浅沟和切沟侵蚀研究

本书针对流域侵蚀治理的迫切需要，聚焦浅沟和切沟侵蚀过程量化与机理研究的前沿领域，基于大量的野外定位观测和控制条件模拟试验资料，结合立体摄影测量和三维激光扫描等现代测量技术，揭示了浅沟和切沟的发生发展过程，明确了降雨、汇流、壤中流和土壤管道流等侵蚀动力和地形因子对沟蚀过程的影响，基于CCHE2D水动力学模型模拟了浅沟集水区水动力学参数的时空分布特征，阐明了切沟发育过程及其不同发育阶段各主导侵蚀过程对坡面侵蚀的作用，明确了典型流域切沟形态的空间分布特征，构建了切沟宽度、表面积和体积的转换模型等。
本书可供从事土壤侵蚀、水土保持、地理学、土壤学、生态环境等领域的科研人员、高等院校相关专业师生以及相关领域管理人员参考。

前言
第1章沟蚀过程研究动态与研究重点1
1.1细沟、浅沟和切沟侵蚀的区别1
1.2浅沟侵蚀研究动态分析3
1.2.1浅沟形成过程与浅沟系统概念3
1.2.2浅沟侵蚀发生的临界条件4
1.2.3浅沟侵蚀的影响因子6
1.2.4浅沟侵蚀预报模型8
1.3切沟侵蚀研究动态分析9
1.3.1切沟发展阶段划分与切沟发展的主要方式10
1.3.2切沟发生的临界条件10
1.3.3切沟侵蚀的影响因素11
1.3.4切沟侵蚀预报模型12
1.4沟蚀过程的监测方法与技术12
1.4.1传统测量方法与技术13
1.4.2现代测量方法与技术13
1.5沟蚀研究的重点14
参考文献15
第2章基于野外原型观测的浅沟侵蚀过程研究22
2.1大型浅沟集水区浅沟侵蚀过程的监测方法23
2.1.1野外观测站与观测场布设23
2.1.2降雨、径流、产沙与沟道形态监测方法24
2.1.3基于三维激光扫描技术的浅沟集水区侵蚀沟形态监测方法25
2.1.4基于立体摄影测量技术的浅沟沟槽形态监测方法27
2.2侵蚀性降雨特征对浅沟集水区侵蚀产沙的影响27
2.2.1侵蚀性降雨雨型划分及降雨特征指标分析27
2.2.2浅沟集水区径流和侵蚀产沙对降雨雨型的响应31
2.2.3不同降雨雨型下浅沟集水区次降雨过程和径流过程特征33
2.2.4基于不同降雨雨型的浅沟集水区侵蚀量与降雨特征指标的关系分析36
2.2.5划分侵蚀性降雨雨型的浅沟集水区土壤侵蚀量与PI30方程的验证38
2.3不同降雨雨型下浅沟集水区上方来水来沙对浅沟侵蚀的影响40
2.3.1增水系数与增沙系数的定义40
2.3.2不同降雨雨型下上方来水来沙对浅沟侵蚀带产流产沙的贡献分析41
2.3.3不同降雨雨型下增沙系数与增水系数的关系分析42
2.3.4降雨特征对增沙系数的影响43
2.4浅沟动态发育变化过程的量化研究47
2.4.12003～2015年浅沟发育动态变化47
2.4.2基于三维激光扫描技术的浅沟形态动态变化过程49
2.4.3基于立体摄影测量技术的浅沟沟槽跌坎链形态特征52
2.5结语54
参考文献54
第3章基于模拟试验的浅沟侵蚀过程研究59
3.1降雨强度和坡度对浅沟侵蚀影响的试验研究60
3.1.1试验设计与研究方法60
3.1.2降雨强度和坡度对浅沟坡面土壤侵蚀的影响64
3.1.3降雨强度和坡度对浅沟形态的影响66
3.1.4基于浅沟系统方向导数值的侵蚀严重部位界定69
3.2坡面上方汇流对浅沟侵蚀过程影响的试验研究73
3.2.1试验设计与研究方法73
3.2.2上方汇流强度对浅沟坡面侵蚀的影响75
3.2.3上方汇流强度对浅沟沟槽水流流速的影响80
3.2.4浅沟坡面侵蚀率与上方汇水区地形及降雨强度的关系分析81
3.3坡面上方汇流和侧方汇流对浅沟侵蚀影响的试验研究83
3.3.1试验设计与研究方法83
3.3.2上方汇流和侧方汇流对坡面径流和侵蚀过程的影响87
3.3.3坡面汇流流路与浅沟发育过程90
3.3.4上方和侧方汇流对坡面土壤侵蚀量的贡献分析92
3.4结语93
参考文献94
第4章壤中流和土壤管道流对浅沟沟头溯源侵蚀过程的影响97
4.1试验设计与研究方法98
4.1.1模拟试验设备98
4.1.2模拟试验设计100
4.1.3跌水坑形态特征指标102
4.2壤中流水头高度和坡度对浅沟沟头溯源侵蚀过程的影响103
4.2.1壤中流水头高度对浅沟沟头溯源侵蚀及跌水坑形态的影响103
4.2.2坡度对浅沟沟头溯源侵蚀过程的影响104
4.3土壤管道流对浅沟沟头溯源侵蚀过程的影响106
4.3.1无土壤管道时的沟头溯源侵蚀过程106
4.3.2土壤管道存在对浅沟沟头溯源侵蚀过程的影响110
4.3.3土壤管道流对浅沟沟头溯源侵蚀过程的影响111
4.4壤中流和土壤管道流在沟头溯源过程中的作用114
4.4.1壤中流在沟头溯源侵蚀过程中的作用114
4.4.2土壤管道和管道侵蚀在沟头溯源侵蚀中的作用114
4.5结语115
参考文献116
第5章基于水动力学模型CCHE2D的浅沟集水区水动力学参数时空分布数值模拟119
5.1CCHE2D模型简介119
5.1.1CCHE2D模型的控制方程119
5.1.2求解方程组的部分交错网格的建立120
5.1.3薄层水流水面插值问题的解决方法121
5.1.4边界条件及初始条件的设置122
5.2模拟试验设计及研究方法123
5.2.1试验设计123
5.2.2坡面水动力学参数的测量及计算方法124
5.3模拟结果分析125
5.3.1浅沟沟槽水流水动力学参数特征125
5.3.2细沟间水流水动力学参数特征127
5.4数据模拟结果及模型验证128
5.4.1浅沟坡面水流流速和水深的空间分布128
5.4.2CCHE2D模型模拟值与实测值的比较132
5.4.3曼宁公式模拟值与实测值的比较132
5.4.4CCHE2D模型模拟的坡面水动力学参数的时空分布特征134
5.4.5浅沟沟头水流流场分布135
5.4.6网格大小对模型模拟的敏感性分析135
5.5结语136
参考文献137
第6章基于LIDAR技术的切沟侵蚀过程试验研究138
6.1切沟发育过程的模拟试验设计139
6.1.1试验设计139
6.1.2实体模型构建139
6.1.3试验步骤与观测项目140
6.2三维激光扫描技术动态监测切沟发育过程的作业流程140
6.2.1数据采集141
6.2.2数据配准与拼接142
6.2.3数据预处理与坐标转换143
6.2.4TINMESH及等高线生成与侵蚀量估算143
6.2.5基于模拟试验的LIDAR技术监测切沟发育过程的技术流程143
6.3基于LIDAR技术的切沟形态定量刻画145
6.3.1TINMESH对沟蚀形态的定量刻画145
6.3.2TINMESH刻画沟蚀形态的误差分析148
6.3.3基于LIDAR技术的侵蚀量估算149
6.4切沟发育不同阶段主导侵蚀过程及其对沟蚀的贡献151
6.4.1切沟发育过程151
6.4.2切沟形态动态变化过程154
6.4.3切沟发育不同阶段主导侵蚀过程对沟蚀的贡献156
6.5结语158
参考文献159
第7章切沟形态的空间分布特征及其体积估算模型161
7.1基于DEM的切沟形态特征提取方法研究161
7.1.1数据预处理161
7.1.2切沟形态特征参数的提取164
7.2切沟形态的空间分布特征与体积估算模型165
7.2.1切沟基本形态特征的空间分布165
7.2.2切沟衍生形态特征的空间分布168
7.2.3切沟形态特征指标间的相关关系170
7.2.4基于切沟长度和表面积估算切沟体积的模型构建172
7.3基于不同分辨率DEM构建切沟形态特征参数尺度转换模型175
7.3.10.1m高分辨率与5m分辨率DEM提取切沟形态特征参数的对比175
7.3.2切沟形态特征参数转换模型的建立175
7.3.3转换模型验证176
7.3.4转换模型普适性检验177
7.4结语178
参考文献178