土壤侵蝕過程與機制

前言

20世紀(jì)下半葉以來，隨著世界經(jīng)濟高速發(fā)展，全球自然資源以前所未有的速度急劇消耗，土地資源不斷減少且質(zhì)量持續(xù)下降，水資源日益短缺，森林赤字逐漸擴大，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，生物多樣性銳減，災(zāi)害頻發(fā)。這些問題成為制約全球社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素，也引起全世界的普遍關(guān)注。黃土高原是我國具有特殊地形地貌特征和氣候特點的區(qū)域，其土地退化、水資源失衡和水土流失嚴(yán)重成為黃河流域面臨的重大問題，也是中國之憂患。黃河流域生態(tài)環(huán)境的改善離不開水土保持重大基礎(chǔ)理淪問題的研究，其中土壤侵蝕過程與機制的研究更是基礎(chǔ)之基礎(chǔ)，其為土壤侵蝕模型研究、水土保持措施防蝕機理探討、流域生態(tài)過程和水土保持措施配置、大尺度水土流失和水土保持的格局與規(guī)律以及水土流失與水土保持環(huán)境效應(yīng)評價等提供理論支撐。土壤侵蝕過程包括坡面和流域兩個尺度，涉及土壤一森林植被大氣界面、坡地和流域三個生態(tài)過程的研究。三個生態(tài)過程的研究和機制的探析在于模型的構(gòu)建、措施的配置以及依托模型對配置措施的環(huán)境效應(yīng)評價。此書是余新曉教授及其團隊在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（973項目）課題“森林植被對土壤侵蝕過程的調(diào)控機理”等研究基礎(chǔ)上編著而成的。此書立足于“土壤侵蝕過程及其機制”這個重大基礎(chǔ)理論問題和國際土壤侵蝕學(xué)科前沿，以大量翔實的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合3S技術(shù)，采用動力水文過程測定技術(shù)、景觀生態(tài)學(xué)測度方法及成熟的水文觀測方法，從坡面和不同尺度流域探討了土壤侵蝕過程與機制，并構(gòu)建了相應(yīng)尺度的侵蝕模型，結(jié)合國際流行的土壤侵蝕分布式模型，分析了水土保持措施和土地利用格局配置模式，評價和預(yù)測了不同尺度水土保持措施布局下的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。此書深刻剖析了坡面和流域在森林植被等措施影響下的土壤侵蝕機理，同時又囊括了模型的構(gòu)建與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評價等研究，不僅對水土保持、土壤侵蝕和生態(tài)學(xué)等學(xué)科教學(xué)和科研人員頗有裨益，同時也會為地理、環(huán)境和景觀生態(tài)等領(lǐng)域的研究和管理人員提供有價值的參考，是以為序。

內(nèi)容概要

本書運用水動力學(xué)與侵蝕理論，以室內(nèi)人工降雨模擬試驗為基礎(chǔ)，研究森林植被影響下降雨雨滴動能、坡面薄層水流流態(tài)、坡面流阻力系數(shù)變化規(guī)律、坡面流泥沙運動規(guī)律，建立坡面流阻力系數(shù)公式、泥沙起動臨界剪切力公式，坡面流侵蝕數(shù)學(xué)模型，以探討坡面土壤侵蝕過程與機制。在坡面土壤侵蝕過程與機理研究基礎(chǔ)上，以黃土丘陵溝壑區(qū)的甘肅省天水市典型流域及更大尺度的無定河流域為研究對象，通過分析流域降雨時空變化、景觀格局演變及地形地貌分形特征，辨析流域水沙運移規(guī)律及其尺度分異規(guī)律；研究流域地形地貌分維與侵蝕產(chǎn)沙的耦合關(guān)系；基于土壤侵蝕預(yù)報模型WEPP和水文模型SWAT，研究各尺度流域土地利用／森林植被變化下的水文生態(tài)響應(yīng)，進而探討土地利用／森林植被變化影響下多尺度流域水文生態(tài)過程及侵蝕機制。    本書可供從事水土保持學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、泥沙運動力學(xué)等專業(yè)的研究、管理人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

書籍目錄

序前言第1章  緒論  1.1 流域土壤侵蝕（水文生態(tài)）過程與機制    1.1.1 流域土壤侵蝕過程研究    1.1.2 森林植被防止坡面土壤侵蝕機理    1.1.3 土地利用／森林植被演變對流域侵蝕過程的影響    1.1.4 流域土壤侵蝕過程模擬    1.1.5 存在的問題及發(fā)展趨勢  1.2 研究區(qū)概況    1.2.1 甘肅天水研究區(qū)概況    1.2.2 無定河流域概況  1.3 研究方法    1.3.1 森林植被影響下坡面土壤侵蝕動力學(xué)過程    1.3.2 土地利用／土地覆被影響下的土壤侵蝕過程第2章  森林植被——坡面土壤侵蝕過程動力學(xué)特性分析  2.1 植被冠層對降雨侵蝕動力學(xué)特性的影響      2.1.1 林冠降雨雨滴粒徑與雨強的關(guān)系    2.1.2 林冠降雨雨滴粒徑分布曲線    2.1.3 林冠降雨雨滴體積累積分布曲線及雨滴分布模型    2.1.4 林冠降雨雨滴動能和雨滴終速動能  2.2 降雨條件下森林植被對坡面流水動力特性的影響研究    2.2.1 坡面流流動型態(tài)的確定和判別    2.2.2 坡面流流速及其影響因素分析    2.2.3 森林植被對坡面流阻力的影響  2.3 森林植被對坡面產(chǎn)沙過程的影響    2.3.1 不同處理坡面小區(qū)泥沙顆粒起動規(guī)律    2.3.2 單顆粒泥沙起動模式及受力分析    2.3.3 坡面泥沙起動臨界剪切力研究第3章  森林植被影響條件下坡面土壤侵蝕動力學(xué)模型  3.1 森林植被影響下坡面產(chǎn)流模型    3.1.1 坡面流連續(xù)方程    3.1.2 降雨條件下坡面小區(qū)坡面流動量方程  3.2 森林植被影響下坡面土壤侵蝕動力學(xué)模型    3.2.1 森林植被影響下土壤侵蝕動力學(xué)模型建立    3.2.2 森林植被影響下坡面土壤侵蝕動力學(xué)模型求解    3.2.3 模型驗證  3.3 森林植被對坡面流侵蝕影響模擬第4章  流域土地利用／森林植被景觀格局演變  4.1 流域土地利用／森林植被動態(tài)演變過程    4.1.1 土地利用／森林植被動態(tài)監(jiān)測方法    4.1.2 土地利用／森林植被時空變化    4.1.3 土地利用／森林植被變化分析模型    4.1.4 土地利用／森林植被變化過程分析  4.2 流域土地利用／森林植被動態(tài)變化的驅(qū)動力分析    4.2.1 自然因素    4.2.2 人口因素    4.2.3 政策因素    4.2.4 經(jīng)濟發(fā)展  4.3 流域土地利用／森林植被的景觀空間格局動態(tài)變化分析    4.3.1 景觀單元特征指數(shù)的提取及生態(tài)意義    4.3.2 研究流域土地利用景觀格局動態(tài)變化第5章  流域降雨時空異質(zhì)性研究  5.1 流域降雨的統(tǒng)計分析    5.1.1 流域降水量的年際、年內(nèi)分布規(guī)律    5.1.2 流域侵蝕性場降雨雨型分析  5.2 流域降雨空間分布的不均勻性研究    5.2.1 降雨不均性指標(biāo)確定    5.2.2 流域次降雨量空間分布不均勻性研究    5.2.3 流域次降雨雨強空間分布不均勻性研究    5.2.4 流域暴雨中心發(fā)生的隨機性研究  5.3 流域降雨空間變化的特征分析    5.3.1 不同類型降雨的點面關(guān)系分析    5.3.2 降雨站點的空間相關(guān)性第6章  流域土地利用／森林植被變化下的水沙運移尺度效應(yīng)  6.1 羅玉溝流域土地利用／森林植被變化下的水沙運移規(guī)律    6.1.1 年徑流、輸沙規(guī)律    6.1.2 月徑流、輸沙規(guī)律    6.1.3 洪水徑流、輸沙規(guī)律  6.2 呂二溝流域土地利用／森林植被變化下的水沙運移規(guī)律    6.2.1 年徑流、輸沙規(guī)律    6.2.2 月徑流、輸沙規(guī)律    6.2.3 洪水徑流和輸沙規(guī)律分析  6.3 橋子溝流域土地利用／森林植被變化下的水沙運移規(guī)律    6.3.1 徑流、輸沙年變化    6.3.2 徑流、輸沙年內(nèi)變化    6.3.3 土地利用／土地覆被變化對洪水徑流的影響  6.4 土地利用／森林植被變化下流域水沙運移的尺度分異規(guī)律研究    6.4.1 流域土地利用／森林植被變化下的理水減沙尺度效應(yīng)研究    6.4.2 流域森林植被變化對理水減沙的響應(yīng)分析第7章  流域土地利用／森林植被變化下洪水徑流及輸沙過程隨尺度變化規(guī)律  7.1 流域洪水徑流和輸沙對降雨及其時空分布的尺度響應(yīng)研究    7.1.1 暴雨綜合類型的降雨特征值與洪水徑流、輸沙關(guān)系分析    7.1.2 A型暴雨下降雨特征值與洪水徑流、輸沙關(guān)系分析    7.1.3 B型暴雨下降雨特征值與洪水徑流、輸沙關(guān)系分析    7.1.4 C型暴雨下降雨特征值與洪水徑流、輸沙關(guān)系分析  7.2 流域洪水徑流和輸沙過程的尺度效應(yīng)研究    7.2.1 流域洪水徑流及其變率對輸沙的影響    7.2.2 流域洪水侵蝕產(chǎn)沙過程隨尺度變化規(guī)律研究  7.3 流域洪水含沙量的尺度分異及洪水穩(wěn)定含沙量規(guī)律研究    7.3.1 流域洪水流量與含沙量的尺度分異規(guī)律研究    7.3.2 流域洪水衰退時的穩(wěn)定含沙量分析第8章  基于WEPP模型的多尺度流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙模擬  8.1 WEPP模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)率定    8.1.1 WEPP模型的結(jié)構(gòu)    8.1.2 GeowEPP參數(shù)率定及數(shù)據(jù)輸入  8.2 WEPP模型在研究區(qū)的適用性檢驗及輸人參數(shù)校正    8.2.1 CLIGEN生成氣候數(shù)據(jù)的精度分析    8.2.2 WEPP模型基于土壤侵蝕機理的坡面侵蝕方程解析驗證    8.2.3 土壤、植被生長輸入?yún)?shù)的校準(zhǔn)和驗證  8.3 GeoWEPP模型對流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙的模擬校準(zhǔn)與檢驗    8.3.1 模型適用性的評價指標(biāo)    8.3.2 模型參數(shù)校準(zhǔn)和檢驗  8.4 基于GeoWEPP模型的典型流域單元劃分及徑流與產(chǎn)沙模擬    8.4.1 GeoWEPP模型對流域徑流和輸沙模擬的運行過程    8.4.2 GeoWEPP模型對典型流域單元的提取    8.4.3 GeoWEPP模型對典型流域單元徑流和輸沙的模擬    8.4.4 典型流域單元徑流和泥沙來源分析  8.5 基于GeowEEP模型的典型流域單元水文生態(tài)響應(yīng)情景分析一    8.5.1 不同降水水平年典型流域單元侵蝕產(chǎn)沙對比分析    8.5.2 典型流域單元森林覆蓋變化對徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響分析    8.5.3 典型流域單元徑流和侵蝕產(chǎn)沙對林分生長階段的響應(yīng)分析第9章  土地利用／森林植被變化下的流域地形特征與侵蝕產(chǎn)沙耦合關(guān)系  9.1 典型流域單元地貌形態(tài)分形維數(shù)計算    9.1.1 分形理論概述    9.1.2 地形地貌分維的地學(xué)意義    9.1.3 流域地貌形態(tài)特征分形維數(shù)的GIS模型測定方法    9.1.4 典型流域單元地貌形態(tài)特征分形維數(shù)計算與分析  9.2 流域地貌信息維數(shù)與侵蝕產(chǎn)沙的耦合關(guān)系    9.2.1 典型流域單元徑流深與輸沙模數(shù)關(guān)系    9.2.2 典型流域單元地形分維與年輸沙模數(shù)關(guān)系    9.2.3 典型流域單元地形分維與年徑流輸沙的耦合關(guān)系  9.3 流域泥沙輸移的分形特征及尺度轉(zhuǎn)換    9.3.1 流域泥沙輸移比的時空分異    9.3.2 流域泥沙輸移比的影響因子分析    9.3.3 流域泥沙輸移比的分形特征    9.3.4 流域泥沙輸移比的尺度轉(zhuǎn)換研究  9.4 森林植被／土地利用變化下的流域徑流和輸沙尺度轉(zhuǎn)換    9.4.1 典型流域單元森林植被／土地利用變化特征值提取    9.4.2 森林植被／土地利用變化下的流域徑流和輸沙尺度轉(zhuǎn)換第10章  基于SWAT模型的無定河流域LUCC的水文生態(tài)響應(yīng)  10.1 無定河流域土地利用／森林植被格局演變及驅(qū)動力分析    10.1.1 土地利用類型圖的生成    10.1.2 流域土地利用／森林植被動態(tài)變化    10.1.3 驅(qū)動力分析  10.2 SWAT模型及數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建    10.2.1 SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建    10.2.2 SWAT模型敏感性分析及校準(zhǔn)驗證    10.2.3 模型參數(shù)的校準(zhǔn)與驗證  10.3 流域森林植被格局對徑流、侵蝕產(chǎn)沙的影響    10.3.1 流域降水、徑流和產(chǎn)沙的動態(tài)變化    10.3.2 流域森林植被格局演變影響下的侵蝕產(chǎn)沙模擬    10.3.3 流域不同森林植被格局下的侵蝕產(chǎn)沙預(yù)測  10.4 水土保持生態(tài)建設(shè)措施的減水減沙效益分析    10.4.1 無定河流域降雨徑流、產(chǎn)沙模型    10.4.2 無定河流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙計算和變化原因分析    10.4.3 無定河流域水土保持生態(tài)建設(shè)措施減水減沙效益分析參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 流域土壤侵蝕（水文生態(tài)）過程與機制土壤侵蝕作為全球的重大環(huán)境問題，越來越受到世界各國政府及科技工作者的關(guān)注。土壤侵蝕過程是地球這個復(fù)雜系統(tǒng)水文生態(tài)過程中的一部分，土壤侵蝕中的泥沙運移緊緊伴隨著水文循環(huán)過程，而生態(tài)過程又深刻影響著水文過程及泥沙輸移過程。地球表層系統(tǒng)中生態(tài)過程和水文過程相互耦合即為水文生態(tài)過程，它是地球表層系統(tǒng)發(fā)展和演化的基本過程。20世紀(jì)70年代以來，世界人口快速增長，全球變化背景下的土地利用／土地覆被變化對局地、區(qū)域以及全球氣候都產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響。世界范圍內(nèi)，由于土地覆蓋變化而引起的土壤損失和退化以及沉積物運移無疑已經(jīng)極大地增加了（Janauer，2000）。同時，全球性的淡水資源危機日益凸顯，而且愈演愈烈。旱澇災(zāi)害頻繁，水污染問題突出，水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，使本就脆弱的生態(tài)、環(huán)境不斷惡化。而傳統(tǒng)的基于“需求管理”的水資源管理模式和基于水文機制的工程措施以及末端污染物的被動處理、簡單的植樹種草以及降低坡度等措施已經(jīng)不能應(yīng)對當(dāng)前全球性的淡水資源危機，都無法解決這一難題。在此背景下，全球水文循環(huán)中的生態(tài)作用成為核心問題之一，使得水文過程與生態(tài)過程耦合研究成為水文科學(xué)最為活躍的領(lǐng)域（Covich，1993；劉昌明，1999），而土壤侵蝕過程的研究同樣離不開水文過程和生態(tài)過程的耦合研究。20世紀(jì)90年代，正式提出的水文生態(tài)學(xué)這一交叉學(xué)科就是以水文生態(tài)過程為基本研究內(nèi)容，通過對地表不同時空尺度的水文生態(tài)特征和水文生態(tài)過程的探討，尋求和建立地球表層系統(tǒng)可持續(xù)的水文生態(tài)模式，實現(xiàn)水資源和水環(huán)境的可持續(xù)管理（嚴(yán)登華，2001；zalewski，1997）。流域是水文響應(yīng)的基本單元，也是水文水資源研究的基本單元，因而成為水文生態(tài)過程研究最理想的空間尺度。流域水文生態(tài)過程研究就是將流域水文和流域生物區(qū)系（尤其是植被）在流域空間上加以整合，形成超有機體（superorganism），揭示這一超有機體在自然和人類驅(qū)動下的形成和演化過程（Zalewski，2000），從而將流域的生態(tài)學(xué)屬性、水文學(xué)特征、自然和人類活動對流域生態(tài)系統(tǒng)的干擾等有機地結(jié)合在一起。

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《土壤侵蝕過程與機制》可供從事水土保持學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、泥沙運動力學(xué)等專業(yè)的研究、管理人員及高等院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

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