CN115015094A - 一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水土保持技术领域，涉及一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，该方法包括a、建立小流域模型；b、用三维激光地形扫描仪对小流域模型进行扫描，获得初始地形的点云数据；c、模拟降雨；观测断面附近的山洪流场、各沟道的山洪径流量、含沙量，和小流域出口山洪的总径流量、含沙量变化过程；d、降雨结束后，用三维激光地形扫描仪对小流域模型再次进行扫描，获得山洪过后的地形点云数据；e、计算得到小流域土壤侵蚀‑沉积的空间分布数据；f、改变植被配置方式，得到不同植被配置下小流域土壤侵蚀‑沉积的空间分布数据。本发明为定量分析植被对暴雨山洪的影响提供了一种有效方法。
Description
技术领域
本发明属于水土保持技术领域，具体涉及一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法。
背景技术
随着全球气候变暖趋势的加剧，极端气候事件增加，暴雨频发，进而导致山洪、滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的出现。山洪灾害大部分受降水、地形、植被、土地利用等因子驱动，它们相互作用、相互影响，对山洪的爆发起到推动作用。
植被作为下垫面因子之一，主要通过影响植物截留和入渗两个方面来改变水文循环过程。当发生降雨时，雨水首先被叶面截留形成积水，当截留的积水量超过叶面的承载力时，雨水降落到地面，在地表汇流形成径流，径流汇流过程中由于植被使得地表的糙率增大，汇流时间的增加，导致下渗量和蒸散发量增加，从而影响山洪洪峰流量和洪量的形成。
由于黄土高原水土流失严重，自2000年以来，黄土高原植被覆盖状况得到明显改善。植被措施改变了流域下垫面条件，影响了该地区的产汇流规律，同时，对流域内的山洪灾害也有显著的影响。在这种变化背景下，植被措施配置对黄土高原暴雨山洪过程的影响就成为了当前人们关注的热点。
受试验方法和技术手段的限制，目前对于暴雨山洪过程的研究多是基于水文模型的数值模拟，而对小流域暴雨山洪过程对植被措施配置的响应机制识别尚缺乏科学的方法加以指导。因此，有必要专门针对不同植被措施配置情景下的山洪形成演进过程提出实体模拟及对比量化方法，为揭示流域暴雨山洪孕灾环境及形成发展机理提供科学指导，为科学评价植被措施调控山洪过程的效应提供理论依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种科学、实用，能够获取不同植被覆盖度、植被措施位置、配置模式等情景下山洪过程的模拟试验方法。本发明方法综合利用人工模拟降雨系统和小流域实体模型系统，不仅能够定量分析植被影响下的山洪动力分布和水沙的时序变化过程，而且能够量化山洪作用下小流域的地形冲淤变化。
本发明提供一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，包括以下步骤：
a、建立小流域模型：
按照比尺制作满足相似性要求的小流域模型；
按照从野外小流域模型的原型地取土，置于混凝土板和砖垛围成的试验槽内分层装填、压实，控制土壤容重与原型流域土壤容重一致；
制作模型小流域地形，根据模型原型小流域尺寸、形状、地形和沟道分布，按照比尺对模型进行挖沟、削坡、平整、表层压实等处理；
在小流域模型出口处设置2～3米的明渠并连接一蓄水池，蓄水池的尺寸根据需承接的降雨量设计，一般其体积应为其承接最大降雨量的1.2～1.5倍；
对小流域模型坡顶、坡面、沟道位置耕翻2～3cm，将肥料、生长素、粘固剂按一定比例混合，均匀施洒于表层。肥料配比氮:磷:钾＝15:15:15或氮:磷:钾＝10:8:7的复合肥，肥量约为30～50g/m2；通过液压喷播机将种子如草籽和促使其生长的附着剂、木纤维、肥料、生长素、保水剂及水混合搅拌，形成均匀混合液，并按25g/m2左右进行液压喷播；喷播植草施工完成之后，在表面覆盖无纺布，以保持水分和温度，促使种子生长并定期进行养护，待草被长至5cm左右时，即可揭开无纺布；
在小流域模型的上方安装人工模拟降雨系统，通过计算机控制系统调节降雨的强度和时间，以模拟不同情况下的暴雨过程；在小流域模型的四周放置定位球，在模型正上方的人工模拟降雨系统上架设三维激光地形扫描仪，用以定量观测地形变化；通常情况下定位球设置3个即可，定位球数量越多，定位越精准。
其中，人工模拟降雨系统由控制系统、压力管道和下喷式模拟降雨器组成，三维激光地形扫描仪是架设在模型正上方的人工模拟降雨系统的压力管道上。每组降雨器配有五组不同孔径的喷头，通过控制系统调控不同孔径的喷头和管道压强来调节降雨强度大小，可模拟降雨强度范围为30～240mm/h，满足降雨试验对雨滴粒径大小的要求。该系统降雨高度22m，能够保证雨滴在近地面处达到匀速下降状态，降雨均匀度>85％，达到模拟天然降雨的要求。
在小流域的主沟和支沟出口设置观测断面，在观测断面上方设支架，用于安装高速摄像机并与计算机相连，进而采集观测断面处的山洪径流场分布；在各沟道沟口设置溢流堰并安装流量监测传感器，用于自动监测各沟道的山洪径流量、含沙量变化过程；在模型出口与明渠的连接处安装径流泥沙自动监测系统，用于监测小流域山洪的总径流量、含沙量变化过程。
b、降雨开始前，用三维激光地形扫描仪对小流域模型及周围的定位球进行扫描，获得初始地形的点云数据。
本发明利用三维激光扫描仪采用基于标靶的数据采集方法，获取小流域地形点云数据时，每次扫描需布设测站、定位球，扫描分辨率为1/4(即扫描仪每秒获取24万个激光点)，扫描质量4×(即仪器在该站重复扫描4次)，获取点云数量为1亿左右。
c、模拟降雨，并在降雨30min后测定小流域的坡顶和沟道处的雨量，以对雨强及均匀度进行率定；
用高速摄像机采集观测断面附近的山洪流场；用流量监测传感器实时测量各沟道的山洪径流量、含沙量；用径流泥沙自动监测系统，实时监测小流域出口山洪的总径流量、含沙量变化过程。
d、降雨结束后，用三维激光地形扫描仪对小流域模型及周围的定位球再次进行扫描，获得山洪过后的地形点云数据。
e、试验结束后，将三维激光扫描仪获取的点云数据进行拼接、去噪、配准，得到点间距为2mm点云数字模型，再通过栅格计算机器，将降雨前的地形栅格数据减去降雨后，就可以得到小流域土壤侵蚀-沉积的空间分布数据；
f、按照模型原图纸对小流域模型进行修复和清淤，然后通过除植被、复原、压实等处理改变植被布设位置及覆盖度，重复上述步骤再次进行试验，由此得到不同植被措施配置下的山洪过程和小流域土壤侵蚀-沉积的空间分布。
本发明的有益效果为：
1、本发明技术方案形成了集“小流域植被措施配置—山洪过程精细模拟—山洪过程参数获取—地形演变过程提取”为一体的山洪过程模拟方法，实现了对不同植被措施配置情景下小流域山洪过程的对比观测，为定量分析植被对暴雨山洪的影响提供了一种有效方法。
2、通过本发明技术方案能够同时采集各沟道的山洪径流场，径流量、含沙量变化过程、小流域总产流产沙变化过程和暴雨山洪作用下的小流域地形变化。
3、本发明采用三维激光扫描仪进行地形扫描，获取了分辨率为2mm的小流域地形栅格数据，这是传统的全站仪、GPS-RTK地形测量远远无法达到的精度。
附图说明
图1是本发明实施例的小流域模型图一；
图2是本发明实施例的小流域模型图二。
图中：1、工作平台；2、砖垛；3、预制混凝土板；4、植被；5、观测断面；6、流量监测传感器；8、楼梯；9、径流泥沙自动监测系统；10、计算机；11、明渠；12、蓄水池；13、高速摄像机；14、支架；15、坡顶植被；16、坡面植被；17、沟道植被。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行更加详细的说明，以便于对本发明技术方案的理解，但并不用于对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，包括以下步骤：
(1)建立小流域模型：
小流域模型以位于黄土丘陵沟壑区的无定河支流裴家峁沟的一级支沟桥沟小流域为原型，正态模型水平垂直比例尺为1:40，模型长31.5m，宽16.5m，高3.3m，如图1所示。模型用土取自桥沟附近的表层黄土，分层填装至预制混凝土板3和砖垛2围成的长方形试验槽中，压实并控制土壤干容重在1.42～1.45g/cm3，与自然状态下流域的土壤容重相当。
根据桥沟小流域地形原型按照比尺制作模型地形，通过挖沟、削坡、平整、表层压实等处理后，控制沟道分布、形态、起伏度、沟壑密度等与实际流域相似，具体的，该小流域地形有一条主沟，两条支沟，如图1所示；结合实地调查，在模型的支沟和主沟出口处分别设置观测断面5，观测断面共设置4个，在观测断面上设置安装摄像机的三角支架14。
在小流域模型出口处设置3米的明渠11并连接一蓄水池12，蓄水池的尺寸根据需承接的降雨量设计，一般其体积应为其承接最大降雨量的1.2～1.5倍，本实施例的蓄水池长*宽*深＝2米*3米*1.5米。
在小流域模型的坡顶、坡面、沟道配置植被4，具体的，将小流域模型的坡顶、坡面、沟道部位耕翻2～3cm，将复合肥、生长素、粘固剂混合，按40g/m2左右的用量均匀施洒于土壤表层；将草籽、附着剂、木纤维、肥料、生长素、保水剂及水混合搅拌形成混合液，按25g/m2左右的用量通过液压喷播进行喷播；喷播后的表面覆盖无纺布，定期进行养护，待草被长至5cm左右时，揭开无纺布，在小流域模型的坡顶、坡面、沟道部位分别得到坡顶植被15、坡面植被16和沟道植被17。
在模型上方安装下喷式降雨器(南京图圣数据工程有限责任公司TSJY-1)，在模型正上方的压力管道上架设三维激光地形扫描仪(FARO FOCUS 3D)，在模型周围均匀放置6个定位球。三维激光地形扫描仪通过网线连接计算机10。在4个观测断面上方的支架上安装MVC3000SAC-GE12高速摄像机13，并通过网线和计算机相连，在主沟和支沟沟口分别安装LTW-1流量监测传感器6，在模型出口与明渠的连接处安装HL-2型径流泥沙自动监测系统9。
如图1所示，长方形试验槽的左上角设置有工作平台1，在试验槽的左下方和右下方还设置有楼梯8便于工作人员上下试验槽观测。
(2)降雨开始前，首先通过环刀法测定小流域土壤容重和含水量，打开三维激光地形扫描仪对小流域模型及周围的定位球进行扫描，获得降雨前初始地形的点云数据，扫描分辨率为1/4(即扫描仪每秒获取24万个激光点)，扫描质量4×(即仪器在该站重复扫描4次)，每次地形扫描需要在小流域周围均匀布设7个测站，获取点云数量为1亿左右。本实施例设置7个测站是因为本实施例的模型比较大而且地形复杂，扫描的时候会有盲区，要更换测站(也就是扫描仪的位置)使所有区域都能够覆盖，避免出现盲区和死角。
取6个雨量筒均匀放置于流域的坡顶、沟道位置。
(3)然后以120mm/h的雨强对模型进行模拟降雨，降雨时间为1h；
降雨30min后测定雨量筒内雨量，求多个雨量筒的平均值，用来对雨强及均匀度进行率定。
从模型产流开始高速摄像机和流量监测传感器实时采集主沟及支沟流场、流量、含沙量数据，径流泥沙自动监测系统每1min采集一次模型出口总径流量、含沙量数据；
(4)降雨结束且地表无明显积水后，再次打开三维激光地形扫描仪对小流域模型及周围的定位球进行扫描，获得最终侵蚀地形的点云数据；
(5)将扫描仪获取的原始点云数据导入到Trimble RealWorks 11.3软件，对各测站的点云数据进行拼接、去噪、配准，保证降雨前后两期的点云数据在同一空间坐标系下。受计算机运算能力限制，还需要对点云数据进行抽稀，最终获取了点间距为2mm点云数字模型，将其导出为.las点云格式文件。在ArcGIS中创建LAS数据集，然后将获取的.las点云文件导入到ArcGIS中，利用转栅格工具，便可以得到小流域降雨前后的地形栅格数据。再通过栅格计算机器，降雨前的地形栅格数据减去降雨后，就可以得到小流域土壤侵蚀-沉积的空间分布数据，正值为该点降雨前高程值大于降雨后，即发生了侵蚀现象；负值为该点降雨前高程值小于降雨后，发生了沉积现象。采用3D分析表面体积工具，可以量化各区域侵蚀-沉积量。最后利用ArcGIS的重分类工具，对所得小流域侵蚀-沉积空间分布的栅格数据进行分级统计，用于计算小流域各级侵蚀-沉积的占比，得到地形变化情况。
(6)按照模型原图纸对小流域模型进行修复和清淤，铲除其坡面草被，保留坡顶和沟道内的草被，重复上述步骤再次进行降雨试验；
(7)再次按照模型原图纸对小流域模型进行修复和清淤，铲除坡顶草被，只保留沟道内草被，重复上述步骤再次进行降雨试验；
(8)最后再按照模型原图纸对小流域模型进行修复和清淤，将沟道内草被移除，在无植被状态下重复上述步骤进行降雨试验；
(9)由此得到坡顶+坡面+沟道植被覆盖、坡顶+沟道植被覆盖、坡顶植被覆盖、无植被覆盖等四种情况下的小流域径流泥沙过程和土壤侵蚀-沉积空间分布，经过对比分析得出植被措施配置对小流域暴雨山洪的产流量、产沙量、侵蚀体积和沉积体积的影响。
结果如下：
表1不同植被措施配置下小流域模型侵蚀量变化
经过如下公式换算：(坡顶+沟道植被覆盖量)-(坡顶+坡面+沟道植被覆盖量)＝坡面植被影响量，坡顶植被覆盖量-(坡顶+沟道植被覆盖量)＝沟道植被影响量，无植被覆盖量-(坡顶植被覆盖量)＝坡顶植被影响量，可分离出不同植被措施配置下小流域模型侵蚀量变化，详见表2。
表2小流域坡面、沟道、坡顶植被覆盖影响量
从表2中可以得出，沟道植被对产流量和产沙量的影响量最大，但是坡面植被对侵蚀体积和沉积体积的影响量最大。上述结果定量揭示了不同位置植被措施配置对黄土丘陵沟壑区小流域暴雨山洪形成及演进过程的影响。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (6)
1.一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、建立小流域模型：
将从模型原型地取的土置于试验槽内分层装填、压实，控制土壤容重与模型原型流域土壤容重一致；
根据模型原型小流域尺寸、形状、地形和沟道分布，按照比尺对模型进行挖沟、削坡、平整、表层压实处理；
在小流域模型出口处设置明渠并连接蓄水池；在小流域模型的上方安装人工模拟降雨系统；在小流域模型的四周放置定位球，在模型正上方架设三维激光地形扫描仪；
在小流域模型的坡顶、坡面、沟道上配置植被；
在各个沟道出口设置观测断面，在观测断面上方安装高速摄像；在各沟道沟口设置溢流堰并安装流量监测传感器；在模型出口与明渠的连接处安装径流泥沙自动监测系统；
b、用三维激光地形扫描仪对小流域模型及周围的定位球进行扫描，获得初始地形的点云数据；
c、模拟降雨：
在降雨过程中，用高速摄像机采集观测断面附近的山洪流场；用流量监测传感器实时测量各沟道的山洪径流量、含沙量；用径流泥沙自动监测系统实时监测小流域出口山洪的总径流量、含沙量变化过程；
d、降雨结束后，用三维激光地形扫描仪对小流域模型及周围的定位球再次进行扫描，获得山洪过后的地形的点云数据；
e、将三维激光扫描仪获取的点云数据进行拼接、去噪、配准，得到点间距为2mm点云数字模型，再通过栅格计算机器，将降雨前的地形栅格数据减去降雨后，得到小流域土壤侵蚀-沉积的空间分布与变化数据；
f、按照模型原图纸对小流域模型进行修复和清淤，然后通过除植被、复原、压实处理改变植被布设位置及覆盖度，重复上述步骤再次进行试验，由此得到不同植被措施配置下的山洪过程和小流域土壤侵蚀-沉积的空间分布。
2.根据权利要求1所述的一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，其特征在于，所述配置植被的过程为：
将小流域模型的坡顶、坡面、沟道部位耕翻2～3cm，将肥料均匀施洒于土壤表层；将植物的种子进行喷播；喷播后在表面覆盖无纺布，定期进行养护，待植被长至5cm时，揭开无纺布。
3.根据权利要求1所述的一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，其特征在于，步骤a中所述蓄水池的尺寸根据需承接的降雨量设计，其体积为其承接最大降雨量的1.2～1.5倍。
4.根据权利要求1所述的一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，其特征在于，步骤a中所述人工模拟降雨系统由压力管道和下喷式模拟降雨器组成，每组降雨器配有五组不同孔径的喷头，可模拟降雨强度范围为30～240mm/h，降雨均匀度>85%。
5.根据权利要求1所述的一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，其特征在于，在降雨30min后测定小流域的坡顶和沟道处的雨量以对雨强及均匀度进行率定。
6.根据权利要求1所述的一种植被措施配置对小流域暴雨山洪过程影响的实体模拟方法，其特征在于，所述点云数据是利用三维激光扫描仪采用基于标靶的数据采集方法，每次扫描需布设测站、定位球，扫描分辨率为1/4，扫描质量4×，获取点云数量为1亿。
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| CN104374894A (zh) * | 2014-06-13 | 2015-02-25 | 黄河水利委员会黄河水利科学研究院 | 小流域不同地貌单元水蚀过程精细模拟试验方法 |
| CN108154270A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-06-12 | 广州地理研究所 | 中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法 |
| RU2700930C1 (ru) * | 2018-12-13 | 2019-09-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Способ количественной оценки эрозионных потерь почвы с применением наземного лазерного сканера |
-
2022
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| Title |
|---|
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