基于三维激光扫描仪的坡面细沟侵蚀动态过程研究

 利用三维激光扫描仪探索多场降雨情况下同一坡面细沟侵蚀的动态过程,为解释细沟侵蚀过程提供一定的理论依据。采用室内人工模拟降雨,在坡度为15°的土槽上进行恒降雨强度的7场降雨冲刷实验,利用三维激光扫描仪对每场降雨冲刷后的坡面形态进行了监测,定量分析坡面细沟侵蚀的动态发育过程。结果表明：前2场降雨与后5场降雨产流产沙过程和细沟侵蚀发育过程有较大差异,细沟从第3场降雨开始明显发育。表现为小跌水一下切沟头一断续细沟一连续细沟一细沟沟网的发育过程。通过三维激光扫描仪精确监测7场降雨坡面各点微地形变化,发现细沟平均沟宽、平均沟深、沟长最大值、细沟平均密度在前2场降雨增长幅度较小,至第3场降雨后开始迅速增人,细沟侵蚀强度不断加强。侵蚀强度由第1场降雨的0. 103 kg/m2发展至第7场降雨的8.788 kg/m2,增加了84倍。     

地表微地形测量及定量化方法研究综述

地表微地形测量是地表粗糙度定量化的基础,对地表形态动态监测、水文过程模拟以及土壤侵蚀过程模型的构建具有重要意义。目前,微地形测量方法主要分为接触式和非接触式2大类,前者包括测针法、链条法、差分GPS法等,后者包括超声波测距法、红外线传感器法、结构光激光扫描法、激光测距扫描法、三维激光扫描仪法、近景摄影测量法等。在全面回顾各方法原理、优缺点及其应用的基础上,分析地表粗糙度定量化常用方法：统计方法指数、地统计学指数和分形及多重分形模型。认为：1）差分GPS法、结构光激光扫描法、三维激光扫描仪法和近景摄影测量法将在亚毫米一,厘米级地表微地形测量及地表粗糙度多尺度特征研究中发挥重要作用,同时简单、方便的测针法可能在野外测量中依然占据主导地位;2）以地表微地形测量技术为基础,在土壤侵蚀过程模型中亟需形成一套完整的“测量一定量化一模型应用”范式,同时应加强对地表微地形空间异质性和各向异性的研究,发展新的统一的地表粗糙度定量化方法。     

坡面细沟形态与侵蚀产沙间的量化响应研究进展

地形决定着地面物质与能量的形成和再分配,是影响水土流失的重要因子之一。在坡面土壤侵蚀产沙研究过程中,以往围绕坡度、坡长等宏观地形因子研究的较多,而忽略了对坡面细沟侵蚀形态等微观地形因子的定量研究。系统介绍了前人在坡面细沟形态与侵蚀产沙量化响应研究中所取得的有代表性的成果,阐述了坡面侵蚀形态对坡面侵蚀产沙的影响,指出了目前细沟侵蚀研究中存在的问题和今后研究的发展方向。     

高精度GPS,三维激光扫描和测针板三种测量技术监测沟蚀过程的对比研究

采用连续模拟降雨试验,对坡沟系统概化模型进行坡面沟蚀发育过程模拟,再现坡面片蚀一细沟侵蚀切沟侵蚀演变过程。结合3种测量技术从测量精度、测量人员要求、数据处理、数据通用性、配套软件使用、前期投入、测量条件等几个方面入手,对比分析高精度GPS（Trimble 5700）、三维激光扫描仪（Leica HDS3000）和测针板的3种测量方法的优缺点,同时对3种测量方法在沟蚀过程监测和侵蚀量估算方面进行对比研究。结果表明,激比扫描仪能很好地监测沟蚀演变过程,且对侵蚀量估算精度较高,误差仅为4．5％。高精度GPS也能很好地监测沟蚀演变过程,对侵蚀量估算精度误差为7．38％。测针板法不能很好的反映沟蚀演变过程,但是对于侵蚀量的估算可以满足日常要求,误差为-12．78％。     

坡面侵蚀泥沙来源立体分布研究

采用REE-INAA方法,采取沿坡面分层分段的新型试验布设方法,研究次降雨条件下坡面侵蚀泥沙来源立体分布规律。结果表明:坡面侵蚀形态演变过程可划分为面蚀、细沟发育和细沟稳定3个阶段。细沟侵蚀是坡面侵蚀产沙的主要原因,试验中的细沟侵蚀产沙量约为面蚀产沙量的9.9倍。可以利用侵蚀产沙贡献率来表征不同试验区域产沙量对总产沙量贡献作用的大小。处于坡面底部的Eu区和Yb区是面蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为3.1%和3.3%。处于坡面底部的Nd区和Ce区是细沟侵蚀量最大区域,其侵蚀产沙贡献率分别为42.8%和37.5%。坡面中下部是坡面侵蚀泥沙来源的主要区域。     

自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征

[目的] 研究自然降雨条件下砒砂岩坡面细沟微形态及其侵蚀特征,为区域土壤侵蚀机制研究提供理论参考。[方法] 选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,采用野外径流小区原位监测与三维激光扫描技术结合的方法,分析砒砂岩坡区13次降雨过程中坡面细沟数量、形态以及几何特征的动态变化特征,揭示细沟微形态变化过程对坡面产流产沙的影响机制。[结果] 观测期研究区总降雨量为267.40 mm,总降雨历时为5 893 min,总径流量为294.05 L,总泥沙量为111.34 kg。降雨对径流和泥沙的贡献率表现为：中雨（10.0～24.9 mm）>大雨（25.0～49.9 mm）>小雨（<10.0 mm）。中雨对坡面侵蚀影响程度最高。水力侵蚀导致坡面细沟形态上趋于复杂化,其总长达为40.52 m,平均宽度为4.31 cm,平均深度为1.22 cm。次降雨坡面细沟的发育过程表现为：溅蚀—片蚀—宽浅型细沟—连续细沟网—沟壁坍塌—沟道稳定;细沟趋于向窄深型发育。[结论] 细沟各形态指标均呈现明显的二次多项式相关关系,细沟宽深比与沟壑密度对坡面产沙量存在显著影响。     

不同草带空间分布对坡面细沟侵蚀调控机制

为了研究植被对坡面细沟侵蚀调控机制,采用模拟降雨试验,结合激光扫描方法,分析了不同草带分布沟坡面细沟侵蚀发生、发展过程。结果表明:草带位于梁峁坡下部60%,植被调控侵蚀效果最优,相比裸坡减少径流量7.4%,减少产沙量62.9%,相比蓄水减沙功效而言更具直接拦沙的功能。植被通过调控细沟侵蚀的发生、发展、发育过程实现了对土壤侵蚀的调控作用,尤其是对沟坡侵蚀产沙的调控作用;而且这种对侵蚀的调控作用不仅改变了细沟侵蚀发生的位置,而且改变了径流和侵蚀过程以及侵蚀方式;细沟侵蚀已经向面蚀(片蚀)转化,大幅度降低侵蚀程度。研究结果揭示了植被可以通过影响侵蚀方式来调控侵蚀输沙过程,有助于加深坡面植被对细沟侵蚀发育形态作用机理的理解。     

基于近景摄影测量的径流冲刷条件下冻融坡面侵蚀产沙过程

为研究冻融坡面径流冲刷条件下侵蚀产沙过程,采用2个坡度(10°,15°)、3个流量(3,6,9 L/min)、2个起始解冻深度(6,12 cm)组合进行野外冲刷试验,结合近景摄影测量技术分析不同解冻深度、不同坡度和不同流量条件下的产沙量,运用线性回归方程对近景摄影测量值和实测值进行拟合。结果表明:起始解冻深度和坡度相同条件下,冻融坡面的土壤侵蚀产沙量随着径流量和坡度的增大而增大;随着时间推移,产沙量越来越小。在流量和坡度相同时,随着初始解冻深度的增大,坡面产沙量也逐渐增大;在流量和解冻深度相同时,随着坡度的增大,坡面产沙量也逐渐增大。当流量、解冻深度和坡度最大时,坡面侵蚀产沙量达到最大。坡面产沙量实测值与近景摄影测量对比分析得到误差平均精度为90.67%,近景摄影测量技术可以在冻融条件下土壤侵蚀监测中应用。     

次降雨下砒砂岩坡面细沟形态发育及其对侵蚀产沙的影响

[目的]以水蚀剧烈的砒砂岩区裸露坡面为研究对象,分析次降雨下坡面细沟形态演变及侵蚀产沙特征,以期为坡面沟蚀发育演变及坡面水土流失治理提供理论依据。[方法]基于野外径流小区原位监测试验,采用三维激光扫描仪监测径流小区两个雨季13次自然降雨下细沟发育过程及产流产沙规律。[结果](1)小区内细沟发育过程分为4个阶段：跌坎发育—断续细沟—连续细沟—沟网形成;(2)细沟长度、宽度、深度及细沟体积、细沟密度、细沟复杂度均随着降雨的继续呈上升趋势,而细沟宽深比呈下降趋势;(3)研究区内中雨对细沟发育贡献最大,其发生频率为53.69%,对细沟形态的影响占比71.25%。[结论]细沟形态变化对产沙的影响较大,细沟出现后产沙量明显上升,产沙量与细沟发育过程对应关系较好,而对产流过程的影响有限,尤其细沟体积与产沙量及含沙量的相关性最强。     

基于人工倾斜摄影测量的微地形三维建模方法研究

耕作坡面微地形是地表径流和土壤侵蚀的重要场所,建立其高精度三维数值模型是定量研究土壤侵蚀过程的基础。针对现有接触式和非接触式测量方法得到的三维模型不能完全真实地反映微地形特征的缺陷,提出了一种获取坡面微地形高精度三维模型的人工倾斜摄影测量方法(ATPM),并对建模精度进行了评价。结果表明,采用ATPM方法建立的地表三维模型精度高,空间各点的平面中误差和高程中误差分别为±1.9 mm和±2.6 mm,能很好地反映微地形的细微特征,可为定量研究土壤侵蚀过程提供较高精度的数据支持。     

2次降雨条件下不同土壤细沟侵蚀分析

不同土壤细沟侵蚀发育对比研究是探讨细沟侵蚀机制的必要内容。通过间隔为24 h的2次人工模拟降雨,在不同降雨强度(1.5,2.0,1.0 mm/min)、不同坡长(5、10 m)的试验条件下,分析坡度为20°时塿土和黄绵土2种土壤细沟侵蚀过程中产流产沙、空间变化的差异。结果表明:1)从坡面产流量来看,2种土壤在2次人工降雨过程中有相似的产流过程,坡长和降雨强度相同时,塿土坡面产流量大于黄绵土;2)从坡面形态看,第1场降雨过程中塿土坡面表面积、细沟侵蚀强度大于黄绵土坡面,但黄绵土坡面一旦发生细沟侵蚀,其体积变化幅度剧烈于塿土坡面;3)塿土在第1场降雨过程中侵蚀速率的变化过程可以反应细沟发育的各个阶段,较大降雨强度使黄绵土发生细沟侵蚀侵蚀,其细沟发育的各个阶段持续时间长于塿土,即黄绵土细沟形态变化缓慢。     

砒砂岩区水力侵蚀下坡面微地貌变化特征及过程研究

解决砒砂岩区坡面的产流产沙问题对黄河流域生态安全具有重要意义,选取砒砂岩裸露坡面为研究对象,在自然降雨条件下采用野外径流小区实测结合三维激光扫描技术,分析13次有效降雨过程砒砂岩坡面微地貌的变化过程及产流产沙特征.结果表明,径流小区内坡面土壤平均侵蚀深度为26 mm,侵蚀区占径流小区总面积的95.27％,单位面积上侵蚀...     

坡长对侵蚀产沙过程影响的模拟研究

通过室内模拟降雨试验探讨了坡长对侵蚀产沙过程的影响规律。实验结果表明 ,坡长是影响径流、侵蚀产沙的重要因素 ,径流量与坡长呈线性关系 ,侵蚀量与坡长基本呈指数关系。累积径流量与累积侵蚀产沙量均与降雨历时呈明显的直线关系 ,其斜率随坡长的增加而增大。坡长对侵蚀形态的演化也有重要作用 ,在试验条件下 ,0 .72 mm/ min雨强下 2 .5 ,5 ,7.5 ,10 m坡长小区均未发生细沟侵蚀 ;雨强增至 1.14mm / min时 ,10 m小区发生了细沟侵蚀 ;雨强大于 1.14mm / min时 ,7.5 m以上的小区均有细沟侵蚀发生。细沟发育时 ,坡面径流、侵蚀产沙量猛增 ,水流含沙量也出现了跳跃性增加     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

上方来水来沙对细沟侵蚀产沙过程的影响

利用双土槽系统径流小区 (供沙土槽和试验土槽 ) ,定量研究了不同上方来水含沙量和不同降雨强度下 15°坡面上方来水来沙对坡下方细沟侵蚀产沙过程的影响。结果表明 ,坡上方来沙量不但被径流全部搬运 ,且坡上方来水在坡下方细沟侵蚀槽引起另外的侵蚀产沙量 S。坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主。上方来水对细沟侵蚀产沙的贡献受上方来水含沙量和降雨强度的影响。降雨强度的增加或上方来水含沙量的减少 ,使 S值的增加更为显著     

野外模拟降雨条件下矿区土质道路径流产沙及细沟发育研究

为研究矿区土质道路径流产沙及细沟形态发育特征,在野外调查的基础上,设计坡度(3°、6°、9°、12°)和雨强(0.5、1.0、2.5、2.0、2.5、3.0 mm/min)2个处理,在野外建立不同坡度的道路小区,采用人工模拟降雨的方法,测定了不同处理道路径流产沙参数和细沟形态指标。结果表明:1)各坡度道路径流率为1.12~8.24 L/min,与雨强线性关系极显著,随坡度变化不显著;除0.5 mm/min雨强3°~9°坡及1.0 mm/min雨强3°坡道路径流流态为层流外,其余为紊流,雨强-坡度交互作用(I×S)对流态影响显著;阻力系数只与坡度相关。2)各坡度道路剥蚀率为0.92~324.46 g/(m2·s),与雨强、坡度和径流率呈极显著幂函数关系(R2=0.968,P0.01),道路土壤发生剥蚀的临界剪切力和临界径流功率分别为2.15 N/m2和0.41 W/(m2·s)。3)3°道路以片状侵蚀为主,6°~12°道路细沟发育,细沟宽深比、复杂度、割裂度和细沟密度分别为1.80~3.75、1.07~1.55、0.20%~10.33%和0.067~2.01 m/m2,细沟发育程度是雨强和坡度交互作用(I×S)的结果。4)6°~12°道路细沟侵蚀量占总侵蚀量比例为18.0%~57.16%,总侵蚀量与细沟宽深比、细沟复杂度、细沟割裂度和细沟密度均呈显著的函数关系(R2=0.35~0.96,P≤0.01),割裂度是影响土质道路总侵蚀量的最佳细沟形态因子。结果可为矿区土质道路水土保持工程设计及生产安全提供参数支持。     

缓坡面细沟发育过程及水沙关系的室内试验研究

为了明确细沟发育特征及对坡面产流产沙的作用,该文在固定坡度(10°)和2个雨强(1.5和2mm/min)条件下,采用室内纯净水模拟降雨试验的方法,研究了塿土和黄绵土的坡面细沟发育过程和水沙关系。研究结果表明,细沟主要由沿坡面方向呈线状平行分布的跌坎链相互连通演化而成,在雨强较小时塿土更易形成细沟,而黄绵土在雨强较大时才能形成细沟。含沙量与侵蚀速率的变化规律与坡面跌坎和细沟的形成具有同步关系,雨强的增大不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显增加,但对黄绵土含沙量和侵蚀速率的变化有很大影响,在大雨强时黄绵土含沙量和侵蚀速率会迅速增加,并在坡面细沟形成后很快超过塿土。同时,细沟的存在并不会引起塿土含沙量和侵蚀速率的明显变化,但黄绵土对坡面细沟反应敏感,细沟一旦形成会导致其含沙量和侵蚀量的急剧增加。该研究为坡耕地细沟侵蚀的有效防治提供相应的理论指导。     

黄土坡面细沟形态变化及对侵蚀产沙过程的影响

为揭示细沟形态对侵蚀产沙过程的影响,选取66、94、127 mm/h三个雨强条件,对20°陡坡坡面进行了坡面水蚀精细模拟降雨试验,选取沟长、沟宽、沟深等指标刻画细沟形态随降雨历时的变化规律。结果表明:1)降雨强度对细沟长度的影响显著,细沟宽度变化受降雨历时的影响较大,细沟深度的变化对降雨强度表现出较强的分异规律。2)细沟形态参数之间不是相互独立的,存在明显的相关关系,说明细沟形态的演变是一个多维度过程。3)细沟的形成和发展与坡面水沙过程关系密切,细沟形态参数与含沙量、侵蚀速率之间均存在较显著的对数函数关系。该研究可以为细沟侵蚀动态模型的建立提供基础数据。