基于三维激光扫描的坡面细沟形态演化研究

发布时间：2020-06-13 11:05

【摘要】：土壤侵蚀破坏生态系统,影响人类生产生活。特殊气候条件和土壤类型使金沙江干热河谷区沟蚀发育严重且类型多样,水土流失问题较为突出。细沟侵蚀是沟蚀发育的最初阶段,其形成与发育致使土壤受到严重侵蚀,人类活动受到严重影响。通常细沟侵蚀发育阶段的差异主要反映在细沟形态特征上。目前对细沟侵蚀方面的研究,主要是以人工干预下的理想坡面为研究对象,针对自然坡面研究细沟侵蚀的成果甚少,因此研究野外自然坡面细沟形态演化特征及其规律存在一定意义。本文以元谋干热河谷沙地村某微流域自然条件下形成的坡面细沟为研究对象。运用高精度三维激光扫描仪和全站仪分别于2016年1月、2017年1月与2017年8月对坡面进行扫描和测量。在室内结合相关技术软件,从单沟尺度和沟系尺度来分析在相同土壤性质,不同坡度、坡长及坡形条件下自然坡面细沟形态演化。主要内容及结论如下:(1)细沟在发育过程中,形态规模变化极为复杂,各量化参数数值变化较大。三次监测细沟各断面宽度均不断增大,但增幅有所差异。除个别断面外,两条细沟各断面深度和断面面积随着时间的推移而增大。第一次监测时,1号细沟绝大数断面宽度大于17cm,深度大于7cm,断面面积大于60cm~2;2号细沟绝大多数断面宽度大于25cm,深度大于10cm,断面面积大于80cm~2。第二次监测时,1号细沟绝大数断面宽度大于28cm,深度大于10cm,断面面积大于150cm~2;2号细沟绝大多数断面宽度大于40cm,深度大于20cm,断面面积大于500cm~2。第三次监测时,1号细沟绝大多数断面宽度大于40c m,深度大于12cm,断面面积大于200cm~2;2号细沟绝大数断面宽度大于60cm,深度大于26cm,断面面积大于700cm~2。总体上,两条细沟形态及规模随着时间不断变大,但变化程度有所差异,这是由于坡面细沟发育过程中,沿程径流的不断分散与汇集致使两条细沟形态规模差异较大。除了个别断面宽深比小于1外,两条细沟各断面宽深比均大于1,表明两个监测周期内多数断面以侧蚀为主,下切侵蚀为辅,侧蚀在两条细沟演化过程中占据主导地位。1号细沟各断面宽深比在三次监测均表现为自沟头向沟口处逐渐递减,2号细沟各断面宽深比则表现为自沟头向沟口逐渐增加。从细沟各断面形状指标η值来看,两条细沟三次监测各断面形状指标η值随时间变化无明显规律,细沟发育过程中断面形态差异大,表明野外自然条件下形成的细沟侧蚀与下切侵蚀具有不确定性与复杂性。两条细沟沟底曲线长度、沟底直线长度随着时间的推移呈先增大后减小的趋势。平均沟宽与面积在两个监测周期内呈现增加的趋势,这与细沟侧蚀能力增强有关。1号细沟周长单调递增,2号细沟则表现为先增后减,两者差异主要是1号细沟溯源侵蚀能力较2号细沟强。两条细沟弯曲系数均呈先增后减,这种变化趋势与沟底曲线长度和直线长度变化一致。两条细沟纵比降均呈先减后增的变化趋势。(2)坡面细沟沟系形态演化各参数之间差异较明显。两个坡面细沟沟系总长度、密度及复杂度均随着时间的推移呈先增后减的趋势,其中1号坡面沟系三次监测的总长度介于32.486-51.139m之间,密度介于0.760-1.196m/m~2之间,复杂度介于1.128-1.407之间;2号坡面沟系三次监测的总长度介于24.276-24.723m之间,密度介于1.588-1.617m/m~2之间,复杂度介于1.287-1.279之间,表明1号坡面沟系较2号坡面沟系更发达。两个坡面沟系节点数和长度比总体上呈增加趋势,1号坡面沟系分叉比单调递增,2号坡面沟系分叉比单调递减。两个坡面沟系的盒子分维数值均随着时间呈先增大后减小,而两个坡面依据Horton定理计算的分维数值变化差异较大,无明显规律性,1号坡面沟系分维数呈先减小后增加后减小,2号坡面沟系分维数呈逐渐减小。这是由于盒子分维数的计算依赖于沟系长度,而Horton定理计算的分维数则与沟系内部拓扑结构有关。两个坡面沟系侵蚀面积、堆积体积、沟内侵蚀体积及净侵蚀量均随着时间的推移而增大。2号坡面沟系第一次监测时除堆积体积小于1号坡面沟系,其他参数数值均大于1号坡面沟系,第二次和第三次监测时1号坡面沟系蚀积参数均大于2号坡面沟系。这是由于1号坡面面积大于2号坡面,细沟沟网密集程度大。蚀积参数递增体现了坡面细沟侵蚀不断加剧,细沟规模与形态增大。信息熵与侵蚀积分指示坡面侵蚀强弱,数值越大表明侵蚀越剧烈,细沟形态与规模也存在较大差异。两个坡面沟系信息熵与侵蚀积分呈现单调递增的趋势,且2号坡面沟系三次监测信息熵与侵蚀积分大于1号坡面沟系。这说明随着时间的推移坡面侵蚀越来越剧烈,细沟形态与规模也越大,2号坡面沟系发育程度大于1号坡面沟系,2号坡面沟系侵蚀强于1号坡面沟系。(3)从单沟尺度和沟系尺度形态特征演化规律来看。野外自然条件下形成的细沟形态演化虽具有不确定性与复杂性,但总体上,其形态规模随着时间不断变大。从量化单沟的形态参数来看,描述细沟形态最基本的指标宽度与深度,表现为两条细沟宽度随着时间呈增加趋势,深度大多亦呈增加,个别断面深度有所减小。横断面面积、宽深比和形状指标η值是由宽度和深度衍生而来。所监测的两条细沟大多数横断面面积呈增加,反映了细沟形态规模扩大。刻画细沟发育过程中形态演化特征的宽深比和形状指标η值波动较大,反映了细沟发育过程中细沟形态变化的复杂性。从量化沟系的形态参数来看,描述沟系一维空间上线状要素的变化规律是沟系长度呈先增后减,由此计算的细沟密度、复杂度和盒子维数也呈现同样的变化趋势。其他由线状要素衍生出的分叉比、长度比和沟系拓扑结构参数亦反映了沟系长度的变化及沟系网络分布局部的调整。描述沟系二维、三维空间上的规模参数变化规律反映沟系侵蚀不断,侵蚀量不断增加,细沟形态规模亦不断变大。
【图文】：

技术路线图

位置,概况,翠峰,农业科学

2 研究区概况2 研究区概况谋县沙地村某微流域坡面，位于云南省农业科学基地内，距离翠峰实验小学操场约 500m。沙地村辖的行政村，，距离元谋县县城 1km。监测区域所处于 101°35′- 102°06′E，25°23′-26°06′N 之间[79]（.69km2，海拔在 899-2835m 之间。
【学位授予单位】：西华师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S157.1

【参考文献】