基于立体摄影技术的黄土坡面细沟侵蚀发育过程量化研究

发布时间：2020-07-24 20:17

【摘要】：细沟形态及细沟水流参数的快速、准确测量是坡面土壤侵蚀研究的难点,而细沟发育不同阶段各主导发育方式过程的量化研究将为侵蚀预报模型的建立提供理论依据。为此,本论文针对目前细沟侵蚀监测方法及细沟侵蚀过程量化研究的不足,基于模拟降雨试验和模拟径流试验相结合的试验方法,采用三维激光扫描和立体摄影测量技术,建立了细沟侵蚀过程的实时动态监测系统和数据处理方法,研究了黄土坡面细沟及细沟网发育过程,量化了细沟沟头溯源侵蚀、沟底下切侵蚀和沟壁扩张侵蚀3种细沟主导发育方式,剖析了其关键过程和影响因子,构建了基于细沟不同主导发育方式的黄土坡面细沟侵蚀方程式。其研究结果为细沟侵蚀变化规律的研究和坡面侵蚀预报模型的构建提供理论基础,并为黄土高原地区坡耕地土壤侵蚀防治提供科学依据。主要研究结论如下:(1)建立了基于立体摄影测量技术的细沟形态及细沟水流参数的自动监测方法。在坡面无径流条件下,基于立体摄影测量技术提取的高精度DEM,能直接准确测量细沟的长度、宽度和深度;在坡面有径流条件下,通过立体摄影测量影像可以直接量取细沟的长度、宽度和细沟水流宽度,运用内插法可准确测量和计算细沟深度和细沟水流深度的实时动态变化。采用Linux操作系统控制2台相机同时曝光,实现了细沟沟壁扩张侵蚀过程的实时动态监测;运用超声波测距原理,实现了不易侵蚀层存在条件下细沟水流深度、宽度和流速的实时测量;利用Matlab的编程功能和Arc GIS的三维分析功能,比较分析了单幅图像法、双图像色差法和双图像DEM法在数据处理上的优劣,结果表明这3种方法估算的细沟宽度均能达到较高精度,其平均相对误差仅为-2.7%~2.7%。(2)分析了黄土坡面细沟及细沟网发育过程。试验条件下细沟网的发育经历了一个由简单到复杂再趋于简单的过程,主细沟的长、宽、深及等高线偏离度随降雨过程呈增加趋势,而二级细沟的长度随降雨过程呈先增加后减少的趋势。细沟侵蚀速率和总侵蚀速率的最大值均出现在以细沟沟底下切侵蚀为主并伴随沟壁扩张侵蚀的阶段,而两者的最小值则发生在以细沟沟头溯源侵蚀为主的阶段。细沟发育初期坡面侵蚀发生的临界径流剪切力、临界径流功率和临界单位径流功率最大;在细沟发育末期,主导发育方式为沟壁扩张侵蚀,临界径流剪切力、临界径流功率和临界单位径流功率最小。细沟袭夺是细沟密度降低的直接原因,犁底层的存在可大幅降低细沟沟底下切侵蚀速率而增加沟壁扩张侵蚀速率,二级细沟沟头的溯源侵蚀是细沟深度增加的决定性因素。(3)量化了细沟沟头溯源侵蚀过程。试验条件下,细沟沟头溯源侵蚀速率和坡面产沙率皆随流量和坡度的增加而增加,而二级沟头数却不随流量和坡度的增加而严格增大。细沟长度随时间的增加呈一次函数增加,且增加速率受流量和坡度乘积的影响;以沟头溯源侵蚀为主的细沟侵蚀过程受沟头跌坎高度、一级沟头溯源侵蚀速率、一级沟头下方沟槽发育的二级沟头数和土壤内在性质的共同制约,坡面产沙率与沟头跌坎高度、一级沟头溯源侵蚀速率、一级沟头下方沟槽发育的二级沟头数的关系可由一个多元非线性回归方程表达。(4)定量表达了细沟沟底下切侵蚀过程。试验条件下,细沟沟底下切侵蚀速率和坡面产沙率皆随流量和坡度的增加而增加。沟底下切侵蚀过程可分为3个阶段(下切沟头形成前期、二级/三级沟头下切期和下切沟头形成后期),其中二级/三级沟头下切期以不到15%的持续时间产生了多于65%的下切侵蚀量。细沟深度随时间的增加呈一次函数增加,且增加速率受流量和坡度乘积的影响;由沟底下切侵蚀产生的细沟侵蚀量与上方汇流量和坡度的关系可用一次函数表达。(5)刻画了细沟沟壁扩张侵蚀过程。试验条件下,细沟沟壁扩张侵蚀速率和坡面产沙率皆随流量、坡度的增加而增加,随初始细沟宽度的减少而增加。沟壁扩张侵蚀可分为4个子过程(沟脚淘涮、张力裂隙的形成和发展、沟壁崩塌和崩塌物的分散与搬运),其中沟脚淘涮过程可形成3种淘涮弧类型(普通弧、表面弧和反弧)。细沟宽度随时间的变化过程可由包括初始细沟宽度、上方汇流量和坡度的指数函数来模拟;建立了基于水流剪切力和重力的细沟沟壁扩展模型。(6)构建了基于细沟不同主导发育方式的细沟侵蚀方程式。溯源侵蚀、溯源侵蚀×扩张侵蚀的交互作用、溯源侵蚀×下切侵蚀×扩张侵蚀三者的交互作用对单宽细沟侵蚀产沙率有极显著影响。试验条件下,沟头溯源侵蚀在黄土坡面单条细沟侵蚀中占主导地位,其引起的侵蚀量占总细沟侵蚀量的45.9%~87.2%,沟头溯源侵蚀是模拟黄土坡面细沟侵蚀量的最佳指标;分别建立了基于细沟沟头溯源侵蚀、沟底下切侵蚀和沟壁扩张侵蚀的细沟侵蚀方程式。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S157.1
【图文】：

技术路线图,技术路线

技术路线

模型图,细沟,坡面,三维渲染

图 2-2 三维激光扫描法获取坡面细沟形态的外业操作（a：三维激光扫描仪的架设；b：降雨结束后坡面细沟形态；c：点云数据；d：三维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)

试验装置图,试验装置

图 2-3 模拟上方汇水试验装置图Figure 2-3 Experimental facilities using photogrammetry technique

【参考文献】