流域泥沙動力學模型

前言

泥沙的侵蝕、搬運、沉積是一個整體。河流泥沙來源于流域泥沙，流域環(huán)境決定著進入河流的水沙條件，而水沙條件變化又進一步影響河床演變過程。以前泥沙研究的重點在河流輸沙與沖淤上，而對流域面上的侵蝕產(chǎn)沙重視不夠。河流來水來沙條件是通過流域水土流失研究，利用原型觀測和經(jīng)驗方法得出的。這方面的研究有較大的局限性，至今還處于小流域的經(jīng)驗估算階段。因此，加強流域泥沙研究，從根本上揭示流域產(chǎn)流產(chǎn)沙與河床演變及江河治理的關系很有重要意義。錢寧院士最早開展流域來水來沙與河床演變關系的研究。在20世紀70年代，他通過觀察黃河下游河床粗泥沙淤積現(xiàn)象，認識到黃土高原粗泥沙來源對黃河下游河床淤積抬升起主要作用，并初步劃分了黃土高原多沙粗沙來源區(qū)的范圍，為黃土高原水土流失的治理指明了方向。我在黃河綜合治理國家“八五”科技攻關項目中承擔了“攔減粗泥沙對黃河河道沖淤變化的影響”的課題，對黃土高原自然地理條件、土壤侵蝕和輸沙特性開展研究，揭示了來水來沙減少對下游河床沖淤和演變的影響規(guī)律。這些成果是基于對水文資料分析和河流水沙模型計算得出的，也需要從流域泥沙角度深入研究河流來水來沙與河床演變的響應關系。本書作者王光謙和他帶領的團隊在國家自然科學創(chuàng)新群體基金的支持下開展流域水沙過程與調(diào)控機理研究，在流域泥沙動力學過程機理、數(shù)字流域模型、黃河水沙調(diào)控等方面取得了系統(tǒng)的成果。本書是作者關于流域泥沙過程規(guī)律、理論描述、模擬方法及實際應用的成果總結。

內(nèi)容概要

　　《流域泥沙動力學模型》分析了流域泥沙過程的主要影響因素和物理機理，初步完成了流域泥沙動力學的模型和模擬方法。為了研究區(qū)域與流域尺度下包括侵蝕-輸運-沉積的泥沙運動全過程，需要建立流域泥沙科學體系，對應于河流泥沙的學科內(nèi)容，流域泥沙的相關研究應包括三部分：流域泥沙動力學、流域泥沙過程模擬和流域演變學?！读饔蚰嗌硠恿W模型》以黃土高原丘陵溝壑區(qū)為例，將其中發(fā)生的泥沙過程分解為坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙、溝坡區(qū)重力侵蝕、溝道水沙演進等不同子過程，分別建立了相應的動力學模型，并以數(shù)字流域為平臺進行了集成。將模型應用于黃河多沙粗沙區(qū)，模擬結果能夠顯示侵蝕一輸運一沉積在流域內(nèi)的分布情況，反映主要影響因素對流域泥沙過程的作用方式。將多沙粗沙區(qū)的產(chǎn)輸沙模擬與黃河中下游河道的水沙動力學模擬耦合，能夠分析水沙源區(qū)的來水來沙條件與干流河道間的水沙響應關系?！读饔蚰嗌硠恿W模型》嘗試在區(qū)域與流域尺度完成了對包括流域面與河網(wǎng)在內(nèi)的流域泥沙全過程的基于物理機理的分析與數(shù)學模擬，吸收地表水文過程、土壤侵蝕、高含沙水流運動，以及水土保持和流域地貌學等多個學科方向的成果，力求解釋流域泥沙過程中的主要科學問題，為黃河水沙過程預報提供科技支撐。全書分12章。第1章緒論，綜述國內(nèi)外研究進展和《流域泥沙動力學模型》研究范圍。第2章至第4章討論了流域泥沙動力學的基本過程和機理。第5章至第7章分別介紹了流域泥沙主要子過程的模擬方法，包括坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙、溝坡區(qū)重力侵蝕和溝道水沙演進模型，并在第8章簡明了模型的集成方式。第9章是模型在黃河多沙粗沙區(qū)驗證和應用的結果，隨后第10章對流域泥沙過程的規(guī)律作進一步分析。第11章介紹了河道水沙動力學模型基本原理、集成方法和應用結果，第12章進行了水沙源區(qū)與干流河道間的水沙響應分析?！读饔蚰嗌硠恿W模型》對從事水利、地理、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等專業(yè)工作的研究人員具有參考價值，也可作為相關專業(yè)的研究生教材。

書籍目錄

序前言摘要第1章 緒論1.1 研究對象1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 主要侵蝕與水質(zhì)模型的結構和特點1.2.2 土壤侵蝕公式的主要形式1.2.3 流域土壤侵蝕模擬的進展1.2.4 黃土高原侵蝕產(chǎn)沙研究1.3 研究內(nèi)容與方法第2章 流域泥沙主要影響因子及其過程概化2.1 流域特征因子2.1.1 降水、植被與土壤特征2.1.2 地質(zhì)地貌特征和河網(wǎng)2.1.3 人類活動影響2.1.4 不同因素間的相互作用2.2 黃土高原的主要特征因子2.2.1 降水特征2.2.2 土壤與土地利用特征2.2.3 植被特征2.2.4 地貌特征2.3 流域不同地貌單元的泥沙子過程2.3.1 黃土丘陵溝壑區(qū)的地貌單元組成2.3.2 坡面侵蝕2.3.3 溝坡區(qū)重力侵蝕2.3.4 溝道與河道不平衡輸沙2.4 黃土高原泥沙過程的模型概化第3章 坡面水流特性3.1 坡面漫流3.1.1 坡面漫流的流態(tài)3.1.2 坡面流的水力關系3.1.3 坡面流阻力3.1.4 雨滴擊濺的影響3.1.5 坡面漫流的計算3.2 有細溝的坡面流3.2.1 細溝水流的實驗3.2.2 細溝坡面的水流計算3.3 本章小結第4章 坡面侵蝕機理4.1 雨滴濺蝕4.2 坡面徑流侵蝕4.2.1 薄層水流侵蝕4.2.2 細溝水流侵蝕4.3 坡面水流侵蝕和輸沙的計算4.3.1 侵蝕量與輸沙量的關系4.3.2 薄層水流的侵蝕與輸沙能力4.3.3 細溝流的侵蝕與輸沙能力4.3.4 模擬中要注意的問題4.4 本章小結第5章 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙模型5.1 超滲產(chǎn)流模型5.1.1 模型的結構與計算流程5.1.2 產(chǎn)流過程計算5.1.3 匯流過程5.1.4 參數(shù)取值5.2 坡面產(chǎn)沙模型5.2.1 產(chǎn)沙模型的概化5.2.2 坡面產(chǎn)沙計算公5.2.3 公式合理性檢驗5.2.4 公式的適用性5.3 本章小結第6章 溝坡區(qū)重力侵蝕模型6.1 溝坡重力侵蝕物理圖景概6.2 溝坡重力侵蝕力學分析6.2.1 土體含水量變化6.2.2 坡腳側向沖刷計算6.2.3 溝坡失穩(wěn)幾何形態(tài)分析6.2.4 溝坡土體受力分析6.3 溝坡失穩(wěn)的不確定性分析6.3.1 不確定性的含義6.3.2 溝坡失穩(wěn)的模糊性分析6.3.3 溝坡失穩(wěn)的隨機性分析6.3.4 溝坡失穩(wěn)的模糊概率6.4 重力侵蝕模型的應用條件6.5 本章小結第7章 溝道水沙演進模型。7.1 精確擴散波匯流模型7.1.1 馬斯京根-貢日法7.1.2 時空步長的選擇7.1.3 水力要素的計算7.1.4 驗證與對比7.2 溝道輸沙計算7.3 溝道水沙計算的驗證7.4 本章小結第8章 流域數(shù)字河網(wǎng)和模型集成8.1 河網(wǎng)并行計算需求8.2 數(shù)字流域平臺的改進與應用8.3 基于二叉樹的河網(wǎng)編碼方法8.3.1 河網(wǎng)的二叉樹特征8.3.2 快速定位節(jié)點的二叉樹編碼8.3.3 基于二叉樹的河網(wǎng)編碼方法8.3.4 基本拓撲關系8.3.5 典型應用的拓撲算法8.4 大規(guī)模河網(wǎng)的管理8.4.1 分區(qū)分級編碼方法8.4.2 子流域DEM切割和河網(wǎng)耦合8.4.3 河網(wǎng)管理的應用8.5 基于河網(wǎng)分解的并行計算8.5.1 并行計算的邏輯架構8.5.2 河網(wǎng)分解算法8.5.3 基于MPI和計算機集群的實現(xiàn)方式8.5.4 并行計算應用實例8.6 模型的集成8.6.1 模型集成方法8.6.2 模擬尺度的提升8.7 本章小結第9章 流域泥沙過程模擬9.1 岔巴溝流域泥沙過程模擬9.1.1 計算準備9.1.2 參數(shù)率定9.1.3 模型應用9.1.4 結果分析9.2 無定河流域泥沙過程模擬9.2.1 計算準備9.2.2 參數(shù)率定9.2.3 模型應用9.2.4 結果分析9.3 多沙粗沙區(qū)流域泥沙過程模擬9.3.1 計算準備9.3.2 1967年模擬結果9.3.3 1977年模擬結果9.3.4 結果分析9.4 本章小結第10章 水沙源區(qū)泥沙過程規(guī)律分析10.1 尺度現(xiàn)象及其形成機理10.1.1 尺度現(xiàn)象10.1.2 模擬結果中的尺度現(xiàn)象10.1.3 對尺度現(xiàn)象來源的分析10.2 降雨變化對侵蝕產(chǎn)沙的影響10.2.1 降雨變化趨勢和情景設置10.2.2 徑流和輸沙量結果10.2.3 不同土壤侵蝕組成的變化10.2.4 結果分析10.3 本章小結第11章 河道水沙動力學模型11.1 模型建立11.1.1 控制方程組11.1.2 數(shù)值解法11.1.3 關鍵問題處理11.2 模型率定11.2.1 初始和邊界條件11.2.2 高含沙量對模擬結果的影響11.2.3 考慮高含沙量影響的模擬結果11.3 參數(shù)敏感性分析11.4 模型應用11.4.1 1982年洪水11.4.2 1992年洪水11.4.3 1998年洪水11.5 本章小結第12章 水沙源區(qū)與干流河道的耦合模擬12.1 流域與河道模型的耦合方式12.2 模擬實例12.2.1 計算準備12.2.2 計算條件的對比12.2.3 模擬結果12.3 來水來沙變化對河道沖淤的影響12.4 本章小結參考文獻

章節(jié)摘錄

土壤可蝕性是衡量降水和植被長期作用下不同地帶地表抗水力侵蝕狀態(tài)的綜合指標，主要由土壤組成和植被覆蓋決定。而土壤組成除與地質(zhì)形成有關外，也高度受降水和植被特征影響，反過來又和降水一起影響植被的發(fā)育程度。因此，降水、植被和土壤相互作用共同決定的自然地帶特征是宏觀尺度上評價土壤可蝕性的基本依據(jù)。自然地帶特征的時間變化是緩慢的（年以上尺度），空間分布是流域和區(qū)域級的，因此土壤可蝕性的差異所引起的降水一侵蝕的上凸形式關系在大尺度上是穩(wěn)定的，也不與特定自然地帶下降水一侵蝕過程內(nèi)部兩者的單調(diào)關系相矛盾，反而是一種合理的解釋。在流域泥沙動力學建模中，土壤可蝕性是反映自然地帶差異的不可缺少的關鍵變量，它的分布決定于自然地帶的分布，定量過程主要參考土壤類型、植被覆蓋的長時段平均值、土地利用等決定自然地帶的要素。當然，為解釋長時間尺度下的植被一侵蝕關系，不涉及具體侵蝕過程的研究方法也得到了很好的結果，如王兆印等（2003）在植被一侵蝕動力學方面所做的工作。2．1．2地質(zhì)地貌特征和河網(wǎng)降水、植被與土壤等特征表現(xiàn)的自然地帶性是獲得流域泥沙研究中最廣泛地域規(guī)律的前提。而地質(zhì)地貌和水系發(fā)育特征等非地帶性因素則是產(chǎn)生地域規(guī)律中不確定性的前提。地質(zhì)歷史的差異、流域地貌的不同發(fā)展階段和相應的水系發(fā)育特征在自然地帶內(nèi)部展現(xiàn)出流域侵蝕過程的差異性，創(chuàng)造了流域的多樣性，也進一步提高了流域泥沙過程機理的復雜度。由地質(zhì)構造和地表侵蝕歷史決定的流域坡度是非地帶性因子的主要代表，是流域地貌的主要體現(xiàn)形式，也是單位降水在流域內(nèi)產(chǎn)生侵蝕能量大小的決定要素。流域坡度簡單區(qū)分為坡面坡度和溝道坡度兩部分，而坡面和溝道的識別和定量又以對水系的識別和定量為基礎，從而使地貌和水系發(fā)育這兩個課題緊密聯(lián)系在一起。在確定的地質(zhì)歷史時期，河網(wǎng)由地貌決定，是特定地貌條件的體現(xiàn)；而從地質(zhì)歷史進程的角度看，水系發(fā)育過程漸進地改變地貌條件，特別在地表侵蝕活躍的區(qū)域，水系發(fā)育對地貌的改變較地質(zhì)構造過程更快。因此，河網(wǎng)結構與組成它的坡面和溝道的幾何形態(tài)構成了一組復雜的關系，既是流域地貌的量化表達形式，也是侵蝕過程改變地貌形態(tài)的體現(xiàn)途徑，從而要求將河網(wǎng)作為流域泥沙動力學研究的基本對象和定量模擬的載體。

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