小流域坡面和沟道系统土壤侵蚀过程的数值模拟研究

Abstract

土壤侵蚀成为全球性环境灾害之一，严重威胁着农业的发展和人类的生存。土壤侵蚀是导致土地资源退化和损失的主要原因,同时又造成水体污染。随着人们对环境问题的更加关注，土壤侵蚀预报预测研究受到人们的普遍关注。土壤侵蚀过程预报可以为水土保持措施的合理布局、水土流失的有效监测、水土保持措施实施效益的评估提供科学手段。研究坡面和沟道系统组成的小流域土壤侵蚀模型对于理解流域土壤侵蚀机理十分重要，可以为更大尺度或/和更复杂流域土壤侵蚀预报的研究提供基础。本研究将流域系统土壤侵蚀过程划分为由坡面和沟道构成的系统，建立了沟道侵蚀子模型，包括：水流连续（质量守恒）方程、动量守恒方程、侵蚀产沙方程、泥沙连续（质量守恒）方程。将坡面产流、产沙作为坡面对沟道水流和侵蚀量影响的外来驱动因素加以考虑，建立了坡面侵蚀、沟道侵蚀的流域系统土壤侵蚀过程数学模型。将测量得到的实体流域离散高程数据，生成流域数字高程模型DEM，基于DEM建立了汇流网络及沟网拓扑关系，以此为基础建立了汇水坡面面积、汇水坡长、汇水坡面坡度随沟长变化的函数关系以及沟道坡度随沟长变化的函数关系。这些关系的建立为有限元数值模拟中实现沟道任意划分单元的坡面汇水/汇沙及沟道侵蚀产沙量的计算提供了参数。采用有限元方法对流域侵蚀模型进行数值离散，用FORTRAN　POWERSTATION编程，得到了流域土壤侵蚀过程数值模拟软件。在中国科学院水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室建立了室内小流域模型（面积65.9 m2，包括3条支够和1条主沟），用于获取不同降雨条件下小流域土壤侵蚀动态过程数据，与不同工况的数值模拟结果进行比较，以检验所建立的模型、采用的数值方法及模拟程序的正确性。小流域试验采用塿土和黄绵土。试验涉及两个影响因素：降雨强度、降雨历时。降雨强度采用4个水平：25，50，75，100 mm/h；降雨历时采用3个水平：5，10，15 min。采用自动化测量系统对流域典型点处流量、流速、含沙量动态变化过程进行了测量，同时对流域出口处的水流含沙量进行了手工测量。结果表明，自动化测量系统测量流域内典型点处流域产流、产沙动态过程完全可行，其测量结果为流域模型的正确性检验提供了可靠数据。用流域土壤侵蚀动态模拟模型得到了50 mm/h雨强、5 min降雨历时条件下流域模型典型点处的径流流量、流速、径流含沙量的动态变化过程。模拟结果与实验测量结果比较显示：各沟道出口处流量相关系数（r）分别为：0.92，0.90，0.95，0.92；含沙量相关系数（r）分别为：0.92，0.92，0.96，0.91，模拟精度均高于90％。各沟道流速模拟结果的精度也高于80％，结果显示该流域侵蚀动态模拟模型及其计算方法是正确的，对流域内典型点处侵蚀产流产沙过程的模拟结果是合理的。采用流域土壤侵蚀过程测量系统对变雨强降雨条件下模型流域（粘黄土）的侵蚀产流－产沙过程进行试验研究。变雨强采用2种变化方式：由30 mm/h逐步升高到100 mm/h (30-100 mm/h)；由100 mm/h逐步降低到30mm/h (100-30 mm/h)。两种变雨强条件下流域侵蚀产流、产沙试验研究表明：1. 流量过程显示100-30 mm/h的起流过程比30-100 mm/h迅速，泥沙含量和输沙量都表现出相同的特征。2. 100-30 mm/h的退流过程比30-100 mm/h慢。3. 产流－退流的中间过程，30-100 mm/h降雨条件下，产流量与输沙量间具有较好的相关关系；100-30 mm/h降雨条件下，产流量与输沙量间相关关系较差。</span