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水利工程论文-基于自组织理论的黄土坡面细沟发育特征分析.doc

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水利工程论文-基于自组织理论的黄土坡面细沟发育特征分析.doc

水利工程论文-基于自组织理论的黄土坡面细沟发育特征分析摘要: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,细沟是如何从无到有?其发育过程具有什么特点?坡面形态如何变化?伴随着细沟发育,面蚀量与沟蚀量的对比关系如何变化?这些都是细沟侵蚀研究的重要内容。坡面上的细沟由纹沟发育而来,没有固定的流路,纵剖面与坡面一致,横剖面呈“V”形或箱形,是坡面泥沙的主要来源和输送渠道[1]。目前,相关的研究主要集中在细沟产生的临界条件、影响细沟产沙的因素、细沟的产沙过程及细沟形态与其影响因素间的关系等方面。相应地,细沟侵蚀发生与发展[2]多用一些水力指标,如径流深、流量和弗罗德数等来界定;影响细沟产沙的因素主要有土壤临界切应力、水流的有效切应力和土壤管理因子等[3];细沟形态则主要受坡度和径流深的控制[4]。然而,由于测量手段的限制及研究方法的局限性,在这些研究中大都简化了细沟的发育过程,多将细沟在整个产沙过程中按静态处理,或根据细沟形态变化的实测结果与侵蚀动力变量建立简单的经验关系,从而无法定量地揭示细沟发育的内在机理,也不易反映面蚀与沟蚀的转化机制。鉴于此,本文利用前面验证过的自组织模型对细沟发育过程和产沙动态变化过程规律进行定量的分析。1细沟发育过程模拟在坡面发育过程中,降雨及坡面微地貌是系统的无序输入,而纹沟、细沟和沟网等则对应于系统的有序输出。利用自组织模型中无序输入与有序输出之间的正反馈关系,可以动态地模拟细沟发育及坡面产沙过程。模型中采用侵蚀产沙公式[5]Dr=Krρg{h0-L/U[fD+(fc-fD)e-kt]tan-0.3α}sinα-Krτc(1)式中:Dr为土壤侵蚀率,单位为kg/m·

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