基于自組織理論的黃土坡面細(xì)溝發(fā)育特征分析論文

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1、基于自組織理論的黃土坡面細(xì)溝發(fā)育特征分析論文摘要：結(jié)合作者提出的坡面發(fā)育自組織模型，本文對典型坡度條件下坡面的發(fā)育過程進(jìn)行了模擬，并重點(diǎn)分析了面蝕與溝蝕在坡面侵蝕中的關(guān)系，尤其是關(guān)于面蝕和溝蝕貢獻(xiàn)大小的轉(zhuǎn)化機(jī)理這樣一些過去無法預(yù)測的方面。結(jié)果表明，面蝕與溝蝕在侵蝕機(jī)理上有本質(zhì)的區(qū)別。當(dāng)坡度小于20°時(shí)，面蝕在總體侵蝕中所占的比例隨坡度的增大而迅速減小；當(dāng)坡度大于20°時(shí)，其減小速度隨坡度的繼續(xù)增加則明顯變緩。由面蝕為主向溝蝕為主的轉(zhuǎn)化過程之快慢，在土壤及降雨等條件一定時(shí)與坡面的坡度關(guān)系很大。15°以下的緩坡面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化的時(shí)刻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于20°以上的陡坡。這種差異可能是由于陡坡

2、發(fā)育過程中坡面破碎程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于緩坡所造成的。關(guān)鍵詞：黃土坡面細(xì)溝發(fā)育自組織模型面蝕溝蝕坡面發(fā)育過程中.freel·s；Kr，為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；ρ為水密度，單位為kg/m3；g為重力加速度，單位為m/s2；α為坡度；h0為雨滴落入坡面后在單元格上形成的徑流深度，單位為m;U為坡面水流速度，單位為m/s；L為流線長度，可以根據(jù)雨滴下落位置和下滲率及流速來計(jì)算，單位為m;fD為初入滲能力，單位為m/s；fc為穩(wěn)定入滲能力，單位為m/s；t為時(shí)間，單位為s；τ0為土壤顆粒被侵蝕啟動(dòng)的臨界剪切力，單位為N/m2；k為常數(shù)。式(1)中的各參數(shù)在前文5中已由20度黃土坡面發(fā)育實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。本文利

3、用自組織模型對一組投影面積為1.5m×5m，坡度分別為5°、10°、15°、20°、25°和30°的坡面在100分鐘，雨強(qiáng)為1mm/min的降雨條件下的坡面細(xì)溝發(fā)育及其伴隨的產(chǎn)沙過程進(jìn)行預(yù)測。由于降雨條件及坡面模型中投影面積未發(fā)生改變，模型中的有關(guān)參數(shù)不需要重新率定。坡度的改變會(huì)直接影響坡面流速。本文采用張科利在黃土坡面的實(shí)驗(yàn)觀測中確定流速與流量之間關(guān)系4U=2.81Q0.26J0.25(2)同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)測的流量，計(jì)算對應(yīng)于各種坡度情況下的流速。參數(shù)確定后，利用自組織模型對坡面細(xì)溝發(fā)育過程進(jìn)行模擬。模型中自降雨開始后每隔10min輸出一次坡面高程及相應(yīng)的侵蝕產(chǎn)沙量。根據(jù)張

4、科利等人2的研究，本文選擇侵蝕深度為1cm作為確定細(xì)溝的標(biāo)準(zhǔn)，即將各時(shí)段模型輸出的坡面高程與坡面原始高程相比，侵蝕深度大于1cm的標(biāo)記為細(xì)溝。據(jù)此，即可計(jì)算細(xì)溝的有關(guān)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果見圖1至圖6.圖1不同坡度條件下平均溝長的動(dòng)態(tài)變化圖2不同坡度條件下平均溝深的動(dòng)態(tài)變化圖3不同坡度條件下細(xì)溝條數(shù)的動(dòng)態(tài)變化圖4不同坡度條件下溝蝕總量的動(dòng)態(tài)變化圖5不同坡度條件下面侵蝕總量的動(dòng)態(tài)變化圖6不同坡度條件下侵蝕總量的動(dòng)態(tài)變化可以看出，5°～15°相對較緩的一組坡度以及20°～30°相對較陡的一組坡度大致反映了兩組不同的細(xì)溝發(fā)育過程規(guī)律。前者總體上在溝長、溝深、溝數(shù)、溝蝕量、總侵蝕量等方面的變

5、化較后者緩慢，這與以往的實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果是十分吻合的。2面蝕與溝蝕的對比關(guān)系在不考慮重力侵蝕的情況下，坡面的總侵蝕量為面蝕量和溝蝕量之和。當(dāng)已知坡面總侵蝕量、面蝕量和溝蝕量這三者之間任兩者之間的比例關(guān)系和第三者的侵蝕量之后，就可以計(jì)算出面蝕量和溝蝕量對坡面總侵蝕量的貢獻(xiàn)6。一般地，面蝕是指在坡面未形成輸運(yùn)通道之前的雨滴濺蝕和片流侵蝕，而溝蝕是指發(fā)生在溝道內(nèi)的侵蝕。將面蝕和溝蝕分離之后，就可能對面蝕和溝蝕過程進(jìn)行獨(dú)立的研究，并對不同的侵蝕過程采用相應(yīng)的防治措施。自組織模型有別于其它模型的一個(gè)重要特點(diǎn)就是能夠動(dòng)態(tài)地輸出坡面地形和侵蝕量，從而有效地將坡面產(chǎn)沙過程中的面蝕與溝蝕量區(qū)分開來

6、。利用自組織模型可以計(jì)算不同坡度情況下面蝕與溝蝕在坡面總侵蝕量中所占的比例(見圖7).從圖7可以看出，隨著坡度的增大面蝕在總侵蝕量中所占的比例迅速減小。面蝕量在5°坡面上為溝蝕的5倍多，而30°坡面上卻不足溝蝕的1/5，其原因是在坡度小的坡面上，水流薄而易分散，在坡面上形成漫流，而且由于水流速度較小，對坡面上土壤的拖曳力較小，不易在坡面上形成細(xì)溝，從而導(dǎo)致在緩坡上的面蝕過程緩慢，使得面蝕量與細(xì)溝侵蝕量的比值較大。相反在陡坡上，坡面侵蝕從面蝕到細(xì)溝侵蝕的轉(zhuǎn)變時(shí)間短，面蝕在侵蝕量中的比例減小，從而導(dǎo)致面蝕量與細(xì)溝侵蝕量的比值相對緩坡變小。圖7不同坡度面蝕量與細(xì)溝侵蝕量比值隨著坡度

7、的增大面蝕在整個(gè)侵蝕量中的比重越來越小，然而在一次降雨過程中面蝕與溝蝕的貢獻(xiàn)大小有一個(gè)轉(zhuǎn)化過程。從圖8可以看出，單位時(shí)間面蝕量在侵蝕初期較高，其后，隨著細(xì)溝的發(fā)育和坡面破碎程度的加劇，單位時(shí)間面蝕量逐步下降，并穩(wěn)定在50g/min左右。另一方面，單位時(shí)間溝蝕量則在整個(gè)侵蝕過程中都不斷增加，在降雨后30min左右超過了面蝕量，并最終遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡面侵蝕量。類似地，坡面累積溝蝕量在整個(gè)坡面發(fā)育過程中也逐漸超過累積面蝕量(見圖9).圖820°坡面單位時(shí)間溝蝕量與面蝕量變化過程圖920°坡面累積溝蝕量與面蝕量變化過