土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)制

前言

20世紀(jì)下半葉以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)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(kuò)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(wèn)題成為制約全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guó)具有特殊地形地貌特征和氣候特點(diǎn)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(wèn)題，也是中國(guó)之憂患。黃河流域生態(tài)環(huán)境的改善離不開(kāi)水土保持重大基礎(chǔ)理淪問(wèn)題的研究，其中土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)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(jī)理探討、流域生態(tài)過(guò)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(píng)價(jià)等提供理論支撐。土壤侵蝕過(guò)程包括坡面和流域兩個(gè)尺度，涉及土壤一森林植被大氣界面、坡地和流域三個(gè)生態(tài)過(guò)程的研究。三個(gè)生態(tài)過(guò)程的研究和機(jī)制的探析在于模型的構(gòu)建、措施的配置以及依托模型對(duì)配置措施的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)。此書(shū)是余新曉教授及其團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973項(xiàng)目）課題“森林植被對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的調(diào)控機(jī)理”等研究基礎(chǔ)上編著而成的。此書(shū)立足于“土壤侵蝕過(guò)程及其機(jī)制”這個(gè)重大基礎(chǔ)理論問(wèn)題和國(guó)際土壤侵蝕學(xué)科前沿，以大量翔實(shí)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合3S技術(shù)，采用動(dòng)力水文過(guò)程測(cè)定技術(shù)、景觀生態(tài)學(xué)測(cè)度方法及成熟的水文觀測(cè)方法，從坡面和不同尺度流域探討了土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)制，并構(gòu)建了相應(yīng)尺度的侵蝕模型，結(jié)合國(guó)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(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)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(shū)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(jī)理，同時(shí)又囊括了模型的構(gòu)建與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)等研究，不僅對(duì)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(shí)也會(huì)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(jià)值的參考，是以為序。

內(nèi)容概要

本書(shū)運(yùn)用水動(dòng)力學(xué)與侵蝕理論，以室內(nèi)人工降雨模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究森林植被影響下降雨雨滴動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立坡面流阻力系數(shù)公式、泥沙起動(dòng)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(guò)程與機(jī)制。在坡面土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)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(wú)定河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)分析流域降雨時(shí)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(yùn)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(bào)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(jìn)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(guò)程及侵蝕機(jī)制。    本書(shū)可供從事水土保持學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)的研究、管理人員及高等院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的師生參考。

書(shū)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(guò)程與機(jī)制    1.1.1 流域土壤侵蝕過(guò)程研究    1.1.2 森林植被防止坡面土壤侵蝕機(jī)理    1.1.3 土地利用／森林植被演變對(duì)流域侵蝕過(guò)程的影響    1.1.4 流域土壤侵蝕過(guò)程模擬    1.1.5 存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)  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(wú)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(dòng)力學(xué)過(guò)程    1.3.2 土地利用／土地覆被影響下的土壤侵蝕過(guò)程第2章  森林植被——坡面土壤侵蝕過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性分析  2.1 植被冠層對(duì)降雨侵蝕動(dòng)力學(xué)特性的影響      2.1.1 林冠降雨雨滴粒徑與雨強(qiáng)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(dòng)能和雨滴終速動(dòng)能  2.2 降雨條件下森林植被對(duì)坡面流水動(dòng)力特性的影響研究    2.2.1 坡面流流動(dòng)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(duì)坡面流阻力的影響  2.3 森林植被對(duì)坡面產(chǎn)沙過(guò)程的影響    2.3.1 不同處理坡面小區(qū)泥沙顆粒起動(dòng)規(guī)律    2.3.2 單顆粒泥沙起動(dòng)模式及受力分析    2.3.3 坡面泥沙起動(dòng)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(dòng)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(dòng)量方程  3.2 森林植被影響下坡面土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)模型    3.2.1 森林植被影響下土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)模型建立    3.2.2 森林植被影響下坡面土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)模型求解    3.2.3 模型驗(yàn)證  3.3 森林植被對(duì)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(dòng)態(tài)演變過(guò)程    4.1.1 土地利用／森林植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法    4.1.2 土地利用／森林植被時(shí)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(guò)程分析  4.2 流域土地利用／森林植被動(dòng)態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)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(jì)發(fā)展  4.3 流域土地利用／森林植被的景觀空間格局動(dòng)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(dòng)態(tài)變化第5章  流域降雨時(shí)空異質(zhì)性研究  5.1 流域降雨的統(tǒng)計(jì)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(chǎng)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(qiáng)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(jī)性研究  5.3 流域降雨空間變化的特征分析    5.3.1 不同類(lèi)型降雨的點(diǎn)面關(guān)系分析    5.3.2 降雨站點(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(duì)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(yùn)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(duì)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(guò)程隨尺度變化規(guī)律  7.1 流域洪水徑流和輸沙對(duì)降雨及其時(shí)空分布的尺度響應(yīng)研究    7.1.1 暴雨綜合類(lèi)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(guò)程的尺度效應(yīng)研究    7.2.1 流域洪水徑流及其變率對(duì)輸沙的影響    7.2.2 流域洪水侵蝕產(chǎn)沙過(guò)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(shí)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(yàn)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(jī)理的坡面侵蝕方程解析驗(yàn)證    8.2.3 土壤、植被生長(zhǎng)輸入?yún)?shù)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證  8.3 GeoWEPP模型對(duì)流域徑流和侵蝕產(chǎn)沙的模擬校準(zhǔn)與檢驗(yàn)    8.3.1 模型適用性的評(píng)價(jià)指標(biāo)    8.3.2 模型參數(shù)校準(zhǔn)和檢驗(yàn)  8.4 基于GeoWEPP模型的典型流域單元?jiǎng)澐旨皬搅髋c產(chǎn)沙模擬    8.4.1 GeoWEPP模型對(duì)流域徑流和輸沙模擬的運(yùn)行過(guò)程    8.4.2 GeoWEPP模型對(duì)典型流域單元的提取    8.4.3 GeoWEPP模型對(duì)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(lái)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(duì)比分析    8.5.2 典型流域單元森林覆蓋變化對(duì)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(duì)林分生長(zhǎng)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(jì)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(cè)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(jì)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(shí)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(wú)定河流域LUCC的水文生態(tài)響應(yīng)  10.1 無(wú)定河流域土地利用／森林植被格局演變及驅(qū)動(dòng)力分析    10.1.1 土地利用類(lèi)型圖的生成    10.1.2 流域土地利用／森林植被動(dòng)態(tài)變化    10.1.3 驅(qū)動(dòng)力分析  10.2 SWAT模型及數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建    10.2.1 SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建    10.2.2 SWAT模型敏感性分析及校準(zhǔn)驗(yàn)證    10.2.3 模型參數(shù)的校準(zhǔn)與驗(yàn)證  10.3 流域森林植被格局對(duì)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(dòng)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(cè)  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(wú)定河流域降雨徑流、產(chǎn)沙模型    10.4.2 無(wú)定河流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙計(jì)算和變化原因分析    10.4.3 無(wú)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(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 流域土壤侵蝕（水文生態(tài)）過(guò)程與機(jī)制土壤侵蝕作為全球的重大環(huán)境問(wèn)題，越來(lái)越受到世界各國(guó)政府及科技工作者的關(guān)注。土壤侵蝕過(guò)程是地球這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)水文生態(tài)過(guò)程中的一部分，土壤侵蝕中的泥沙運(yùn)移緊緊伴隨著水文循環(huán)過(guò)程，而生態(tài)過(guò)程又深刻影響著水文過(guò)程及泥沙輸移過(guò)程。地球表層系統(tǒng)中生態(tài)過(guò)程和水文過(guò)程相互耦合即為水文生態(tài)過(guò)程，它是地球表層系統(tǒng)發(fā)展和演化的基本過(guò)程。20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界人口快速增長(zhǎng)，全球變化背景下的土地利用／土地覆被變化對(duì)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(yùn)移無(wú)疑已經(jīng)極大地增加了（Janauer，2000）。同時(shí)，全球性的淡水資源危機(jī)日益凸顯，而且愈演愈烈。旱澇災(zāi)害頻繁，水污染問(wèn)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(jī)制的工程措施以及末端污染物的被動(dòng)處理、簡(jiǎn)單的植樹(shù)種草以及降低坡度等措施已經(jīng)不能應(yīng)對(duì)當(dāng)前全球性的淡水資源危機(jī)，都無(wú)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(wèn)題之一，使得水文過(guò)程與生態(tài)過(guò)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(guò)程的研究同樣離不開(kāi)水文過(guò)程和生態(tài)過(guò)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(guò)程為基本研究?jī)?nèi)容，通過(guò)對(duì)地表不同時(shí)空尺度的水文生態(tài)特征和水文生態(tài)過(guò)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(shí)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(guò)程研究最理想的空間尺度。流域水文生態(tài)過(guò)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(jī)體（superorganism），揭示這一超有機(jī)體在自然和人類(lèi)驅(qū)動(dòng)下的形成和演化過(guò)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(lèi)活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的干擾等有機(jī)地結(jié)合在一起。

編輯推薦

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