黄河砒砂岩区多动力复合侵蚀过程与机制_肖培青等著_9787550930919

本书在国家重点研发计划课题“砒砂岩区多动力复合侵蚀时空分异规律”(2017YFC0504501)等多项科技计划资助下，遵循“特征分析—过程判识—机理揭示”的研究思路，综合运用土壤侵蚀学、泥沙运动力学、自然地理、生态学等多学科理论，通过“反演―模拟”“点―面”结合、多源信息融合分析等多种研究手段，研发基于多源数据融合的水力-风力-冻融复合侵蚀实体模型相似模拟技术，明晰多动力复合侵蚀时空分布特征，辨识多动力复合侵蚀交互特征，揭示植被-复合侵蚀对粗泥沙产输的影响，在复合侵蚀区高强度产沙驱动机制及多因子作用贡献率等方面取得了系统认识，为黄河粗泥沙来源区水土流失治理及脆弱生态区生态文明建设提供了科技支撑。

黄河流域砒砂岩区土壤侵蚀剧烈，且为典型的水力、风力、冻融多动力复合侵蚀类型，研究其多动力复合侵蚀规律，对于揭示础砂岩区土壤侵蚀机制、制定相应的治理对策具有重要意义。

砒砂岩集中分布于内蒙古自治区鄂尔多斯市、陕西省府谷县及山西北部部分地区，其面积1.67万km2，该区域处于多种自然环境要素相互交错的过渡区，生态系统脆弱，具有水力、风力、冻融等多动力在时间上交替、在空间上叠加的侵蚀特征，在冬春季冻融、风化严重，到了夏秋季暴雨洪水多发，加之砒砂岩胶结程度差、结构松散，水力侵蚀剧烈，形成了与单一风力侵蚀或水力侵蚀不同的多动力复合侵蚀机制。冻融侵蚀导致砒砂岩表层酥松破碎，在重力作用下发生泻溜，形成堆积在坡脚的坡积裙，其冻融侵蚀量可以达到沟道产沙量的一半左右，大可达流域侵蚀量的1/3左右；风力侵蚀主要是大风作用于裸露基岩产生风积、风化，大量粗颗粒泥沙存储在坡面、沟道中，砒砂岩的年风化速度为1.5~3.6 mm.提供的风化物质达2250~5292t/（km2·a)；水力侵蚀使前期存储在那里的粗颗粒泥沙悬浮而被搬运，形成输送能力极强的高含沙水流。在风力-水力两相作用占优势的区域，风水交互作用通过对泥沙供应条件的调节，来控制悬移质泥沙中粗细颗粒的搭配关系，使之形成絮凝结构的浆液，降低粗颗粒泥沙的沉降速度，从而实现优组合，形成了高强度的粗泥沙输移机制。因此，砒砂岩区生态系统退化除与砒砂岩质地性质、人类活动有关外，还直接受制于复合侵蚀的驱动。多类侵蚀子过程交互叠加，共同构成了复杂的土壤侵蚀系统，使这一地区成为黄河粗泥沙集中来源的核心区，其区域土壤侵蚀模数达30000~40000t/（km2·a），虽然其面积仅占黄河流域面积的2%，但产生的粗泥沙占黄河下游淤积量的25%，对黄河的防洪构成了极大的威胁。

然而，多动力复合侵蚀规律的研究是一项复杂的科学问题。复合侵蚀不是多种单一侵蚀过程的简单线性相加，而是一个多动力侵蚀相互耦合的复杂体系。风力侵蚀对地表物质的冲击、摩擦，使地表粗化，改变土壤粒度组成，结构发生破坏，抗蚀力降低而为水力侵蚀的发生提供了边界条件。而水力侵蚀对地表的冲刷及雨滴击溅，又为风力侵蚀提供了新的风化层。冻融可以引起土壤理化性质变化，使土壤结构遭到破坏，孔隙率增大，容重降低，不仅为风力侵蚀、水力侵蚀提供了物质条件，而且由于冻融使土壤抗剪强度和土壤抗蚀力减弱、水稳性团聚体含量降低，还会相对增加风力侵蚀、水力侵蚀的力学作用，使土壤更容易遭受外营力侵蚀。可见，复合侵蚀过程中各侵蚀子过程间具有交互效应，多种驱动因子间通过、水流、风沙流、侵蚀物质等媒介发生耦合作用，但受研究手段和观测方法的限制，其各自的贡献率尚无法直接测量，研究复合侵蚀规律面临着理论、方的多项挑战。复合侵蚀会导致生态严重退化，同时其发生地区也往往是生态环境脆弱区，因此多动力复合侵蚀现象及其危害早已为人们所注意，成为水土保持与生态治理研究的热点领域和前沿科学问题，是国家生态文明建设重大战略实施的迫切科技需求。

因此，将水力-风力-冻融作为一个完整的动力耦合系统，揭示砒砂岩区多动力胁迫下生态系统退化与复合侵蚀耦合机制，建立系统的多动力复合侵蚀与侵蚀产沙耦合关系辨识方法，突破复合侵蚀模拟理论与技术，由此推动复合侵蚀研究由定性向定量、由过程向机制方向的发展，是十分迫切和必要的。为此，科技部将“砒砂岩区多动力复合侵蚀时空分异规律”（编号：2017YFC050450pan>）列为国家研发计划课题，并得到国家自然科学面上项目“砒砂岩区坡面水力、风力、冻融交替侵蚀作用机制”（编号：41877079）、中国博士后科学面上项目“砒砂岩区多动力互作的坡面侵蚀过程与机制”（编号：2018M630826）、中国博士后科学特助项目“砒砂岩区侵蚀交互特征对粗泥沙产输过程的作用机制”（编号：2019T120627）资助，对黄河砒砂岩区复合侵蚀的发展过程开展系统研究。本书以“特征分析一过程判识一机制揭示”的学术思路，综合运用土壤侵蚀学、泥沙运动力学、自然地理、生态学等多学科理论，将传统土壤侵蚀问题延伸到环境科学领域，通过“反演一模拟”“点—面”结合、多源信息融合分析的方法，研究多动力复合侵蚀时空分布特征；利用相似原理和土壤侵蚀动力学、泥沙运动力学的基本理论，结合野外径流小区定位观测，融合水力模拟、风力模拟、冻融模拟等技术与方法，攻克基于多源数据融合的水力-风力-冻融复合侵蚀实体模型相似模拟技术，研究多动力复合侵蚀交互特征，分析水力、风力、冻融等驱动因子的动力学参数与土壤侵蚀的关系；基于多尺度遥感解析，结合不同类型区野外观测、室内外模拟试验与地面调查数据，辨识砒砂岩区不同侵蚀类型植被覆盖特征值，明晰复合侵蚀时空分异规律，揭示植被复合侵蚀对粗泥沙产输的影响，破解砒砂岩区高强度产沙的侵蚀动力机制。

本书是研究团年来承担的多个项目研究成果结。全书共分7章，第pan>章绪论，由姚文艺、肖培青、张攀执笔；第2章砒砂岩区侵蚀环境特征，由任宗萍、付金霞、何厚军执笔；第3章砒砂岩多动力复合侵蚀模拟技术，由肖培青、姚文艺、杨春霞执笔；第4章砒砂岩区水力-风力-冻融复合侵蚀规律，由付金霞、张攀、、何厚军执笔；第5章砒砂岩区多动力复合侵蚀机制，由杨春霞、肖培青、执笔；第6章砒砂岩区植被-复合侵蚀-粗泥沙产输效应，由张攀、任宗萍、何厚军、执笔；第7章结论，由肖培青、姚文艺、张攀执笔。全书由肖培青、姚文艺统稿。

本书的撰写得到了何兴照、史学建等专家的指导和帮助，参加研究的人员还有：王志慧、孔祥兵、申震洲、孙维营、齐雁冰、张宝利、卫午毓、高玄娜、谢梦瑶、杨玉春、吴娟、马晓妮、张星、马勇勇、周壮壮等。研究过程中，项目组全体研究人员密切配合，团结协作，圆满完成了研究任务，在此对他们表示诚挚的感谢！

限于作者，加之砒砂岩区复合侵蚀问题复杂，还有不少问题需要深化研究，因而书中欠妥之处敬请读者批评指正。

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