【摘要】：細溝形態(tài)及細溝水流參數(shù)的快速、準(zhǔn)確測量是坡面土壤侵蝕研究的難點,而細溝發(fā)育不同階段各主導(dǎo)發(fā)育方式過程的量化研究將為侵蝕預(yù)報模型的建立提供理論依據(jù)。為此,本論文針對目前細溝侵蝕監(jiān)測方法及細溝侵蝕過程量化研究的不足,基于模擬降雨試驗和模擬徑流試驗相結(jié)合的試驗方法,采用三維激光掃描和立體攝影測量技術(shù),建立了細溝侵蝕過程的實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法,研究了黃土坡面細溝及細溝網(wǎng)發(fā)育過程,量化了細溝溝頭溯源侵蝕、溝底下切侵蝕和溝壁擴張侵蝕3種細溝主導(dǎo)發(fā)育方式,剖析了其關(guān)鍵過程和影響因子,構(gòu)建了基于細溝不同主導(dǎo)發(fā)育方式的黃土坡面細溝侵蝕方程式。其研究結(jié)果為細溝侵蝕變化規(guī)律的研究和坡面侵蝕預(yù)報模型的構(gòu)建提供理論基礎(chǔ),并為黃土高原地區(qū)坡耕地土壤侵蝕防治提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)論如下:(1)建立了基于立體攝影測量技術(shù)的細溝形態(tài)及細溝水流參數(shù)的自動監(jiān)測方法。在坡面無徑流條件下,基于立體攝影測量技術(shù)提取的高精度DEM,能直接準(zhǔn)確測量細溝的長度、寬度和深度;在坡面有徑流條件下,通過立體攝影測量影像可以直接量取細溝的長度、寬度和細溝水流寬度,運用內(nèi)插法可準(zhǔn)確測量和計算細溝深度和細溝水流深度的實時動態(tài)變化。采用Linux操作系統(tǒng)控制2臺相機同時曝光,實現(xiàn)了細溝溝壁擴張侵蝕過程的實時動態(tài)監(jiān)測;運用超聲波測距原理,實現(xiàn)了不易侵蝕層存在條件下細溝水流深度、寬度和流速的實時測量;利用Matlab的編程功能和Arc GIS的三維分析功能,比較分析了單幅圖像法、雙圖像色差法和雙圖像DEM法在數(shù)據(jù)處理上的優(yōu)劣,結(jié)果表明這3種方法估算的細溝寬度均能達到較高精度,其平均相對誤差僅為-2.7%~2.7%。(2)分析了黃土坡面細溝及細溝網(wǎng)發(fā)育過程。試驗條件下細溝網(wǎng)的發(fā)育經(jīng)歷了一個由簡單到復(fù)雜再趨于簡單的過程,主細溝的長、寬、深及等高線偏離度隨降雨過程呈增加趨勢,而二級細溝的長度隨降雨過程呈先增加后減少的趨勢。細溝侵蝕速率和總侵蝕速率的最大值均出現(xiàn)在以細溝溝底下切侵蝕為主并伴隨溝壁擴張侵蝕的階段,而兩者的最小值則發(fā)生在以細溝溝頭溯源侵蝕為主的階段。細溝發(fā)育初期坡面侵蝕發(fā)生的臨界徑流剪切力、臨界徑流功率和臨界單位徑流功率最大;在細溝發(fā)育末期,主導(dǎo)發(fā)育方式為溝壁擴張侵蝕,臨界徑流剪切力、臨界徑流功率和臨界單位徑流功率最小。細溝襲奪是細溝密度降低的直接原因,犁底層的存在可大幅降低細溝溝底下切侵蝕速率而增加溝壁擴張侵蝕速率,二級細溝溝頭的溯源侵蝕是細溝深度增加的決定性因素。(3)量化了細溝溝頭溯源侵蝕過程。試驗條件下,細溝溝頭溯源侵蝕速率和坡面產(chǎn)沙率皆隨流量和坡度的增加而增加,而二級溝頭數(shù)卻不隨流量和坡度的增加而嚴(yán)格增大。細溝長度隨時間的增加呈一次函數(shù)增加,且增加速率受流量和坡度乘積的影響;以溝頭溯源侵蝕為主的細溝侵蝕過程受溝頭跌坎高度、一級溝頭溯源侵蝕速率、一級溝頭下方溝槽發(fā)育的二級溝頭數(shù)和土壤內(nèi)在性質(zhì)的共同制約,坡面產(chǎn)沙率與溝頭跌坎高度、一級溝頭溯源侵蝕速率、一級溝頭下方溝槽發(fā)育的二級溝頭數(shù)的關(guān)系可由一個多元非線性回歸方程表達。(4)定量表達了細溝溝底下切侵蝕過程。試驗條件下,細溝溝底下切侵蝕速率和坡面產(chǎn)沙率皆隨流量和坡度的增加而增加。溝底下切侵蝕過程可分為3個階段(下切溝頭形成前期、二級/三級溝頭下切期和下切溝頭形成后期),其中二級/三級溝頭下切期以不到15%的持續(xù)時間產(chǎn)生了多于65%的下切侵蝕量。細溝深度隨時間的增加呈一次函數(shù)增加,且增加速率受流量和坡度乘積的影響;由溝底下切侵蝕產(chǎn)生的細溝侵蝕量與上方匯流量和坡度的關(guān)系可用一次函數(shù)表達。(5)刻畫了細溝溝壁擴張侵蝕過程。試驗條件下,細溝溝壁擴張侵蝕速率和坡面產(chǎn)沙率皆隨流量、坡度的增加而增加,隨初始細溝寬度的減少而增加。溝壁擴張侵蝕可分為4個子過程(溝腳淘涮、張力裂隙的形成和發(fā)展、溝壁崩塌和崩塌物的分散與搬運),其中溝腳淘涮過程可形成3種淘涮弧類型(普通弧、表面弧和反弧)。細溝寬度隨時間的變化過程可由包括初始細溝寬度、上方匯流量和坡度的指數(shù)函數(shù)來模擬;建立了基于水流剪切力和重力的細溝溝壁擴展模型。(6)構(gòu)建了基于細溝不同主導(dǎo)發(fā)育方式的細溝侵蝕方程式。溯源侵蝕、溯源侵蝕×擴張侵蝕的交互作用、溯源侵蝕×下切侵蝕×擴張侵蝕三者的交互作用對單寬細溝侵蝕產(chǎn)沙率有極顯著影響。試驗條件下,溝頭溯源侵蝕在黃土坡面單條細溝侵蝕中占主導(dǎo)地位,其引起的侵蝕量占總細溝侵蝕量的45.9%~87.2%,溝頭溯源侵蝕是模擬黃土坡面細溝侵蝕量的最佳指標(biāo);分別建立了基于細溝溝頭溯源侵蝕、溝底下切侵蝕和溝壁擴張侵蝕的細溝侵蝕方程式。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S157.1
【圖文】：

技術(shù)路線

圖 2-2 三維激光掃描法獲取坡面細溝形態(tài)的外業(yè)操作（a：三維激光掃描儀的架設(shè)；b：降雨結(jié)束后坡面細溝形態(tài)；c：點云數(shù)據(jù)；d：三維渲染后生成的坡面模型）Figure 2-2 Processes of obtaining hillslope morphology by using 3D laser scanning technique (a: 3D laserscanner set up; b: hillslope morphology after simulated rainfall; c: point clouds; d: hillslope model afterrendering)

圖 2-3 模擬上方匯水試驗裝置圖Figure 2-3 Experimental facilities using photogrammetry technique

【參考文獻】

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本文編號：2769339