CN102565303B - 一种冲沟沟头溯源侵蚀速率的快速监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冲沟沟头溯源侵蚀的快速监测方法，属土壤侵蚀领域。该方法是在冲沟集水区内沟头发育的方向上，设置两个基准桩，并建立以两个基准桩连线为x轴、基准桩连线的中垂线为y轴的沟头形态位置坐标系；通过测定的沟头边缘上各点到两个基准点的距离，求得沟头上各点的坐标值，并拟合出该时段沟头边缘的形态曲线；每两个监测时段得到的形态曲线进行积分，得到两个监测时间段内冲沟前进的侵蚀面积变化；最后根据量测的沟头下切深度变化得到沟头的侵蚀体积量，侵蚀体积量除以监测的时间即为该时段内的沟头溯源侵蚀速率。该方法所用仪器简单，操作简便，成本低廉，尤其适用于野外复杂的地形条件，可较准确地测定沟头溯源侵蚀速率。

Description

一种冲沟沟头溯源侵蚀速率的快速监测方法

技术领域

本发明涉及一种土壤侵蚀领域中采用多点进行曲线拟合及积分的冲沟沟头溯源侵蚀速率快速监测方法，特别是在野外地形复杂、先进仪器不便携带的情况下，对冲沟沟头的形态和侵蚀速率监测的简单易行的方法。

背景技术

我国黄土高原、东北黑土区、金沙江干热河谷区均分布有面积广大的冲沟，冲沟侵蚀量大、切割速度快，不但蚕食耕地、毁坏道路，还导致土地退化进程加速，冲沟侵蚀产沙是江河泥沙的重要来源之一。开展冲沟侵蚀研究对于冲沟发育地区经济的可持续发展、江河生态安全意义深远。

冲沟侵蚀监测是当前限制冲沟侵蚀研究进一步深入的重要瓶颈之一。

目前冲沟监测方法主要有：1、直接丈量法：直接用米尺测量沟头前进距离；2、侵蚀桩法：冲沟边缘打桩，采用全站仪定期测定冲沟边缘到各个桩之间的距离变化，以此确定冲沟侵蚀的面积和体积；3、高精度GPS法：采用高精度GPS实时动态测量冲沟形态，建立DEM计算侵蚀量；4、遥感技术法：利用遥感影像解译，建立不同时期的冲沟DEM计算侵蚀量；5、三维激光扫描法：利用三维激光扫描仪扫描冲沟的三维形态计算冲沟侵蚀量。

存在的主要问题和不足：1、常规方法精度较低、耗时费力(如直接测量法、侵蚀桩法)；2、先进技术(如遥感技术法、高精度GPS法、三维激光扫描法)的仪器、遥感影像购置费用高，且需要较高的专业技术才能进行室内处理；3、先进仪器(如高精度GPS)携带不便，不大适用于沟壑遍布、地形复杂的野外条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冲沟沟头溯源侵蚀速率简单、快速野外监测方法。

本发明的技术方案是：

一种冲沟沟头溯源侵蚀速率的快速监测方法，包括如下步骤：

步骤一、基准桩位置的确定

在冲沟沟头上方集水区内设置两个固定的基准桩；

步骤二、冲沟沟头边缘各点的测量

在冲沟沟头边缘上设置多个点，并测量沟头边缘上的多个点分别到两个固定的基准桩之间的距离；

另外，沿整个冲沟沟壁最上端测量到沟壁最下端的距离，获得冲沟沟壁发育高度值，并计算这些高度值的平均值作为沟头下切深度；

步骤三、冲沟沟头地表形态曲线

建立以两个固定的基准桩的水平连线为x轴，两个固定的基准桩的水平连线的中垂线为y轴的沟头形态位置坐标系，利用步骤二测得的多个点分别到两个基准桩的距离和两个基准桩在坐标系中的坐标，求算多个点在沟头形态位置坐标系中的坐标值，多个点的坐标值拟合出该时段沟头的形态曲线；

步骤四、沟头溯源侵蚀速率的计算

将两个不同监测时段的形态曲线进行积分得出该时段内沟头前进的面积，再将两个不同监测时段的沟头下切深度相减得到该时段内变化的沟头下切深度，用该时段内沟头前进的面积和该时段内变化的沟头下切深度相乘得出该时段内沟头的侵蚀体积，再将该时段内沟头的侵蚀体积除以该时段的时间，测得冲沟沟头溯源侵蚀速率。

更进一步的方案是：所述基准桩是通过如下方式进行设置的：在冲沟沟头上找到发育最靠前的点，做与该发育最靠前的点的切线垂直的垂线，以垂线上的一点为中心，在垂线的左右两侧对称固定两点作为基准桩。

更进一步的方案是：所述基准桩的间距为5至8m。

更进一步的方案是：所述在冲沟沟头边缘上设置的多个点，多个点中相邻的两个点的间距为0.3至0.5米。

沟头监测应在当地雨季前后各进行一次，观测一年内雨季前后冲沟形态变化，为了达到更好的监测结果，监测时段应至少为3年。

本发明方法的技术效果是：

1、野外测定步骤简单易行，毋需专业技术及专业人员；

2、所需工具简单，携带方便，解决了大型的先进仪器地形复杂地区不便携带的问题；

3、利用数学积分及拟合曲线方法，能够获得沟头形态变化的丰富信息，测量精度也有所保障。

附图说明

图1为冲沟沟头前基准桩示意图；

图2为冲沟沟头测量示意图；

图3为沟头坐标设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

一种冲沟沟头溯源侵蚀速率的快速监测方法，可通过如下步骤实现：

步骤一、基准桩位置的确定

如附图1所示，在冲沟沟头上找到发育最靠前的点，M点，做与M点的切线垂直的垂线N，以垂线N上的一点为中心，在垂线N的左右两侧对称固定两点A、B，作为基准桩。

步骤二、冲沟沟头边缘各点的测量

沟头平面形态测量：如附图2所示，以A、B为基准，测量沟头上的点到A、B的距离，并记录读数，如点1到A、B距离记录为(d_1a，d_1b)，点2为(d_2a，d_2b)，依此类推，直到点n为(d_na，d_nb)。

沟头上的点要测量多个，以便后面沟头形态拟合时有足够的数据，提高拟合效果和精度。最大直径为5-8米沟头，沟头边缘上两个测定点的间距一般为0.3-0.5米，在边缘形态变化剧烈的地方可适当插入测定点；直径在5米以下或8米以上的沟头，测定点的密度可根据情况适当加密或加粗。

平均下切深度的测量：沿整个沟壁最上端测量到沟壁最下端的距离，获得沟壁发育不同高度值h₁、h₂…h_n，计算这些高度值的平均值作为沟头下切深度，用以计算沟头体积。下切深度测定点的密度依据下切深度变化的剧烈程度而定。

步骤三、冲沟沟头地表形态曲线

如附图3所示，以AB的连线为x轴，垂线N为y轴，两线交点为坐标原点O点，这样可以确定A、B两点的坐标(X_a，0)、(X_b，0)。

由于已知沟头上具体点N到A、B的距离d_NA，d_NB，又已知A、B两点坐标，可以根据距离公式算出N点在设置的坐标系中的坐标。

整理得， $x_n=\frac{d_{\mathrm{na}}^2-d_{\mathrm{nb}}^2}{{4x}_b}---\left(1\right)$

$y_n=-\sqrt{\frac{d_{\mathrm{na}}^2+d_{\mathrm{nb}}^2}{2}-\frac{{(d_{\mathrm{na}}^2-d_{\mathrm{nb}}^2)}^2}{16x_b^2}-x_b^2}---\left(2\right)$

由(1)、(2)两式得出测量的每个点在建立的沟头坐标系中的坐标，由一系列点的坐标对该时段的沟头形态进行曲线拟合，得出第一次测量时的曲线拟合公式f₁(x)，同理，得到沟头前进一段时间后的沟头形态拟合公式f₂(x)，利用积分得到前后两次测量时，沟头的前进面积为：

$S={\∫}_{x_1}^{x_n}{f}_2\left(x\right)-f_1\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(3\right)$

式中，x₁到x_n的距离为两次测量的交集部分，所以，测量时尽量大范围地测量沟头，尽量测量多个点。

dx是积分符号，表示对x进行积分。

步骤四、沟头溯源侵蚀速率的计算

根据沟头地表形态变化测算得到的面积S，乘以沟头的下切深度就得到监测时段内沟头的侵蚀量(单位为m³)，再除以监测时段，即为沟头溯源侵蚀速率，单位为m³/年。

Claims (1)

1.一种冲沟沟头溯源侵蚀速率的快速监测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、基准桩位置的确定

在冲沟沟头上方集水区内设置两个固定的基准桩；

步骤二、冲沟沟头边缘各点的测量

在冲沟沟头边缘上设置多个点，并测量沟头边缘上的多个点分别到两个固定的基准桩之间的距离；

另外，沿整个冲沟沟壁最上端测量到沟壁最下端的距离，获得冲沟沟壁发育高度值,并计算这些高度值的平均值作为沟头下切深度；

步骤三、冲沟沟头地表形态曲线

建立以两个固定的基准桩的水平连线为x轴，两个固定的基准桩的水平连线的中垂线为y轴的沟头形态位置坐标系，利用步骤二测得的多个点分别到两个基准桩的距离和两个基准桩在坐标系中的坐标，求算多个点在沟头形态位置坐标系中的坐标值，多个点的坐标值拟合出该时段沟头的形态曲线；

步骤四、沟头溯源侵蚀速率的计算

将两个不同监测时段的形态曲线进行积分得出该时段内沟头前进的面积，再将两个不同监测时段的沟头下切深度相减得到该时段内变化的沟头下切深度，用该时段内沟头前进的面积和该时段内变化的沟头下切深度相乘得出该时段内沟头的侵蚀体积，再将该时段内沟头的侵蚀体积除以该时段的时间，测得冲沟沟头溯源侵蚀速率；

所述基准桩是通过如下方式进行设置的：在冲沟沟头上找到发育最靠前的点，做与该发育最靠前的点的切线垂直的垂线，以垂线上的一点为中心，在垂线的左右两侧对称固定两点作为基准桩；

所述基准桩的间距为5至8m；

所述在冲沟沟头边缘上设置的多个点，多个点中相邻的两个点的间距为0.3至0.5米。