基于自组织理论的黄土坡面细沟发育特征分析论文

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1、基于自组织理论的黄土坡面细沟发育特征分析论文摘要：结合作者提出的坡面发育自组织模型，本文对典型坡度条件下坡面的发育过程进行了模拟，并重点分析了面蚀与沟蚀在坡面侵蚀中的关系，尤其是关于面蚀和沟蚀贡献大小的转化机理这样一些过去无法预测的方面。结果表明，面蚀与沟蚀在侵蚀机理上有本质的区别。当坡度小于20°时，面蚀在总体侵蚀中所占的比例随坡度的增大而迅速减小；当坡度大于20°时，其减小速度随坡度的继续增加则明显变缓。由面蚀为主向沟蚀为主的转化过程之快慢，在土壤及降雨等条件一定时与坡面的坡度关系很大。15°以下的缓坡面蚀向沟蚀转化的时刻远远滞后于20°以上的陡坡。这种差异可能是由于陡坡

2、发育过程中坡面破碎程度远远高于缓坡所造成的。关键词：黄土坡面细沟发育自组织模型面蚀沟蚀坡面发育过程中.freel·s；Kr，为经验系数；ρ为水密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s2；α为坡度；h0为雨滴落入坡面后在单元格上形成的径流深度，单位为m;U为坡面水流速度，单位为m/s；L为流线长度，可以根据雨滴下落位置和下渗率及流速来计算，单位为m;fD为初入渗能力，单位为m/s；fc为稳定入渗能力，单位为m/s；t为时间，单位为s；τ0为土壤颗粒被侵蚀启动的临界剪切力，单位为N/m2；k为常数。式(1)中的各参数在前文5中已由20度黄土坡面发育实验进行标定。本文利

3、用自组织模型对一组投影面积为1.5m×5m，坡度分别为5°、10°、15°、20°、25°和30°的坡面在100分钟，雨强为1mm/min的降雨条件下的坡面细沟发育及其伴随的产沙过程进行预测。由于降雨条件及坡面模型中投影面积未发生改变，模型中的有关参数不需要重新率定。坡度的改变会直接影响坡面流速。本文采用张科利在黄土坡面的实验观测中确定流速与流量之间关系4U=2.81Q0.26J0.25(2)同时根据实验中实测的流量，计算对应于各种坡度情况下的流速。参数确定后，利用自组织模型对坡面细沟发育过程进行模拟。模型中自降雨开始后每隔10min输出一次坡面高程及相应的侵蚀产沙量。根据张

4、科利等人2的研究，本文选择侵蚀深度为1cm作为确定细沟的标准，即将各时段模型输出的坡面高程与坡面原始高程相比，侵蚀深度大于1cm的标记为细沟。据此，即可计算细沟的有关参数。计算结果见图1至图6.图1不同坡度条件下平均沟长的动态变化图2不同坡度条件下平均沟深的动态变化图3不同坡度条件下细沟条数的动态变化图4不同坡度条件下沟蚀总量的动态变化图5不同坡度条件下面侵蚀总量的动态变化图6不同坡度条件下侵蚀总量的动态变化可以看出，5°～15°相对较缓的一组坡度以及20°～30°相对较陡的一组坡度大致反映了两组不同的细沟发育过程规律。前者总体上在沟长、沟深、沟数、沟蚀量、总侵蚀量等方面的变

5、化较后者缓慢，这与以往的实验观测结果是十分吻合的。2面蚀与沟蚀的对比关系在不考虑重力侵蚀的情况下，坡面的总侵蚀量为面蚀量和沟蚀量之和。当已知坡面总侵蚀量、面蚀量和沟蚀量这三者之间任两者之间的比例关系和第三者的侵蚀量之后，就可以计算出面蚀量和沟蚀量对坡面总侵蚀量的贡献6。一般地，面蚀是指在坡面未形成输运通道之前的雨滴溅蚀和片流侵蚀，而沟蚀是指发生在沟道内的侵蚀。将面蚀和沟蚀分离之后，就可能对面蚀和沟蚀过程进行独立的研究，并对不同的侵蚀过程采用相应的防治措施。自组织模型有别于其它模型的一个重要特点就是能够动态地输出坡面地形和侵蚀量，从而有效地将坡面产沙过程中的面蚀与沟蚀量区分开来

6、。利用自组织模型可以计算不同坡度情况下面蚀与沟蚀在坡面总侵蚀量中所占的比例(见图7).从图7可以看出，随着坡度的增大面蚀在总侵蚀量中所占的比例迅速减小。面蚀量在5°坡面上为沟蚀的5倍多，而30°坡面上却不足沟蚀的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，而且由于水流速度较小，对坡面上土壤的拖曳力较小，不易在坡面上形成细沟，从而导致在缓坡上的面蚀过程缓慢，使得面蚀量与细沟侵蚀量的比值较大。相反在陡坡上，坡面侵蚀从面蚀到细沟侵蚀的转变时间短，面蚀在侵蚀量中的比例减小，从而导致面蚀量与细沟侵蚀量的比值相对缓坡变小。图7不同坡度面蚀量与细沟侵蚀量比值随着坡度

7、的增大面蚀在整个侵蚀量中的比重越来越小，然而在一次降雨过程中面蚀与沟蚀的贡献大小有一个转化过程。从图8可以看出，单位时间面蚀量在侵蚀初期较高，其后，随着细沟的发育和坡面破碎程度的加剧，单位时间面蚀量逐步下降，并稳定在50g/min左右。另一方面，单位时间沟蚀量则在整个侵蚀过程中都不断增加，在降雨后30min左右超过了面蚀量，并最终远远大于坡面侵蚀量。类似地，坡面累积沟蚀量在整个坡面发育过程中也逐渐超过累积面蚀量(见图9).图820°坡面单位时间沟蚀量与面蚀量变化过程图920°坡面累积沟蚀量与面蚀量变化过