黄土坡面细沟发育过程的三维CA数值模拟

坡面细沟发育过程的时空动态模拟研究是当前土壤侵蚀学科的前沿科学问题，同时也是国内外研究热点问题之一。本项目拟选择黄土坡面细沟侵蚀过程为研究对象，采用元胞自动机（Cellular Automata，CA）理论和方法，结合数模方法、室内外人工模拟降雨试验、土壤样品分析实验和三维激光扫描技术，建立三维结构的坡面细沟发育过程CA数值模型，耦合降雨、下渗、径流、侵蚀、泥沙输移与沉积等过程于统一的CA同质框架下；利用GIS技术、可视化技术和IDL编程语言开发时空维的CA模型模拟软件系统，对不同雨强与坡度条件下的细沟发育过程进行时空动态可视化模拟与数值分析。该研究既可为黄土坡面细沟侵蚀定量计算提供有效的工具，又可从空间形态上对细沟发育过程进行模拟和预测，对于理解坡面水蚀过程及其机理，创新侵蚀过程模拟方法具有学术价值，对于防止坡面水土流失和土地退化具有实践指导意义。

项目以黄土坡面细沟侵蚀过程为研究对象，将CA理论与方法和土壤侵蚀学、水力学、水文学等学科相结合，建立坡面细沟发育过程的三维CA数值模型，模拟细沟发生、发展及演化的时空动态过程，为坡面细沟侵蚀过程的定量模拟提供有效的方法和工具。.项目完成如下内容：1、构建了坡面细沟发育过程的三维CA模型。2、对CA模型进行率定与验证。2、进行坡面细沟发育时空动态过程CA数值模拟与分析。.项研究取得的成果如下：1、对现有土壤侵蚀模型，尤其是利用CA方法构建的新型土壤侵蚀模型进行了系统的总结和评述。2、构建了黄土坡面细沟发育过程的CA模型及其软件系统。3、为验证模型进行黄土坡面细沟侵蚀人工降雨实验。4、黄土坡面细沟发育过程的CA数值模拟与分析。发表论文13篇。5、指导2名研究生毕业，获硕士学位，并顺利就业，另指导在读研究生3名。.通过项目研究得出的重要结论如下：1、元胞自动机理论和技术方法，适合于不同时空尺度的土壤侵蚀过程建模，同时也为研究坡面细沟侵蚀过程提供了有力的工具。2、研究建立的CA模型结构简单，参数较少；累积径流量和累积侵蚀量的Nash—Sutcliffe系数分别达到0.898和0.589，误差系数分别为14%和-22%，模型有效性较好。3、CA模型既能从空间形态上对细沟过程做出定量模拟和预测，又能对细沟发育所具有的复杂性作出解答，对比传统土壤侵蚀模型所具有的最大优势。4、元胞大小选择对于模型影响较大。当保持模型其他参数和运行时间不变时，选择元胞尺寸增大，细沟发育过程加速，细沟平均沟宽变宽，沟长变长，坡面径流和产沙趋势提前，同时累积径流量减少，累积侵蚀量增加；当选择元胞尺寸变小时，则相反。5、通过模型分析细沟形态特征参数，在细沟发育过程中，沟长在侵蚀发育稳定期增长较快，沟宽和沟深在细沟发育初期和细沟发育成熟后增长较快，细沟纵向侵蚀在坡面底部和中部比较明显，因此，需要加强坡面底部和中部的水土保持防护措施。.项目具有的科学和实践意义：1、集成多种方法和技术手段，建立坡面细沟发育过程CA数值模型，为细沟侵蚀过程模拟提供有效的工具，有助于理解坡面水蚀过程及其机理，具有一定的学术价值。2、将CA模型和坡面细沟侵蚀有机地结合在一起，从空间形态上直观地展现坡面细沟发育的三维时空动态过程，定量化研究细沟侵蚀的发生、发展规律及其内在机制，对于防止坡面水土流失和土地退化具有实践指导意义。