黄土丘陵区切沟侵蚀过程的三维数值模拟研究

基于切沟侵蚀过程机理，以黄土丘陵区野外处于发育活跃期的切沟为研究对象，通过切沟水流交汇的能量突变过程（动-势能转化）的侵蚀输沙实验与数值模拟研究，建立切沟下切-沟壁坍塌-沟道汇流输沙方程，对切沟侵蚀过程在空间平面和时间上进行三维数值模拟，求解切沟纵剖面上的沟床高程、横剖面上的沟壁宽度、沟道流速、流量、泥沙含量变化，阐明切沟随时间和空间变化的演化过程，从而揭示切沟系统的侵蚀产沙传递机制及其过程，为土壤侵蚀预报奠定理论基础。该研究不仅为土壤侵蚀防治提供重要的科学依据，使水土保持决策更加客观化、信息化和科学化，而且也拓展了水动力学和土壤侵蚀力学理论的应用领域，促进了土壤侵蚀学科的发展，具有重要的研究意义。

切沟侵蚀是黄土沟壑区特有的一种侵蚀方式，且对流域侵蚀产沙有重要贡献。由于受切沟侵蚀过程复杂性及研究技术的限制，目前有关切沟侵蚀机理的研究非常薄弱，至今尚未建立基于物理过程的切沟侵蚀预报模型，国外几个著名的侵蚀预报模型，都明确基于细沟侵蚀，而没有针对黄土沟壑区陡坡地形；国内的切沟侵蚀预报模型主要基于经验模型，普适性有待进一步提高和验证。不论从科学理论研究还是实际需要出发，都迫切需要对切沟侵蚀的形成机理、切沟侵蚀预报等方面进行深入研究，为水土流失治理提供科学依据。本项目针对黄土沟壑区切沟侵蚀过程：一是基于理论分析方法，结合室内降雨和冲刷试验，建立黄土丘陵区切沟侵蚀输沙微分方程、下切方程、坡面入渗-产流方程、沟壁扩展方程以及沟宽最大宽度预测方程，进行切沟侵蚀过程的三维数值模拟；二是利用三维激光扫描、普通相机成像、无人机技术，对甘肃天水桥子沟流域典型切沟及陕北神木六道沟流域的典型切沟进行监测，通过切沟侵蚀发育形态变化，研究切沟侵蚀的发生演变过程，用来检验和验证切沟侵蚀预报模型。主要结果如下：（1）建立了切沟侵蚀输沙微分方程、下切方程、沟壁扩展方程、沟宽最大宽度预测方程，并进行了数值模拟；（2）提出了黄土沟壑区坡面入渗-产流方程的的数值解法；（3）提出了一种针对地面激光点云的抗差法向量求解方法，点云法向量的准确估计是激光点云的滤波、分割与重建等处理中的基础，该方法依赖的假设条件与先验知识较少，适用于场景复杂、采样密度差异较大的地面激光点云的抗差法向量计算；（4）提出了基于激光回光强度衰减模型的植被滤波方法，建立回光强度随距离的衰减模型，对点云作回光强度补偿并滤波；（5）提出了两种泥沙量不确定性度量方法，一是利用模糊数学方法，建立了输入输出隶属度函数及模糊控制规则，设计了坡度、点密度、粗糙度“三输入一输出”模糊控制器，对估算的泥沙量进行修正；二是以DEM空间可变性及侵蚀和沉积发生的空间相关性为基础，建立了侵蚀和沉积发生的条件概率，通过Bayesian推理方法，计算侵蚀和沉积发生的后验概率，用来修正泥沙负载量估算值；（6）提出了利用普通照片实现坡面侵蚀沟三维模型的快速重建方法，并利用室内侵蚀冲刷试验对该方法进行了验证；（7）提出了一种单目无人机成像完成地形三维建模的方法，即图像配准评估框架以及基于多仿射面片理论的无人机图像配准算法，并在野外切沟三维建模实验中得到初步应用。