( 1 - 3 )对于每一组A 和S 的值，求其L 值， 从而可以 判别其处于 切沟侵蚀区还是非侵蚀区。此 外， 还有些研究试图通过增加因子如土地利用管理，气候变化等来增加模型预报的准确性( C h 即l o t 2 0 0 5 ) o关于黑土区切沟侵蚀临界条件的 研究，已 经有过一些研究工作，如游智敏 ( 2 0 0 5 )建立的S -A 关系式，得到a =0 . 0 7 4 , b =0 . 1 9 0 .1 . 3 . 2切沟形态变化( 1 )沟头侵蚀以 沟头溯源侵蚀为主
6、的 线性扩张是切沟侵蚀发育的 主要形式 ( B u l l a n d K i r k 勿2 0 0 2 ;P o e s e n e t a l . 2 0 0 2 ) 。 对沟头侵蚀的 研究是切沟侵蚀研究的 重点内容之一。 到目 前为 止， 对 切沟沟头侵蚀模型的研究既有通过因子分析得出的经验公式，也有从物理过程的角度对沟头侵蚀规律的探讨。V a n d e k e r c k h o v e e t a l . ( 2 0 0 0 , 2 0 0 1 , 2 0 0 3 )在对西班牙南部的G u a d a l e n t i n和 G u a d i x 两个盆地切沟侵蚀的研究中， 综
7、合分析了降水， 地形和土壤因素对短( 1 - 5 年) 、 中( 5 - 5 0 年) 、长 ( 5 0 年以上)时间尺度上沟头侵蚀的影响，发现沟头线性扩张速率和侵蚀量与当前沟头汇水面积之间关系最为密切，他们之间的关系可以用幂函数来描述:V二aAb( 1 - 4 )R = C A d( 1 - 5 )式中，V 为侵蚀量， R 为沟头后退速率， a , b . c , d 为常数，随 着研究区域和时间尺度 的 变化而变化。他们的 研究结果表明， 沟头汇水面积的重要性随着时间延长而增强，即 b ( 或 d ) 值 和统 计量 R 2 值增 大。在 黄 土高 原区， 沟头 侵蚀主要以 崩塌的 形 式
8、发 生， 满 足 R a n k i n e e a r t h p r e s s u re 理 论， 即 沟头切割的临界高度为 ( R u d i H e s s e l 2 0 0 3 ):H , = 4 c 1 y c o s 4p 一 2 c o s t ( 4 5 + op 1 2 ) t a n 4p ) 一 Y( 1 - 6 )式 中 ， H . 为 临 界 高 度( m ) ， c 为 团 聚 力( k g / m 3 ) ，Y 为 容 重( k g / m 3 ) ， p 为 内 摩 擦角 ( 0 )。 沟头产沙量为:第一章 选题背景与国内 外研究进展M= y d H d
9、( 0 .5 D X)( 1 - 7 )式 中 ， M 为 土 壤 崩 塌 量( k g ,) ， Y d 为 干 土 壤 容 重( k g / m 3 ) ， H 为 崩 塌 土 层 的 高 度( m ) ，d 为土层厚度 ( m)，D X ,为 土块大小 ( m)。( 2 ) 侧壁侵蚀与沟头侵蚀相比，切沟侧壁侵蚀的研究是一个薄弱环节，当前人们对影响侧壁侵蚀的各种因素和过程之间的关系还知之甚少。 切沟侧壁侵蚀是很多因素综合作用的结果， B o c c o( 1 9 9 1 ) 认为降雨和土壤前期水分状况可能是影响侧壁侵蚀的两个关键因子，此外， 侧壁 侵蚀还受侧壁坡度、高度、 土壤性质以 及土
10、地利用等因 素的影响 ( B u l l a n d K i r k b y 2 0 0 2 ; P o e s e n e t a l . 2 0 0 2 ) 。 沟边张力裂缝被看做是切沟侧壁侵蚀的一个指示， 当张力裂缝中填满 水时， 孔隙水压力急剧增加， 通常会导致侧壁侵蚀发生 ( C o l l i s o n 2 0 0 1 ; B u l l a n d K i r k b y2 0 0 2 ; P o e s e n e t a l . 2 0 0 2 ) 0侧壁侵蚀涉及到很多复杂的过程，包括降雨径流对土壤水分的影响，泥沙块体运动过 程等。 M a r h n e z C a s
11、a s n o v a s e t a l . ( 2 0 0 4 ) 在借鉴沟头侵蚀研究成果的基础上， 假设切沟侧壁侵蚀发生的 概率符合L o g i s t i c 二分 对数回归曲 线， 方程如下:P ( y = 1 I X) =e x p 区B ;X , ) 1 + e x p ( 艺 B ;X , )( 1 - 8 )式中， P 为发生侧壁侵蚀的 概率， 其值0 - 1 , 戈 为自 变量， B ; 为回归系数。借助于计算机， 基于数字化高程模型( D E M) 提取变量， 变量包括坡度( M A X S L O P E ) 、 干湿变率( H I L L S H ) 、 剖面曲率(
12、 P R O F C U R ) 、 汇水面积( A S ) 、 湿度指数( WE T N E S S ) ,汇流侵蚀力 ( S T R E A MP W )。( 3 ) S i d o r c h u k 动态静态模型介绍从长时间尺度来讲，对切沟发展过程的 普遍共识是将切沟发育过程分为两个主要阶 段: 在切沟发育的 初期， 沟底下切和沟壁块体运动强烈， 切沟形态特征 ( 长、宽、 深、 面积、体积等)不稳定，切沟发育迅速;在切沟发展的 后期，切沟处于一种动态稳定状态， 沟底以 泥沙输移和沉积过程为主，由 侧向 侵蚀引 起的 切沟壁的水平扩张也减慢 ( S i d o r c h u k1 9
13、 9 9 x , 1 9 9 9 b )。 K o s o v e t a l . ( 1 9 7 8 )的 试验结果表明， 第一阶段仅占 切沟生命史的5 % 的 时间，但是其长度的9 0 %以 上、面积的6 0 %以上、体积的3 5 %以上都是在这一阶段形成的。 S i d o r c h u k 分别建立了 动态模型和静态模型来描述这2 个阶段切沟形态变化( S i d o r c h u k 1 9 9 9 x ,1 9 9 9 b ;程宏 2 0 0 3 )。动态模型博士学位论文 东北黑土区切沟侵蚀定量研究动态模型用来描述早期切沟形态变化。在这个阶段上，假设切沟主要过程包括:A 、当径
14、流剪切力超过临界剪切力时，降雨 ( 或融雪) 径流以垂直方式切割地表或者切沟床底。B 、切割后直立的沟壁处于不稳定状态，发生坍塌，使切沟横断面由直角形演变成类似梯形形状。径流下切受径流的流速、水深、紊流状况、 水温、土壤质地、植被状况等因素影响， 可以 用质量守恒方程和变形方程表示:a 口_ _ _ _ _ _ _ _份 分= c . w g w + M, W + Mb 口一 C V , W 已3( 1 - 9 )(， 一 : )二 a z = 一 a Q , 十 、 b D + C w qor a s( 1 一 1 0 )式 中 ， Q , = Q C ， 是 泥 沙 流 量(m3/s )
15、， Q 是 径 流 量( m 3 / s ) ; C 是 平 均 体 积 含 沙 量 ; X 是 横 坐 标( m ) ; C W 是 侧向 来 沙 量; q w 是 侧向 径 流( m 2 / s ) ; M a 是 沟 床 产 沙 通 量( m / s ) ; 城是 沟 壁 产 沙 通量( m / s ) ; W A 径 流 宽( m ) : D 是 径 流 深( m ) ; V i i 沙 颗 粒的 沉 降 速 率 ( m / s ) ; z 是沟底高程 ( m) ; t 是时间( s ) ;。 为土壤孔隙度。 质量守恒方程 ( 公式1 - 9 ) 的左边是河道的泥沙收支， 右边第一项是
16、侧向来沙， 第二项是沟底起沙， 第三项是沟壁产沙， 最后一项是沉积。 变形方程 ( 公式1 - 1 0 )是根据收支平衡描述的沟底高程的变化。模型以质量守恒定律为基础，结合经验公式，充分考虑切沟侵蚀的诸多影响因素，在他们的 研究中 模拟切 沟发展过程形态参数的结果令人鼓舞。 试验结果表明， 临界剪切力T c r 最为 敏感， 其次是径流量。 但模型中最重要的假设条件是切沟的发展过程非常迅速，有待于利用航片进一步加以验证。静态模型:静态 模型 假设 最终沟底 和沟 壁形态 处 于一 种 平衡 态， 即 沟底高 程 ( z ) 和宽 度 ( W y ) 多年平均值恒定，则满足如下公式:日 2 动 =0( 1 - 1 1 )a w b l a r = 0( 1 - 1 2 )此公式忽略了沟底侵蚀和沉淀过程，即沟道泥沙通量不变:a q , l a X= 0( 1 - 1 3 )式中，q , = Q C I W， 为 沟道泥 沙通量.丫 为 沟道长 度。第一章 选题背景与国内外研究进展这是一种理想状态，即满足径流速度 ( U )小于切沟发生的临界流速 ( V
