基于元胞自动机的坡面细沟侵蚀过程模拟

论文摘要

坡面细沟侵蚀过程的时空动态模拟研究是当前土壤侵蚀学科的前沿科学问题,同时也是国内外研究热点问题之一。本研究以坡面细沟侵蚀过程为研究对象,采用元胞自动机(Cellular Automata,简称:CA)理论和方法,结合数值模拟、GIS技术和三维激光扫描技术,耦合降雨、下渗、径流、侵蚀、泥沙输移与沉积等过程于统一的CA框架下,建立坡面细沟发育过程CA数值模型。利用室内人工模拟降雨实验探索同一坡面多场降雨情况下细沟侵蚀的发生、发展和演化过程中产流产沙及细沟形态发育过程特性,深入理解细沟侵蚀过程,为建立细沟侵蚀模型提供理论依据与数据支持。利用人工模拟降雨实验数据,验证同等条件下模型模拟结果,评价模型的准确性和可靠性。得出以下主要结论:(1)通过扩展标准CA结构,定义元胞空间、模型假设与边界条件,确定合适的元胞大小、邻居构型、模型假设条件;耦合降雨、下渗、径流、侵蚀、泥沙输移与沉积等过程于统一的CA框架下,确定模型演化中降雨入渗、坡面流的形成以及土壤颗粒的分离、输移和沉积等每个环节运行的规则,构建了基于元胞自动机的细沟侵蚀过程CA模型。该模型可预测不同降雨情况下的坡面细沟侵蚀的发展趋势,同时输出细沟沟网以及坡面细沟侵蚀DEM数据,实现细沟侵蚀过程可视化。(2)15o黄绵土小区7场降雨细沟侵蚀过程中产流产沙特征表现为:综观7场降雨,每场降雨产流产沙均呈现先增大后又趋于稳定的现象。只有第1场降雨呈现略微不同的现象:第1场降雨初期土壤前期含水量较低,水分入渗较快,同时雨滴打击作用使表土产生大量松散土粒,经过1.44min降雨坡面产生径流。随着降雨历时的延长,表层土壤含水量逐渐达到饱和,从而坡面形成超渗产流,产流率增大,从而引起的表层疏松土粒输移,导致输沙率迅速增加至107.52 g/(m~2·min);随着表层疏松土粒的减少,输沙率降至73.92 g/(m2·min);随着降雨场次的增多,细沟逐渐形成,产流率趋于稳定,而由于径流对细沟的不断冲刷、掏蚀,致使输沙率稳步增加并伴随着一定的起伏。(3)利用三维激光扫描仪对坡面细沟侵蚀侵蚀沟发育过程进行了动态监测。分析监测结果可知细沟侵蚀是个很复杂的侵蚀过程,其细沟形态发育过程表现为:小跌水—下切沟头—断续细沟—连续细沟。在此过程中细沟沟头不断下切加深、沟壁崩塌导致细沟加宽、沟头溯源侵蚀加长,细沟呈现不断分叉和合并的形式,最后逐渐形成细沟沟网。由于20o塿土小区坡长较长,降雨40min后就已基本形成细沟沟网,60min后细沟沟网也发育成熟;与20o塿土小区相比,15o黄绵土小区细沟发育较为缓慢,因此也更完整地检测到了细沟侵蚀的全过程。(4)利用人工模拟降雨实验所得径流产沙数据对CA模型模拟的细沟总侵蚀量进行验证。对模拟值与实验值进行独立样本t检验,认为25o黄绵土小区和15o黄绵土小区模拟值与实验值差异均不显著,模拟值与实验值相差较小,仅有个别场次模拟总降雨侵蚀量偏差较大,其相对误差变化范围为3.3%～26.2%。15o黄绵土小区7场降雨误差均小于15%;而25o黄绵土小区除了最后一场降雨误差为26.2%之外,其余场次降雨误差亦小于15%。总体来讲,模拟值与实测值比较接近,因此可以认为所建模型能够较好地模拟每场降雨的总侵蚀量。(5)利用三维激光扫描仪所得扫描结果对CA模型模拟的细沟形态发育过程进行验证。对比实验和模拟的侵蚀参数结果得出:CA模型可以完整地模拟坡面细沟形态发育过程;但是模型模拟15o黄绵土小区细沟发育的侵蚀参数结果并不理想,其相对误差较大;而模拟的20o塿土小区侵蚀参数中有39%的相对误差小于10%;50%的相对误差在10%～20%范围内;11%的相对误差大于20%。模拟值与实验值较为接近,仅有个别值误差相对较大,因此可以认为CA模型模拟20o塿土小区结果较为可靠。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 土壤侵蚀及坡面细沟侵蚀概述
• 1.2.2 土壤侵蚀预报模型研究进展
• 1.2.3 细沟侵蚀过程模拟的研究进展
• 1.2.4 元胞自动机概述
• 1.2.5 元胞自动机在土壤侵蚀模型中研究进展
• 1.3 需要进一步解决的问题
• 第二章 研究内容和方法
• 2.1 研究内容
• 2.2 技术路线
• 2.3 研究方法
• 2.3.1 坡面细沟发育过程CA 模型的构建
• 2.3.2 人工模拟降雨实验设计
• 2.3.3 实验数据处理
• 第三章 基于CA 的土壤侵蚀过程模型构建
• 3.1 模型假设条件及结构确定
• 3.2 模型局部作用规则设计
• 3.2.1 土壤水下渗规则
• 3.2.2 水流和泥沙运移方向规则
• 3.2.3 元胞上水量分配规则
• 3.2.4 元胞上流速计算规则
• 3.2.5 元胞上泥沙输移规则
• 3.3 CA 模型软件系统设计及可视化实现
• 第四章 坡面细沟侵蚀动态过程研究
• 4.1 同一坡面多场降雨产流过程分析
• 4.2 同一坡面多场降雨产沙过程分析
• 4.3 同一坡面多场降雨侵蚀沟形态发育过程分析
• 第五章 基于CA 的土壤侵蚀过程模型验证
• 5.1 CA 模型模拟侵蚀产沙验证
• 5.2 CA 模型模拟细沟侵蚀形态验证
• 第六章 结论与讨论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介