水利工程論文-基于自組織理論的黃土坡面細溝發(fā)育特征分析摘要：結合作者提出的坡面發(fā)育自組織模型，本文對典型坡度條件下坡面的發(fā)育過程進行了模擬，并重點分析了面蝕與溝蝕在坡面侵蝕中的關系，尤其是關于面蝕和溝蝕貢獻大小的轉化機理這樣一些過去無法預測的方面。結果表明，面蝕與溝蝕在侵蝕機理上有本質的區(qū)別。當坡度小于20時，面蝕在總體侵蝕中所占的比例隨坡度的增大而迅速減?。划斊露却笥?0時，其減小速度隨坡度的繼續(xù)增加則明顯變緩。由面蝕為主向溝蝕為主的轉化過程之快慢，在土壤及降雨等條件一定時與坡面的坡度關系很大。15以下的緩坡面蝕向溝蝕轉化的時刻遠遠滯后于20以上的陡坡。這種差異可能是由于陡坡發(fā)育過程中坡面破碎程度遠遠高于緩坡所造成的。關鍵詞：黃土坡面細溝發(fā)育自組織模型面蝕溝蝕坡面發(fā)育過程中，細溝是如何從無到有?其發(fā)育過程具有什么特點?坡面形態(tài)如何變化?伴隨著細溝發(fā)育，面蝕量與溝蝕量的對比關系如何變化?這些都是細溝侵蝕研究的重要內容。坡面上的細溝由紋溝發(fā)育而來，沒有固定的流路，縱剖面與坡面一致，橫剖面呈“V”形或箱形，是坡面泥沙的主要來源和輸送渠道1。目前，相關的研究主要集中在細溝產生的臨界條件、影響細溝產沙的因素、細溝的產沙過程及細溝形態(tài)與其影響因素間的關系等方面。相應地，細溝侵蝕發(fā)生與發(fā)展2多用一些水力指標，如徑流深、流量和弗羅德數(shù)等來界定；影響細溝產沙的因素主要有土壤臨界切應力、水流的有效切應力和土壤管理因子等3；細溝形態(tài)則主要受坡度和徑流深的控制4。然而，由于測量手段的限制及研究方法的局限性，在這些研究中大都簡化了細溝的發(fā)育過程，多將細溝在整個產沙過程中按靜態(tài)處理，或根據(jù)細溝形態(tài)變化的實測結果與侵蝕動力變量建立簡單的經(jīng)驗關系，從而無法定量地揭示細溝發(fā)育的內在機理，也不易反映面蝕與溝蝕的轉化機制。鑒于此，本文利用前面驗證過的自組織模型對細溝發(fā)育過程和產沙動態(tài)變化過程規(guī)律進行定量的分析。1細溝發(fā)育過程模擬在坡面發(fā)育過程中，降雨及坡面微地貌是系統(tǒng)的無序輸入，而紋溝、細溝和溝網(wǎng)等則對應于系統(tǒng)的有序輸出。利用自組織模型中無序輸入與有序輸出之間的正反饋關系，可以動態(tài)地模擬細溝發(fā)育及坡面產沙過程。模型中采用侵蝕產沙公式5Dr=Krgh0-L/UfD+(fc-fD)e-kttan-0.3sin-Krc(1)式中：Dr為土壤侵蝕率，單位為kg/ms；Kr，為經(jīng)驗系數(shù)；為水密度，單位為kg/m3；g為重力加速度，單位為m/s2；為坡度；h0為雨滴落入坡面后在單元格上形成的徑流深度，單位為m；U為坡面水流速度，單位為m/s；L為流線長度，可以根據(jù)雨滴下落位置和下滲率及流速來計算，單位為m；fD為初入滲能力，單位為m/s；fc為穩(wěn)定入滲能力，單位為m/s；t為時間，單位為s；0為土壤顆粒被侵蝕啟動的臨界剪切力，單位為N/m2；k為常數(shù)。式(1)中的各參數(shù)在前文5中已由20度黃土坡面發(fā)育實驗進行標定。本文利用自組織模型對一組投影面積為1.5m5m，坡度分別為5、10、15、20、25和30的坡面在100分鐘，雨強為1mm/min的降雨條件下的坡面細溝發(fā)育及其伴隨的產沙過程進行預測。由于降雨條件及坡面模型中投影面積未發(fā)生改變，模型中的有關參數(shù)不需要重新率定。坡度的改變會直接影響坡面流速。本文采用張科利在黃土坡面的實驗觀測中確定流速與流量之間關系4U=2.81Q0.26J0.25(2)同時根據(jù)實驗中實測的流量，計算對應于各種坡度情況下的流速。參數(shù)確定后，利用自組織模型對坡面細溝發(fā)育過程進行模擬。模型中自降雨開始后每隔10min輸出一次坡面高程及相應的侵蝕產沙量。根據(jù)張科利等人2的研究，本文選擇侵蝕深度為1cm作為確定細溝的標準，即將各時段模型輸出的坡面高程與坡面原始高程相比，侵蝕深度大于1cm的標記為細溝。據(jù)此，即可計算細溝的有關參數(shù)。計算結果見圖1至圖6.圖1不同坡度條件下平均溝長的動態(tài)變化圖2不同坡度條件下平均溝深的動態(tài)變化圖3不同坡度條件下細溝條數(shù)的動態(tài)變化圖4不同坡度條件下溝蝕總量的動態(tài)變化圖5不同坡度條件下面侵蝕總量的動態(tài)變化圖6不同坡度條件下侵蝕總量的動態(tài)變化可以看出，515相對較緩的一組坡度以及2030相對較陡的一組坡度大致反映了兩組不同的細溝發(fā)育過程規(guī)律。前者總體上在溝長、溝深、溝數(shù)、溝蝕量、總侵蝕量等方面的變化較后者緩慢，這與以往的實驗觀測結果是十分吻合的。2面蝕與溝蝕的對比關系在不考慮重力侵蝕的情況下，坡面的總侵蝕量為面蝕量和溝蝕量之和。當已知坡面總侵蝕量、面蝕量和溝蝕量這三者之間任兩者之間的比例關系和第三者的侵蝕量之后，就可以計算出面蝕量和溝蝕量對坡面總侵蝕量的貢獻6。一般地，面蝕是指在坡面未形成輸運通道之前的雨滴濺蝕和片流侵蝕，而溝蝕是指發(fā)生在溝道內的侵蝕。將面蝕和溝蝕分離之后，就可能對面蝕和溝蝕過程進行獨立的研究，并對不同的侵蝕過程采用相應的防治措施。自組織模型有別于其它模型的一個重要特點就是能夠動態(tài)地輸出坡面地形和侵蝕量，從而有效地將坡面產沙過程中的面蝕與溝蝕量區(qū)分開來。利用自組織模型可以計算不同坡度情況下面蝕與溝蝕在坡面總侵蝕量中所占的比例(見圖7).從圖7可以看出，隨著坡度的增大面蝕在總侵蝕量中所占的比例迅速減小。面蝕量在5坡面上為溝蝕的5倍多，而30坡面上卻不足溝蝕的1/5，其原因是在坡度小的坡面上，水流薄而易分散，在坡面上形成漫流，而且由于水流速度較小，對坡面上土壤的拖曳力較小，不易在坡面上形成細溝，從而導致在緩坡上的面蝕過程緩慢，使得面蝕量與細溝侵蝕量的比值較大。相反在陡坡上，坡面侵蝕從面蝕到細溝侵蝕的轉變時間短，面蝕在侵蝕量中的比例減小，從而導致面蝕量與細溝侵蝕量的比值相對緩坡變小。圖7不同坡度面蝕量與細溝侵蝕量比值隨著坡度的增大面蝕在整個侵蝕量中的比重越來越小，然而在一次降雨過程中面蝕與溝蝕的貢獻大小有一個轉化過程。從圖8可以看出，單位時間面蝕量在侵蝕初期較高，其后，隨著細溝的發(fā)育和坡面破碎程度的加劇，單位時間面蝕量逐步下降，并穩(wěn)定在50g/min左右。另一方面，單位時間溝蝕量則在整個侵蝕過程中都不斷增加，在降雨后30min左右超過了面蝕量，并最終遠遠大于坡面侵蝕量。類似地，坡面累積溝蝕量在整個坡面發(fā)育過程中也逐漸超過累積面蝕量(見圖9).圖820坡面單位時間溝蝕量與面蝕量變化過程圖920坡面累積溝蝕量與面蝕量變化過程從坡面發(fā)育的過程來看，各坡度面蝕與溝蝕量的變化過程基本類似，在坡面侵蝕的初期以面蝕為主，其后隨著細溝的形成與發(fā)展，細溝產沙量逐漸增加并成為坡面產沙的主要來源。在這個由面蝕為主向以溝蝕為主的轉化過程中，坡度的影響十分重要。坡度增大時，水流速度加大，細溝侵蝕的發(fā)展速度加快，面蝕向溝蝕轉化的速度較快。反之，變化過程就相對較慢。確定各種坡度條件下面蝕向溝蝕轉化的臨界時間有助于把握不同階段坡面產沙的主要矛盾，從而便于有針對性地制訂防治措施。在整個坡面發(fā)育過程中，可以用兩個特征時間來描述面蝕向溝蝕的轉化過程：一個是單位時間細溝侵蝕量與單位時間面蝕量趨于相同時對應的時間Tcr1，另一個是在整個侵蝕過程中累積細溝侵蝕量與累積面蝕量趨于相同時對應的時間Tcr2。Tcr1與Tcr2隨坡度變化規(guī)律見圖10.可以看出Tcr1和Tcr2隨坡度的變化趨勢大致相同。在5坡，整個實驗過程中面蝕都是決定坡面侵蝕的主要方面；對于10與15坡的情形，Tcr1相應于模擬降雨后50min左右，Tcr2相應于8090min左右；對于20以上的陡坡，Tcr1小于30min，Tcr2為50min左右。由此可見，在面蝕向溝蝕轉化的過程中，陡坡與緩坡的變化規(guī)律存在很大差異。造成這種差異的原因在于不同坡度下的細溝發(fā)育過程的不同。由圖1至圖3可以看出，在坡面的細溝發(fā)育過程中，溝長主要受坡長限制，在發(fā)育到“無侵蝕區(qū)”之前，細溝有著充分的發(fā)育空間，與坡度的關系不大；而細溝的溝深受侵蝕基準面的限制，最終發(fā)育至3cm左右，受坡度的影響也不大。從反映坡面破碎程度的細溝條數(shù)變化過程來看，陡坡與緩坡有著明顯的差異。對于緩坡而言，細溝條數(shù)在坡面發(fā)育過程中的增加速度基本保持穩(wěn)定，同時細溝條數(shù)也較少；陡坡上的細溝條數(shù)明顯高于緩坡，并且在降雨50min內的增加速度很快。進一步對不同坡度的細溝條數(shù)發(fā)育過程進行聚類分析，可以發(fā)現(xiàn)5、10和15坡面屬于一類，而20以上的坡面則屬于另一類。由此可見，陡、緩坡下細溝條數(shù)(坡面破碎程度)發(fā)育過程的不同正是導致面蝕向溝蝕轉化速度不同的原因。圖10不同坡度主要侵蝕類型轉化時刻圖11各坡度細溝條數(shù)發(fā)育過程聚類3結論應用基于自組織思想的坡面細溝侵蝕模型，對黃土坡面細溝發(fā)育及侵蝕的過程進行了定量模擬，初步揭示了黃土坡面細溝發(fā)育的特征，主要結論如下。(1)利用自組織模型中無序輸入與有序輸出之間的正反饋關系，可以動態(tài)地模擬細溝發(fā)育及坡面產沙過程，并有效地將坡面產沙過程中面蝕與溝蝕量區(qū)分，這是坡面侵蝕在理論研究方面的一個進展。(2)面蝕在整個侵蝕過程中的貢獻隨坡面坡度的增大而迅速減小。在緩坡坡面上面蝕作用遠較溝蝕作用為大，但在陡坡坡面上則明顯較溝蝕作用為小。(3)坡面侵蝕由面蝕向溝蝕轉化的快慢與坡面坡度的大小有密切關系，轉化的快慢可以通過單位時間面蝕量與溝蝕量趨同的臨界時間Tcr1以及累積面蝕量與溝蝕量趨同的臨界時間Tcr2來表征。Tcr1和Tcr2隨坡度具有類似的變化規(guī)律，但在坡度小于20和大于20兩種條件下的變化趨勢有明顯不同。參考文獻：1唐克麗，孫清芳。杏子河流域坡耕地水土流失及其防止J。水土保持通報，1983，3(5)：43-48.2張科利，秋吉康宏。坡面細溝侵蝕發(fā)生的臨界水力條件研究J。土壤侵蝕與水土保持學報，1998，4(1)：41-46.3鄭粉莉，唐克麗，張成娥。降雨動能對坡耕地細溝侵蝕影響的研究J。人民黃河，1995，17(7)：22-24.4張科利。黃土坡面發(fā)育