CN107621438A - 一种坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法。首先建立坡面模型，对模型进行设置；采用间歇性降雨试验；降雨前对测量区域及定位球扫描，获得初始地形点云数据；降雨中对模型进行坡面水力学参数测量；降雨暂停时扫描，获得坡面地形的时序演变过程；结束后对最终侵蚀地形扫描，获得其点云数据；对获得的点云数据处理，得到坡面侵蚀量及其空间分布特征；从测量数据中选取与坡面地形测量时间同步的坡面水力学参数，得到该坡面地形下相对应的坡面水力学参数分布，由此得到与坡面地形演变过程相对应的水力学参数时序变化过程。本发明实现了对一个连续坡面地形演变过程的动态监测，精确测量泥沙冲淤分布，测量快速、准确、可靠性好。

Description

一种坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法

一、技术领域：

本发明涉及一种坡面水蚀过程的动态监测方法，具体涉及一种能够实现坡面微地貌演变过程与坡面水蚀动力参数动态变化相耦合的测量方法即一种坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法。

二、背景技术：

水土流失已成为全球性的资源环境问题。尤其在黄土高原地区，大陆性季风气候带来的多暴雨条件，以及黄土疏松多孔、遇水沉陷的特性，使黄土坡地极易受到水力侵蚀，在黄河每年输入下游的16亿t泥沙中约有40％～60％来自黄土高原坡耕地。坡面水蚀既是坡耕地表土和养分流失的主要原因，又是水体非点源污染的重要来源，是该地区土壤贫瘠、土地沙化、生态环境恶化的根源。

在坡面水蚀过程中，坡面地形演变与水蚀过程组成了一个微型水文地貌耦合系统，此系统以降雨径流为主要驱动力，通过水沙运移和能量交换迫使坡面地形不断变化，进而深刻地影响坡面径流、入渗、泥沙输移和产流产沙等一系列水蚀过程。因此，坡面地形的不断变化加剧了水流与土体间的互反馈作用，使其非线性特征更加突出，水沙输移特性将发生本质改变，对流域侵蚀产沙过程有着深远的影响。

但是，坡面地形演变是一个随时空不断变化的动态过程，必须在短时间内捕捉到某一时间点的形态。野外下垫面条件较为复杂，土质、坡度、微地形、蚁穴、地表结皮等因素均能够对坡面水蚀过程和结果产生较大影响，单个因素对土壤侵蚀动力过程的定量作用难以剥离，且野外原型观测试验，需在室外天然降雨条件下进行，难以实现地貌形态的快速测量与采集。因此，为了获得坡面地貌形态随降雨强度、历时的变化过程，需要在严格控制动力条件和边界条件下，进行室内模拟降雨试验。

目前，国内外对室内土壤侵蚀过程模拟试验的观测多是基于单一过程，将坡面地形测量与坡面水蚀动力参数测量割裂开来，作为两个孤立的过程分别进行观测，而将坡面地形演变及水蚀过程作为一个耦合系统进行整体观测的试验研究目前尚未有关报道。坡面地形演变过程中对应的土壤侵蚀动力参数变化过程难以定量，极大制约了土壤侵蚀过程与机理的深入研究。现有坡面尺度模拟试验只观测场次降雨结束后的坡面地形，然而坡面侵蚀产沙过程是一个由坡面地形连续变化、水沙输移过程连续变化所构成的完整的水文水力学系统，只测量场次降雨结束后最终的坡面地形，或将坡面地形演变和水蚀动力参数变化作为两个孤立的过程加以试验研究都是不够的。因此，对包括有坡面地貌演变和水蚀动力过程组成的完整坡面的水蚀过程进行动态监测，是非常必要的。

三、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中将坡面地形测量与坡面水蚀动力参数测量作为两个孤立的过程分别进行监测，坡面地形动态变化过程不易获取等弊端，本发明提供一种用于坡面地形演变与水蚀过程相耦合的动态监测方法即一种坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法。本发明方法不仅能够获取坡面地形的动态变化过程，而且能够获取在某一坡面地形状态下坡面水动力参数的分布，得到与地形变化过程相对应的水动力参数时序变化过程。

为了解决上述问题，本发明采取的技术方案是：

本发明提供一种坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，所述动态监测方法包括以下步骤：

a、建立坡面模型：测定坡面模型的土壤容重、前期土壤含水量；将坡面模型由下至上设置多个观测断面；

b、在坡面模型四角各放置一个定位球；在坡面模型测量区域的正上方安装人工模拟降雨器，在人工模拟降雨器的压力官道上安装地形三维激光扫描仪(用以定量观测坡面地形变化，最大限度地减少扫描盲区)；

c、在坡面模型出口安装流量监测传感器，自动监测支沟流量及含沙量过程，与流量监测传感器系统配套有数据采集器和计算机管理软件，实现流量过程的实时观测；

d、采用间歇性降雨进行试验，从坡面产流开始计时，每进行5～10min连续降雨，暂停1min进行坡面地形扫描；

e、降雨开始前，用地形三维激光扫描仪对测量区域及周围的定位球进行扫描，获得初始地形的点云数据；扫描完成后保持激光扫描仪处于打开状态；

f、降雨过程中，在坡面模型各观测断面处自上而下循环进行坡面水力学参数测量；

g、降雨暂停时，立即采用地形三维激光扫描仪对降雨后的地形进行扫描，获得坡面地形的时序演变过程；扫描结束后立即启动降雨器，开始下一轮降雨(最大限度地保证试验过程的连续性)；

h、试验结束后，采用地形三维激光扫描仪对最终侵蚀地形进行扫描，获得最终降雨侵蚀地形的点云数据；

i、以定位球为靶标，在ArcGIS中对不同降雨时段下获得的坡面地形点云数据进行叠加，通过对降雨前后地形变化数据的对比分析，确定泥沙的侵蚀、搬运和沉积状况及其空间分布，计算得到坡面侵蚀量及其空间分布特征；

j、从步骤f测量的数据中选取与坡面地形测量时间同步的坡面水力学参数，得到这一坡面地形下相对应的坡面水力学参数分布，由此得到与坡面地形演变过程相对应的水力学参数时序变化过程。

根据上述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，在坡面模型出口还设置一个三角集流槽(用于收集降雨过程中实体模型的产流产沙量，用于验证三维激光扫描仪测量结果是否与实际侵蚀量相一致)。

根据上述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，步骤a中在坡面模型由下至上设置3～5个观测断面，每间隔1m设置一个观测断面。

根据上述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，步骤f中在坡面模型各观测断面处自上而下循环进行坡面水力学参数测量过程中：采用染色法测量坡面流流速，采用钢尺测量坡面径流的流宽、流深和沟道发育情况，采用吸耳球法采集坡面径流，通过烘干法计算对应时段的含沙量。

根据上述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，步骤f中在坡面模型各观测断面处自上而下循环进行坡面水力学参数测量过程中，其采用流量监测传感器自动采集坡面模型出口流量、含沙量的同时，另一方面进行人工取样观测，每间隔3分钟取10s长时段的样。

本发明的积极有益效果：

1、本发明技术方案形成了集“水蚀过程精细模拟—地形演变过程获取—水蚀动力参数测量”为一体的水蚀过程监测方法，实现了对一个连续坡面地形演变过程的动态监测，精确测量泥沙冲淤分布，测量快速、准确、可靠性好。

2、本发明克服了坡面地形演变与水动力学参数测量的同步性问题，能够实时获取坡面地形的动态演变过程和与之对应的坡面流参数分布，为研究地形演变与坡面产汇流、产输沙过程的互馈关系提供了一种有效解决方法。

3、通过本发明技术方案能够同时观测坡面不同部位水流的水动力条件变化过程，人工测量和自动化测量互为校正，从很大程度上减少随机因素对试验过程的影响，从而提高了坡面水蚀过程的测量精度。

4、本发明检测过程中监测所需工具简单，操作简易，数据易处理等特点。

四、附图说明：

图1本发明建立的测量坡面模型示意图；

图1中：1、坡面模型；2、地形三维激光扫描仪；3、人工模拟降雨器喷头；4、压力管道；5、定位球；6、雨量筒；7、观测断面；8、三角集流槽；9、径流桶；10、监测传感器终端。

图2坡面DEM叠加示意图；

图3降雨侵蚀后最终坡面地形状态示意图；

图4坡面流速分布示意图之一；

图5坡面流速分布示意图之二；

图6坡面流速分布示意图之三。

五、具体实施方式：

以下结合实施例进一步阐述本发明，但并不限制本发明保护的技术内容。

实施例1：

详见附图1，本发明坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，该动态监测方法的详细步骤如下：

a、建立坡面模型：根据黄土丘陵沟壑区坡面特征建造坡面实体模型图，建立的坡面模型长5m、宽1m、坡度20°；建立坡面模型采用黄土丘陵沟壑区第Ⅲ副区邙山农耕地地表20cm以内的黄褐土；装填过程中将其用土自然风干后过孔径为10mm的筛，分层充填、压实并控制土壤干容重为1.25g/cm³，以保证下垫面的一致性；

坡面模型建立后，测定坡面模型的土壤容重为1.25g/cm³、前期土壤含水量为30％～35％；将坡面模型由下至上设置5观测断面，每间隔1m设置一个观测断面；

b、在坡面模型四角各放置一个定位球；在坡面模型测量区域的正上方安装人工模拟降雨器，人工模拟降雨器为下喷式人工模拟降雨系统，以模拟不同时长、不同强度、不同降雨过程的降雨，降雨系统中设有12组喷头(60个)对喷，喷头距地面22m，以保证雨滴终速达到天然降雨终速；

在人工模拟降雨器的压力官道上安装地形三维激光扫描仪(FARO FOCUS 3D)，用以定量观测地形变化，计算泥沙冲淤空间分布；

坡面模型出口设置一个三角集流槽，用于收集降雨过程中实体模型的产流产沙量，以备验证三维激光扫描仪测量结果是否与实际侵蚀量一致；

c、在坡面模型出口处安装流量监测传感器(LTW-1)，自动采集坡面流量、含沙量变化过程，与流量监测传感器系统配套有数据采集器和计算机管理软件，实现流量过程的实时观测；

d、采用间歇性降雨进行试验，从坡面产流开始计时，每进行10min连续降雨，暂停1min进行坡面地形扫描；

e、降雨开始前，打开三维激光扫描仪，采用地形三维激光扫描仪对测量区域及周围的定位球进行扫描，获得初始地形的点云数据；扫描完成后保持激光扫描仪处于打开状态；

f、打开降雨器，以90mm/h的雨强对坡面模型进行间歇降雨，从坡面产流开始，自上而下依次循环测量各观测断面的水力学参数，使用KMnO₄示踪测量坡面径流流速，使用钢尺测量坡面径流的流宽、流深和沟道发育情况；采用吸耳球法采集坡面不同点位的径流，通过烘干法计算对应时段的含沙量；模型出口流量、含沙量一方面采用流量监测传感器自动采集，另一方面进行人工取样观测，每间隔3分钟取10s长时段的样；

g、自坡面产流10min后，暂停降雨，此时地形扫描人员立即采用地形三维激光扫描仪对降雨后的地形进行坡面地形扫描，扫描速度约976,000bit/s，50m距离的实测精度达2.0mm，扫描一个标准坡面约1min，扫描结束后立即打开降雨器进行人工模拟降雨，地面测量人员继续对各坡面水力学参数进行循环测量；

h、试验结束后，采用地形三维激光扫描仪对最终侵蚀地形进行扫描，获得最终降雨侵蚀地形的点云数据(试验结束后，降雨侵蚀后坡面地形状态详见附图3)；

i、在对地形数据进行建模前，要对所得点云数据进行预处理，由于受现场条件的干扰和扫描误差的影响，点云数据中往往会含有许多离散点，同时产生噪点；首先要对数据进行诊断处理，即运用插值算法对数据进行平滑、对齐、和滤波处理工作；

对所得点云数据预处理后，以定位球为靶标，进行点云数据的拼合、滤波、精简、曲面生成，形成完整的坡面DEM，将不同时段的DEM按时序排列，最终得到坡面地形动态演变过程的DEM(详见附图2)；

以定位球为靶标，在ArcGIS中对不同降雨时段下获得的坡面地形点云数据DEM进行叠加(坡面DEM叠加示意图详见附图2)，通过对降雨前后地形变化数据的对比分析，确定泥沙的侵蚀、搬运和沉积状况及其空间分布，计算得到坡面侵蚀量及其空间分布特征；

j、从步骤f测量的数据中选取与坡面地形测量时间同步的坡面水力学参数(水力学参数包括：流速、径流含沙量、流宽、流深)，得到这一坡面地形下相对应的坡面水力学参数分布(不同发育阶段坡面流速分布图详见附图4-6)，由此得到与坡面地形演变过程相对应的水力学参数时序变化过程。同时实现了“水蚀过程精细模拟—地形演变过程获取—水蚀动力参数测量”为一体的水蚀过程监测方法。

以上对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域技术人员依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，其特征在于，所述动态监测方法包括以下步骤：

a、建立坡面模型：测定坡面模型的土壤容重、前期土壤含水量；将坡面模型由下至上设置多个观测断面；

b、在坡面模型四角各放置一个定位球；在坡面模型测量区域的正上方安装人工模拟降雨器，在人工模拟降雨器的压力官道上安装地形三维激光扫描仪；

c、在坡面模型出口安装流量监测传感器，自动监测支沟流量及含沙量过程，与流量监测传感器系统配套有数据采集器和计算机管理软件，实现流量过程的实时观测；

d、采用间歇性降雨进行试验，从坡面产流开始计时，每进行5～10min连续降雨，暂停1min进行坡面地形扫描；

e、降雨开始前，用地形三维激光扫描仪对测量区域及周围的定位球进行扫描，获得初始地形的点云数据；扫描完成后保持激光扫描仪处于打开状态；

f、降雨过程中，在坡面模型各观测断面处自上而下循环进行坡面水力学参数测量；

g、降雨暂停时，采用地形三维激光扫描仪对降雨后的地形进行扫描，获得坡面地形的时序演变过程；扫描结束后启动降雨器，开始下一轮降雨；

h、试验结束后，采用地形三维激光扫描仪对最终侵蚀地形进行扫描，获得最终降雨侵蚀地形的点云数据；

i、以定位球为靶标，在ArcGIS中对不同降雨时段下获得的坡面地形点云数据进行叠加，通过对降雨前后地形变化数据的对比分析，确定泥沙的侵蚀、搬运和沉积状况及其空间分布，计算得到坡面侵蚀量及其空间分布特征；

j、从步骤f测量的数据中选取与坡面地形测量时间同步的坡面水力学参数，得到这一坡面地形下相对应的坡面水力学参数分布，由此得到与坡面地形演变过程相对应的水力学参数时序变化过程。

2.根据权利要求1所述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，其特征在于：在坡面模型出口还设置一个三角集流槽。

3.根据权利要求1所述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，其特征在于：步骤a中在坡面模型由下至上设置3～5个观测断面，每间隔1m设置一个观测断面。

4.根据权利要求1所述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，其特征在于，步骤f中在坡面模型各观测断面处自上而下循环进行坡面水力学参数测量过程中：采用染色法测量坡面流流速，采用钢尺测量坡面径流的流宽、流深和沟道发育情况，采用吸耳球法采集坡面径流，通过烘干法计算对应时段的含沙量。

5.根据权利要求1所述的坡面地形演变与水蚀过程耦合的动态监测方法，其特征在于，步骤f中在坡面模型各观测断面处自上而下循环进行坡面水力学参数测量过程中，其采用流量监测传感器自动采集坡面模型出口流量、含沙量的同时，另一方面进行人工取样观测，每间隔3分钟取10s长时段的样。