基于自組織理論的黃土坡面細(xì)溝發(fā)育特征分析(1)

1、    基于自組織理論的黃土坡面細(xì)溝發(fā)育特征分析(1)    結(jié)合作者提出的坡面發(fā)育自組織模型，本文對(duì)典型坡度條件下坡面的發(fā)育過(guò)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(guò)去無(wú)法預(yù)測(cè)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??；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(guò)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)

2、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發(fā)育過(guò)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(guò)程中，細(xì)溝是如何從無(wú)到有?其發(fā)育過(guò)程具有什么特點(diǎn)?坡面形態(tài)如何變化?伴隨著細(xì)溝發(fā)育，面蝕量與溝蝕量的對(duì)比關(guān)系如何變化?這些都是細(xì)溝侵蝕研究的重內(nèi)容。坡面上的細(xì)溝由紋溝發(fā)育而來(lái)，沒(méi)有固定的流路，縱剖面與坡面一致，橫剖面呈“V”形或箱形，是坡面泥沙的主來(lái)源和輸送渠道1。目前，相關(guān)的研究主集中在細(xì)溝產(chǎn)生的臨界條件、影響細(xì)溝產(chǎn)沙的因素、細(xì)溝的產(chǎn)沙過(guò)程及細(xì)溝形態(tài)與其影響因素間的關(guān)系等方

3、面。相應(yīng)地，細(xì)溝侵蝕發(fā)生與發(fā)展2多用一些水力指標(biāo)，如徑流深、流量和弗羅德數(shù)等來(lái)界定；影響細(xì)溝產(chǎn)沙的因素主有土壤臨界切應(yīng)力、水流的有效切應(yīng)力和土壤管理因子等3；細(xì)溝形態(tài)則主受坡度和徑流深的控制4。然而，由于測(cè)量手段的限制及研究方法的局限性，在這些研究中大都簡(jiǎn)化了細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程，多將細(xì)溝在整個(gè)產(chǎn)沙過(guò)程中按靜態(tài)處理，或根據(jù)細(xì)溝形態(tài)變化的實(shí)測(cè)結(jié)果與侵蝕動(dòng)力變量建立簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，從而無(wú)法定量地揭示細(xì)溝發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理，也不易反映面蝕與溝蝕的轉(zhuǎn)化機(jī)制。鑒于此，本文利用前面驗(yàn)證過(guò)的自組織模型對(duì)細(xì)溝發(fā)育過(guò)程和產(chǎn)沙動(dòng)態(tài)變化過(guò)程規(guī)律進(jìn)行定量的分析。1 細(xì)溝發(fā)育過(guò)程模擬在坡面發(fā)育過(guò)程中，降雨及坡面微地貌是系統(tǒng)的無(wú)序

4、輸入，而紋溝、細(xì)溝和溝網(wǎng)等則對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的有序輸出。利用自組織模型中無(wú)序輸入與有序輸出之間的正反饋關(guān)系，可以動(dòng)態(tài)地模擬細(xì)溝發(fā)育及坡面產(chǎn)沙過(guò)程。模型中采用侵蝕產(chǎn)沙公式5    Dr=Krgh0-L/UfD (fc-fD)e-kttansin-Krc    (1)式中：Dr為土壤侵蝕率，單位為kg/m·s；Kr，為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；為水密度，單位為kg/m3；g為重力加速度，單位為m/s2；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(zhǎng)度，可以根據(jù)雨滴下落位置

5、和下滲率及流速來(lái)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；0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。本文利用自組織模型對(duì)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(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)。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)不需重新率定。坡度的改變會(huì)直

6、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(cè)中確定流速與流量之間關(guān)系4    J    (2)同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)測(cè)的流量，計(jì)算對(duì)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(duì)坡面細(xì)溝發(fā)育過(guò)程進(jìn)行模擬。模型中自降雨開(kāi)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(jiàn)圖1至圖6.   &#

7、160;        圖1 不同坡度條件下平均溝長(zhǎng)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        

8、0;   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(duì)較緩的一組坡度以及20°30°相對(duì)較陡的一組坡度大致反映了兩組不同的細(xì)溝發(fā)育過(guò)程規(guī)律。前者總體上在溝長(zhǎng)、溝深、溝數(shù)、溝蝕量、總侵蝕量等方面的變化較后者緩慢，這與以往的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果是十分吻合的。            摘結(jié)合作者提出的坡面發(fā)育自組織模型

9、，本文對(duì)典型坡度條件下坡面的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行了模擬，并重點(diǎn)分析了面蝕         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。    2 面蝕與溝蝕的對(duì)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(duì)坡面

10、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(duì)面蝕和溝蝕過(guò)程進(jìn)行獨(dú)立的研究，并對(duì)不同的侵蝕過(guò)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(guò)程中的面蝕與溝蝕量區(qū)分開(kāi)來(lái)。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(jiàn)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

11、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(duì)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(guò)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(duì)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的增大面蝕在整個(gè)侵蝕量中的比重越來(lái)越小，然而在一次降雨過(guò)程中面蝕與溝蝕的貢獻(xiàn)大小有一個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程。從圖8可以看出，單位時(shí)間面

12、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(guò)程中都不斷增加，在降雨后30min左右超過(guò)了面蝕量，并最終遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡面侵蝕量。類(lèi)似地，坡面累積溝蝕量在整個(gè)坡面發(fā)育過(guò)程中也逐漸超過(guò)累積面蝕量(見(jiàn)圖9).            圖8 20°坡面單位時(shí)間溝蝕量與面蝕量變化過(guò)程    圖9 20°坡面累積溝蝕量與面蝕量變化

13、過(guò)程從坡面發(fā)育的過(guò)程來(lái)看，各坡度面蝕與溝蝕量的變化過(guò)程基本類(lèi)似，在坡面侵蝕的初期以面蝕為主，其后隨著細(xì)溝的形成與發(fā)展，細(xì)溝產(chǎn)沙量逐漸增加并成為坡面產(chǎn)沙的主來(lái)源。在這個(gè)由面蝕為主向以溝蝕為主的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，坡度的影響十分重。坡度增大時(shí)，水流速度加大，細(xì)溝侵蝕的發(fā)展速度加快，面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化的速度較快。反之，變化過(guò)程就相對(duì)較慢。確定各種坡度條件下面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化的臨界時(shí)間有助于把握不同階段坡面產(chǎn)沙的主矛盾，從而便于有針對(duì)性地制訂防治措施。在整個(gè)坡面發(fā)育過(guò)程中，可以用兩個(gè)特征時(shí)間來(lái)描述面蝕向溝蝕的轉(zhuǎn)化過(guò)程：一個(gè)是單位時(shí)間細(xì)溝侵蝕量與單位時(shí)間面蝕量趨于相同時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間Tcr1，另一個(gè)是在整個(gè)侵蝕過(guò)程中累積細(xì)

14、溝侵蝕量與累積面蝕量趨于相同時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間Tcr2。Tcr1與Tcr2cr1和Tcr2隨坡度的變化趨勢(shì)大致相同。在5°坡，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中面蝕都是決定坡面侵蝕的主方面；對(duì)于10°與15°坡的情形，Tcr1相應(yīng)于模擬降雨后50min左右，Tcr2相應(yīng)于8090min左右；對(duì)于20°以上的陡坡，Tcr1小于30min，Tcr2為50min左右。由此可見(jiàn)，在面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，陡坡與緩坡的變化規(guī)律存在很大差異。造成這種差異的原因在于不同坡度下的細(xì)溝發(fā)育過(guò)程的不同。由圖1至圖3可以看出，在坡面的細(xì)溝發(fā)育過(guò)程中，溝長(zhǎng)主受坡長(zhǎng)限制，在發(fā)育到“無(wú)侵蝕區(qū)”之前，細(xì)溝有著

15、充分的發(fā)育空間，與坡度的關(guān)系不大；而細(xì)溝的溝深受侵蝕基準(zhǔn)面的限制，最終發(fā)育至3cm左右，受坡度的影響也不大。從反映坡面破碎程度的細(xì)溝條數(shù)變化過(guò)程來(lái)看，陡坡與緩坡有著明顯的差異。對(duì)于緩坡而言，細(xì)溝條數(shù)在坡面發(fā)育過(guò)程中的增加速度基本保持穩(wěn)定，同時(shí)細(xì)溝條數(shù)也較少；陡坡上的細(xì)溝條數(shù)明顯高于緩坡，并且在降雨50min內(nèi)的增加速度很快。進(jìn)一步對(duì)不同坡度的細(xì)溝條數(shù)發(fā)育過(guò)程進(jìn)行聚類(lèi)分析，可以發(fā)現(xiàn)5°、10°和15°坡面屬于一類(lèi)，而20°以上的坡面則屬于另一類(lèi)。由此可見(jiàn)，陡、緩坡下細(xì)溝條數(shù)(坡面破碎程度)發(fā)育過(guò)程的不同正是導(dǎo)致面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化速度不同的原因。 &#

16、160;          圖10 不同坡度主侵蝕類(lèi)型轉(zhuǎn)化時(shí)刻    圖11 各坡度細(xì)溝條數(shù)發(fā)育過(guò)程聚類(lèi)3 結(jié)論應(yīng)用基于自組織思想的坡面細(xì)溝侵蝕模型，對(duì)黃土坡面細(xì)溝發(fā)育及侵蝕的過(guò)程進(jìn)行了定量模擬，初步揭示了黃土坡面細(xì)溝發(fā)育的特征，主結(jié)論如下。(1)利用自組織模型中無(wú)序輸入與有序輸出之間的正反饋關(guān)系，可以動(dòng)態(tài)地模擬細(xì)溝發(fā)育及坡面產(chǎn)沙過(guò)程，并有效地將坡面產(chǎn)沙過(guò)程中面蝕與溝蝕量區(qū)分，這是坡面侵蝕在理論研究方面的一個(gè)進(jìn)展。(2)面蝕在整個(gè)侵蝕過(guò)程中的貢獻(xiàn)隨坡面坡度

17、的增大而迅速減小。在緩坡坡面上面蝕作用遠(yuǎn)較溝蝕作用為大，但在陡坡坡面上則明顯較溝蝕作用為小。            摘結(jié)合作者提出的坡面發(fā)育自組織模型，本文對(duì)典型坡度條件下坡面的發(fā)育過(guò)程進(jìn)行了模擬，并重點(diǎn)分析了面蝕         本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法

18、權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。(3)坡面侵蝕由面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化的快慢與坡面坡度的大小有密切關(guān)系，轉(zhuǎn)化的快慢可以通過(guò)單位時(shí)間面蝕量與溝蝕量趨同的臨界時(shí)間Tcr1以及累積面蝕量與溝蝕量趨同的臨界時(shí)間Tcr2來(lái)表征。Tcr1和Tcr2隨坡度具有類(lèi)似的變化規(guī)律，但在坡度小于20°和大于20°兩種條件下的變化趨勢(shì)有明顯不同。參 考 文 獻(xiàn)：1 唐克麗，孫清芳。杏子河流域坡耕地水土流失及其防止J。水土保持通報(bào)，1983，3(5)：43-48.2 張科利，秋吉康宏。坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生的臨界水力條件研究J。土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1998，4(1)：41-46.3 鄭粉莉，唐克麗，張成娥。降雨動(dòng)能對(duì)坡耕地細(xì)溝侵蝕影響的研究J。人民黃河，19