坡面侵蝕過程及其微地形演變的試驗(yàn)和元胞模擬研究.pdf

1、坡面侵蝕是流域水土流失的重要原因之一。研究坡面侵蝕過程中水沙要素變化規(guī)律及相應(yīng)坡面地形的演化過程，是土壤侵蝕研究中的關(guān)鍵科學(xué)問題。自然條件下，坡面侵蝕過程受到地形、土壤特性、植被、氣候乃至人類活動等多種因素的影響。而由于上述影響因素的時(shí)空變異性、不均一性及多層次反饋機(jī)制(如：水流侵蝕-土壤抗蝕-地形演變-水流侵蝕特性改變)，使得坡面侵蝕成為一個(gè)非線性的復(fù)雜動力學(xué)過程。要對這一過程進(jìn)行研究，較為有效的研究手段是利用物理模型試驗(yàn)對該過程中的

2、各要素進(jìn)行詳細(xì)測量，以獲取坡面侵蝕系統(tǒng)中的輸入條件(如沖刷流量等)與輸出結(jié)果(如含沙量過程及坡面侵蝕地形)之間的動力學(xué)關(guān)系。此外，通過引入適當(dāng)?shù)姆蔷€性模擬方法，刻畫坡面侵蝕過程中的多層次反饋機(jī)制及宏觀上所表現(xiàn)出的侵蝕過程和坡面地形演變規(guī)律，也是坡面侵蝕理論研究的重要研究途徑。
　　本研究首先在試驗(yàn)土槽中，對5種流量和5種坡度工況組合情況下的坡面侵蝕過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，觀察在徑流沖刷作用下坡面微地形的演變過程，同時(shí)記錄相應(yīng)過程中水力學(xué)

3、及泥沙要素的時(shí)間變化情況。并以此為依據(jù)，分析了后者變化與前者演變之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　在坡面微地形演變研究部分，為快速獲取關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的全坡面地形三維信息，引入了基于單反數(shù)碼相機(jī)近景攝影量測技術(shù)，根據(jù)計(jì)算機(jī)雙目視覺的三維重構(gòu)方法提取坡面徑流侵蝕后的坡面三維地形，其中同名點(diǎn)匹配和鏡頭畸變處理過程直接影響空間特征點(diǎn)三維重建的精度。該方法克服了傳統(tǒng)方法無法瞬時(shí)獲得坡面高精度三維地形以及三維激光掃描儀試驗(yàn)成本過高的問題，為坡面侵蝕三維地

4、形演變及后續(xù)分析提供了重要的研究手段。
　　理論研究方面，在分析和對比現(xiàn)有坡面侵蝕模型的基礎(chǔ)上，將元胞模擬方法引入到侵蝕模型的構(gòu)建中。利用元胞方法“自下而上”的研究思路，在與坡面侵蝕空間對應(yīng)的元胞空間上，制定包括徑流流路規(guī)則、縱向溝道生成規(guī)則、縱向溝道展寬規(guī)則、溝道橫向襲奪規(guī)則等在內(nèi)的元胞互作用機(jī)制，通過程序使元胞在上述規(guī)則作用下不斷迭代從而完成由“簡單的局部作用”到“復(fù)雜的宏觀現(xiàn)象”的模擬過程。模擬結(jié)果表明，元胞方法用于坡面土壤