細溝侵蝕物理模型

前言

　　環(huán)境和發(fā)展問題，是21世紀全球面對的核心問題之一。長期土地、植被資源的不合理開發(fā)利用，對土地資源的質(zhì)量造成了很大的負面影響：水土嚴重流失、生態(tài)環(huán)境惡化、干旱水災(zāi)頻繁發(fā)生、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下并且抵御自然災(zāi)害的能力削弱。根據(jù)第二次全國土壤侵蝕遙感普查的資料，目前我國土壤侵蝕面積達到357萬km2，其中水力侵蝕的面積約占44％，風(fēng)力侵蝕的面積約占54％。水土流失既是造成土地生產(chǎn)力退化的主要原因，又是河流泥沙與水體非點源污染的主要來源，嚴重的水土流失導(dǎo)致可耕地減少、地力衰減，直至土地生產(chǎn)力的根本性破壞，對農(nóng)業(yè)發(fā)展、人們生活和生存構(gòu)成了嚴重威脅，是當(dāng)前影響環(huán)境和發(fā)展的環(huán)球性災(zāi)害之一。水土流失直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并將繼續(xù)影響農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，將威脅2l世紀我國15多億人口的食物安全供給。研究土壤侵蝕過程對于控制水土流失、改善人類的生存環(huán)境，特別是對貧困地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。　　土壤侵蝕預(yù)報模型研究是當(dāng)今土壤侵蝕科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。土壤侵蝕預(yù)報研究的重要作用是，估計土壤流失的速度，將預(yù)測的土壤侵蝕模數(shù)與允許土壤流失量加以比較，從而確定合適的土地利用方式；另外，研究可以用于評價不同水土保持措施的功能與效益。國際、國內(nèi)研究土壤侵蝕的傳統(tǒng)方法多以實地觀察、測量、建立侵蝕產(chǎn)沙與若干影響因子之間的經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系（模型）為主。這種研究方法所取得的結(jié)果可靠，但將其應(yīng)用于預(yù)報則十分困難。最主要的原因之一是，無法明了土壤侵蝕系統(tǒng)的功能如何隨著控制因子變化。由于應(yīng)用時所遇到的條件與試驗時所采用的條件有很大出入，這種情況下往往需通過標定對參數(shù)進行調(diào)整，而這種調(diào)整在一般情況下具有很大的隨機性，并且很大程度上受人的主觀意志影響。采用這種方式只能進行土壤侵蝕的事后驗證，其結(jié)果與實測結(jié)果相差很大，兩者間相差一倍或更大頗為常見。其另一主要不足是這種研究方法預(yù)報只能給出極其有限空間、時間點的土壤侵蝕信息，土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展與演變過程不清楚，即無法回答土壤侵蝕的時間、空間分布規(guī)律。這給指導(dǎo)水保實踐帶來很大困難，因為只有通過對過程的控制才能實現(xiàn)對最終結(jié)果。_一土壤侵蝕的有效控制。目前關(guān)于土壤侵蝕預(yù)報模型的研究，無論是經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦€是物理過程模型，都存在模擬土壤侵蝕時空變化規(guī)律、模型參數(shù)的確定方法、考慮水沙耦合作用等問題，始終是建模技術(shù)路線和實證實驗的難點。

內(nèi)容概要

　　本書系統(tǒng)闡述了作者多年來在土壤侵蝕預(yù)報模型參數(shù)獲取方法和侵蝕模擬方面的最新研究成果。全書共15章。主要內(nèi)容有土壤侵蝕模型研究的進展、存在的問題和建模難點；細溝侵蝕模型的有限元數(shù)值計算方法和有限元的程序設(shè)計，不同工況條件下的細溝侵蝕動態(tài)過程的模擬；細溝侵蝕傳統(tǒng)實驗方法及其局限；系統(tǒng)確定土壤侵蝕物理預(yù)報模型參數(shù)輸沙能力、細溝侵蝕剝蝕率、土壤臨界剪切力和土壤可蝕性參數(shù)的實驗方法和數(shù)學(xué)計算方法；利用多種稀土元素示蹤法研究細溝侵蝕產(chǎn)沙過程及細溝剝蝕率的試驗方法和計算方法；現(xiàn)有細溝土壤侵蝕物理預(yù)報模型基本參數(shù)估算方法的缺陷、誤差產(chǎn)生的原因和減少誤差的方法；對wEPP模型細溝侵蝕產(chǎn)沙方程進行驗證；應(yīng)用有限元方法構(gòu)建的細溝侵蝕預(yù)報模型模擬放水沖刷及降雨條件下的細溝侵蝕產(chǎn)沙過程?！　”緯晒┩寥狼治g、水土保持、流水地貌、生態(tài)、水文、自然地理、國土整治、土壤物理、農(nóng)林牧和水利等部門的研究人員及高等院校相關(guān)專業(yè)師生等參考。

書籍目錄

序前言第1章　緒論1.1　土壤侵蝕與細溝侵蝕研究的重要性1.2　土壤侵蝕預(yù)報模型研究進展1.3　坡面流研究進展1.3.1　坡面流數(shù)學(xué)模型1.3.2　降雨對坡面流的影響1.3.3　坡面細溝流輸沙能力公式1.4　細溝侵蝕預(yù)報模型研究的意義1.5　模型參數(shù)的物理意義及求解方法1.5.1　細溝侵蝕剝蝕率1.5.2　細溝侵蝕輸沙能力1.5.3　細溝可蝕性參數(shù)及土壤臨界抗剪切力第2章　細溝侵蝕動態(tài)過程與物理模型2.1　細溝侵蝕動態(tài)過程描述2.2　一維水流連續(xù)性方程2.3　水流動量守恒方程2.4　泥沙質(zhì)量守恒方程第3章　細溝侵蝕模型有限元計算方法3.1　有限元方法的概念及在細溝侵蝕領(lǐng)域中的應(yīng)用3.2　偏微分方程的近似積分法3.2.1　理論基礎(chǔ)3.2.2線性插值函數(shù)3.2.3　一維有限元計算公式——Oalerkin方法3.3　一維細溝侵蝕模型的有限元方法3.3.1　單元有限元方程的推導(dǎo)3.3.2　時間微分處理——有限差分法3.3.3　有限元法的總體合成3.3.4　邊界條件處理3.3.5　有限元總體方程的解法第4章　有限元的程序設(shè)計4.1　單元矩陣及其計算方法4.2　輸入初始數(shù)據(jù)4.3　一般矩陣的合成與求解4.3.1　總體（全局）剛度矩陣的合成（裝配）4.3.2　矩陣的向量化存儲4.3.3　矩陣相乘4.3.4　線性方程組的無回代求解4.4　帶狀矩陣的合成與求解4.4.1　存儲帶狀矩陣4.4.2　合成單元矩陣到帶狀向量空間4.4.3　引入邊界條件4.4.4　向量存儲帶狀方程組的求解第5章　細溝侵蝕過程的模擬與檢驗5.1　非限定性細溝侵蝕試驗及泥沙連續(xù)方程參數(shù)設(shè)定5.1.1　模型的描述5.1.2　有限元計算方法與計算公式5.2　非限定性細溝侵蝕過程的實驗?zāi)M與驗證5.2.1　方法5.2.2　物性參數(shù)5.3　細溝溝床的瞬態(tài)演變模擬結(jié)果與檢驗5.3.1　細溝寬度和溝床坡度不隨時間、空間變化5.3.2　細溝寬度不隨時間變化、空間均勻，坡度隨時間變化、空間非均勻5.3.3　時間不變但空間非均勻?qū)挾燃皶r變與空間非均勻坡度5.3.4　時變及空間非均勻變化的溝寬和溝床坡度5.3.5　細溝溝床的瞬態(tài)演變模擬結(jié)果檢驗第6章　細溝侵蝕傳統(tǒng)實驗方法及其局限6.1　試驗方法6.2　試驗結(jié)果6.2.1　泥沙含量與坡度及人流量的關(guān)系6.2.2　輸沙能力與采樣長度的關(guān)系6.3　細溝溝寬與泥沙的波動6.3.1　溝寬與坡度及人流量的關(guān)系6.3.2　細溝的周期性形態(tài)6.3.3　流速與坡度及流量的關(guān)系6.4　傳統(tǒng)試驗方法的局限性第7章　細溝侵蝕過程的系統(tǒng)實驗方法7.1　細溝侵蝕動態(tài)過程的概念7.2　試驗材料和方法7.2.1　試驗水槽設(shè)計及土壤處理7.2.2　供水及流量控制和試驗量測7.3　試驗數(shù)據(jù)及其表達第8章　細溝土壤剝蝕過程8.1　細溝侵蝕剝蝕率及其計算方法8.2　水流含沙量對細溝剝蝕率的影響8.3　細溝剝蝕率與細溝溝長的關(guān)系8.4　細溝剝蝕率的解析方法8.5　細溝剝蝕率解析結(jié)果的檢驗8.6　陡坡細溝侵蝕含沙量的解析方法第9章　細溝侵蝕產(chǎn)沙輸沙過程與輸沙能力9.1　輸沙能力及其試驗確定方法9.2　細溝輸沙能力的解析方法9.3　輸沙能力與坡度和流量的關(guān)系9.4　輸沙能力與水流功率的關(guān)系第10章　土壤可蝕性參數(shù)和臨界抗剪切應(yīng)力10.1　WEPP模型細溝可蝕性參數(shù)估計10.2?。ㄓ欣恚嶒灧ù_定細溝可蝕性參數(shù)與臨界抗剪切應(yīng)力10.2.1　理論分析及數(shù)學(xué)推導(dǎo)10.2.2　參數(shù)計算及分析10.3　疏松土壤材料中細溝的再生及其臨界剪應(yīng)力的實驗研究10.3.1　材料與方法10.3.2　坡度與單寬流量的關(guān)系10.3.3　臨界剪切應(yīng)力與坡度的關(guān)系第11章　細溝侵蝕動態(tài)過程的稀土元素示蹤法11.1　REE示蹤元素的用法與用量的計算11.1.1　REE示蹤元素的選取及坡面布置11.1.2　施放深度及濃度11.1.3　示蹤土樣的配制11.1.4　沖刷試驗設(shè)計11.2　計算方法11.2.1　樣品采集和土壤侵蝕量的計算11.2.2　含沙量的計算11.3　REE示蹤法估算細溝侵蝕產(chǎn)沙分布11.3.1　不同水動力條件下細溝侵蝕產(chǎn)沙分布11.3.2　測定精度11.4　細溝流剝蝕率的REE示蹤法研究第12章　WEPP模型細溝侵蝕產(chǎn)沙方程理論分析與實驗驗證12.1　試驗結(jié)果及解析驗證12.2　理論分析及試驗驗證第13章　WEPP模型中細溝可蝕性參數(shù)估計方法誤差的理論分析13.1　WEPP模型確定可蝕性參數(shù)的實驗與計算方法13.2　WEPP模型細溝土壤可蝕性參數(shù)估計誤差來源13.3　WEPP模型細溝可蝕性參數(shù)誤差的估算第14章　模型參數(shù)及有限元模擬算法的檢驗14.1　初始及邊界條件14.2　集中水流條件下細溝侵蝕隨坡長變化過程的模擬14.2.1　模擬程序流程圖14.2.2　模擬工況14.2.3　模型輸入?yún)?shù)14.2.4　模擬結(jié)果14.3　傳統(tǒng)輸沙能力公式對細溝侵蝕產(chǎn)沙過程的影響14.4　傳統(tǒng)土壤可蝕性參數(shù)對細溝侵蝕產(chǎn)沙過程的影響14.5　輸沙能力與土壤可蝕性參數(shù)的共同影響14.6　細溝剝蝕過程第15章　降雨條件下細溝侵蝕的有限元模擬15.1　有降雨條件下的細溝侵蝕實驗15.1.1　實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)表達15.1.2　初始及邊界條件15.2　模型模擬結(jié)果與分析15.2.1　模擬流程圖15.2.2　模擬結(jié)果15.2.3　結(jié)果分析15.3　細溝侵蝕過程有限元模擬的可視化15.3.1　系統(tǒng)組成簡介15.3.2　系統(tǒng)主要優(yōu)點參考文獻附錄　模型參數(shù)計算程序

章節(jié)摘錄

　　動態(tài)土壤侵蝕包括依賴于空間與時間的土壤剝離、細溝的形成、水流中過量泥沙的沉積、沉積泥沙中細溝的再生等物理過程。與泥沙從沉積區(qū)域再剝離相關(guān)聯(lián)的細溝再生是細溝變窄加深過程中的一個重要的現(xiàn)象。本節(jié)介紹一種實驗裝置，用于測量類似于沉積土壤的疏松土壤材料細溝再生的力學(xué)參數(shù)。用一種砂壤土進行實驗，測定了不同團聚體大小和坡度下細溝再生開始和停止所對應(yīng)的臨界水流量，計算與溝坡相關(guān)的臨界剪切應(yīng)力。這些結(jié)果有助于理解細溝的再生及其數(shù)量關(guān)系，以及臨界剪切應(yīng)力與坡度間的定量關(guān)系，對于發(fā)展由沉積土壤再生的細溝演化過程模型構(gòu)建有促進作用?！　‘?dāng)細溝水流中的泥沙含量超過水流的輸沙能力時，水流中的泥沙開始向溝床表面沉積。結(jié)果細溝加寬，水流變得更淺，引發(fā)進一步得沉積，使得細溝變得更寬、更淺。通常，在泥沙沉積區(qū)域的上方有一個積水區(qū)域。當(dāng)該積水區(qū)域的下方坡度達到某一臨界條件時，水流開始在沉積的土壤上切出新的細溝。這種細溝的再生過程一直持續(xù)到侵蝕溝床坡度變得平坦，達到某一較小的坡度為止。Nearing等（1997）在室內(nèi)細溝侵蝕水槽實驗中，觀察到了這種現(xiàn)象?！　榱藢@種現(xiàn)象進行數(shù)值模擬，必須獲得與這種細溝再生相關(guān)的參數(shù)，即在給定水流量時，沉積泥沙區(qū)域細溝再生開始和停止的臨界坡度；或者在坡度給定的情況下，細溝再生開始和停止的臨界流量。

編輯推薦

　　《細溝侵蝕物理模型》瞄準土壤侵蝕學(xué)科前沿，系統(tǒng)闡述作者多年來在土壤侵蝕預(yù)報模型參數(shù)獲取方法和侵蝕模擬方面的最新研究成果。在作用和變量控制下，進行室內(nèi)細溝侵蝕精細模擬創(chuàng)新實驗，對野外因種種原因無法研究的類似變量和作用關(guān)系加以分析、控制及精確測量，研究細溝侵蝕過程以及細溝流侵蝕作用過程中系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的分布及轉(zhuǎn)化，細溝水流剪切力作用下土壤顆粒由地表剝離的動力學(xué)機制、泥沙的輸運力學(xué)過程，與土壤侵蝕預(yù)報相關(guān)參數(shù)的定量測定方法。提出系統(tǒng)確定細溝水蝕預(yù)報物理模型中參數(shù)體系的實驗方法和計算方法。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    細溝侵蝕物理模型 PDF格式下載

---