基于自組織理論的黃土坡面細溝發(fā)育特征分析

1、基于自組織理論的黃土坡面細溝發(fā)育特征分析         06-02-22 15:17:00     作者：倪晉仁1，2，韓 鵬    編輯：studa9ngns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)育過程進行了模擬，并重點分析了面蝕與溝蝕在坡面侵蝕中的關系，尤其是關于面蝕和溝蝕貢獻大小的轉(zhuǎn)化機理這樣一些過去無法預測的方面。結(jié)果表明，面蝕與溝蝕在侵蝕機理上有本質(zhì)的區(qū)別。當坡度小于20°時，面蝕在總

2、體侵蝕中所占的比例隨坡度的增大而迅速減?。划斊露却笥?0°時，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與坡面的坡度關系很大。15°以下的緩坡面蝕向溝蝕轉(zhuǎn)化的時刻遠遠滯后于20°以上的陡坡。這種差異可能是由于陡坡發(fā)育過程中坡面破碎程度遠遠高于緩坡所造成的。 關鍵詞：黃土坡面 細溝發(fā)育 自組織模型 面蝕 溝蝕  坡面發(fā)育過程中，細溝是如何從無到有?其發(fā)育過程具有什么特點?坡面形態(tài)如何變化?伴隨著細溝發(fā)育，面蝕量與溝蝕量的對比關系如何變化?這些都是細溝侵蝕研究的重要內(nèi)容。坡面上的細溝由紋溝發(fā)育而來，沒

3、有固定的流路，縱剖面與坡面一致，橫剖面呈“V”形或箱形，是坡面泥沙的主要來源和輸送渠道1。目前，相關的研究主要集中在細溝產(chǎn)生的臨界條件、影響細溝產(chǎn)沙的因素、細溝的產(chǎn)沙過程及細溝形態(tài)與其影響因素間的關系等方面。相應地，細溝侵蝕發(fā)生與發(fā)展2多用一些水力指標，如徑流深、流量和弗羅德數(shù)等來界定；影響細溝產(chǎn)沙的因素主要有土壤臨界切應力、水流的有效切應力和土壤管理因子等3；細溝形態(tài)則主要受坡度和徑流深的控制4。然而，由于測量手段的限制及研究方法的局限性，在這些研究中大都簡化了細溝的發(fā)育過程，多將細溝在整個產(chǎn)沙過程中按靜態(tài)處理，或根據(jù)細溝形態(tài)變化的實測結(jié)果與侵蝕動力變量建立簡單的經(jīng)驗關系，從而無法定量地揭示

4、細溝發(fā)育的內(nèi)在機理，也不易反映面蝕與溝蝕的轉(zhuǎn)化機制。鑒于此，本文利用前面驗證過的自組織模型對細溝發(fā)育過程和產(chǎn)沙動態(tài)變化過程規(guī)律進行定量的分析。1 細溝發(fā)育過程模擬在坡面發(fā)育過程中，降雨及坡面微地貌是系統(tǒng)的無序輸入，而紋溝、細溝和溝網(wǎng)等則對應于系統(tǒng)的有序輸出。利用自組織模型中無序輸入與有序輸出之間的正反饋關系，可以動態(tài)地模擬細溝發(fā)育及坡面產(chǎn)沙過程。模型中采用侵蝕產(chǎn)沙公式5Dr=Krgh0-L/UfD+(fc-fD)e-kttan-0.3sin-Krc(1)式中：Dr為土壤侵蝕率，單位為kg/m·s；Kr，為經(jīng)驗系數(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；h

5、0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為時間，單位為s；0為土壤顆粒被侵蝕啟動的臨界剪切力，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)育實驗進行標定。本文利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，雨強為1mm/min的降雨條件下的坡面細溝

6、發(fā)育及其伴隨的產(chǎn)沙過程進行預測。由于降雨條件及坡面模型中投影面積未發(fā)生改變，模型中的有關參數(shù)不需要重新率定。坡度的改變會直接影響坡面流速。本文采用張科利在黃土坡面的實驗觀測中確定流速與流量之間關系4U=2.81Q0.26J0.25(2)同時根據(jù)實驗中實測的流量，計算對應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溝發(fā)育過程進行模擬。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作為確定細溝的標準，即將各時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的標記為細溝。據(jù)此，即可計算細溝的有關參數(shù)。計算結(jié)果見圖1至圖6.圖1 不同坡度條件下平均溝長的動態(tài)變化圖2 不同坡度條件下平均溝深的動態(tài)變化圖3 不同坡度條件下細溝條數(shù)的動態(tài)變化圖4 不同坡度條件下溝蝕總量的動態(tài)變化圖5 不同坡度條件下面侵蝕總量的動態(tài)變化圖6 不同坡度條件下侵蝕總量的動態(tài)變化可以看出，5°15°相對較緩的一