模拟小型对流强降雨和沟床渗漏损失对冲沟演化的影响

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1、简介

冲沟通常被定义为具有陡峭的沟顶和沟壁的临时性沟槽,它切割了未曾固结的物质。冲沟比沟纹大,但比干谷更小更年轻。它们出现在世界各地,包括中国的黄土高原、澳大利亚东南部、美国西南部、埃塞俄比亚高原和以色列的内盖夫高原。在科罗拉多的卡森堡和皮尼翁训练场(PCMS)等军事训练基地中也经常出现。例如,在皮尼翁,冲沟的深度通常在2~4米,宽度在5~7米之间。在全球范围内,冲沟作为一种土地的退化形式而广受关注。尤其是它们可能为流域范围沉积物的主要来源,并且可能干扰农业生产。在军事基地内,他们也可能在训练过程中限制了部队和车辆的通行能力。

有大量的研究调查了容易发生冲沟的地区和导致冲沟发育的原因。在砂质土壤和黄土中,冲沟更为常见,因为这些土壤会形成表层结皮,阻止渗透并促进表层径流的发生。在冲积物堆积体中也常观察到冲沟,并且在容易发生管状侵蚀的松散土壤中很常见。在地形坡度和流域面积都足够大,并超过临界剪应力或单位水流功率的地区,更可能生成冲沟。在植被稀疏的半干旱地区,冲沟更常见,但它们也可发育在林下植被较少的森林地区。冲沟的形成通常与伐木、过度放牧、不适当的耕作、修路和城市化等破坏土地覆盖的活动有关。在某些情况下,气候变化也被认为是导致冲沟发育的原因。

现在已经提出了各种概念模型来解释冲沟的形成和发展过程。考虑到冲沟在科罗拉多军事基地中的出现,Tucker等(2006)提出了一个侧重于植被作用的概念模型。当植被稠密而健康时,它可以保护下面的土壤免受坡面流引起的侵蚀。然而,当植被覆盖因为干旱、火灾或人为破坏而变薄时,地表就会变得更加脆弱。如果在地表暴露的情况下发生暴雨,地表径流就会迅速侵蚀下面的松散堆积物并减缓植被的再生速度。植物最终在冲沟周围再次长出,可以保护沟壁。

2、主要内容

介绍了研究方法,水文响应和地貌特征,得出结论:

我们假设暴雨分布的空间范围小和巨大的搬运损失可能是半干旱地区(如科罗拉多州东南部)冲沟不连续分布的重要影响因素。为了探索这种可能性,将对这些过程的简化表示形式添加到现有的景观演化有限搬运模型中,并分析了该模型中的水文和地貌行为。假定暴雨分布区为具有一定直径的圆形,并且假定沟床损失最高可达到每个网格单元特定的渗透量或渗透能力。基于建模模拟,我们得出以下结论:

1) 限制暴雨的分布范围,将流量平均分配到较小面积的产流区,将使得流量和汇流区面积的关系呈非线性。如此修改模型所产生的净效应就是减少了较大面积产流区的流量(相较于无限大小的暴雨中出现的情况)。所观察到的关系既不是分段线性关系(在流量上限作为汇流区面积的函数时可以观察到),也不是具有修正斜率的幂律关系。这个结果表明,有限大小暴雨的影响不能通过广泛使用的、形式简单的有限搬运模型来表示。

2)对于给定的降雨强度,沟床损失进一步改变了平均流量和汇流区面积之间的关系。事实上,当具体的渗透能力足够大时,给定暴雨强度的平均流量实际上可能随着大范围产流区的面积增加而减少。

3)当使用降雨强度、暴雨持续时间和暴雨间歇期呈指数分布的随机模型(Tucker and Bras, 2000)来模拟降雨事件时,平均流量(假定有流量存在)和汇流区面积的关系对具体的渗透能力并不太敏感。然而,出现给定流量的频率以及在选定时间段内的总流量对该因素非常敏感。

4)暴雨的有限分布也影响着某一时刻某一点的标准化流量(即流量除以汇流区面积)分布的标准偏差和偏斜系数。当暴雨大小有限时,这些参数都是汇流区面积的函数。当暴雨无限大小时,它们在整个盆地中均保持不变。在较大的产流区,当暴雨大小有限时,其标准偏差减小,偏斜系数增加。至少在被测试的数值范围内,渗透能力对这些参数的影响要比暴雨规模小。

5)有限大小的暴雨也允许侵蚀特征出现在通常发生沉积的部分地貌上。如果仅在沉积区域发生降雨事件,则其流量可能具有过量的搬运能力,从而在该部分区域产生侵蚀作用。侵蚀可能生成较小且不连贯的切割峡谷,其与冲沟大致相似。随着时间的推移,这些小的地貌会发展成清楚的山谷。

总的来说,这项研究的结果表明,与暴雨大小不受限且不发生损失的情况相比,有限规模的暴雨和沟床损失能够随着水流向下游移动而减少其搬运能力。因此,研究结果提供了证据,表明这些因素最终可以使流体在向下游移动时停止切割。然而,该结果只考虑了假设的建模场景,忽略了对冲沟特定地貌过程的综合考虑,因此需要进一步的研究来确定本研究中使用的简化模型是否足够近似,还有那些过程是否为特定地貌区冲沟演化过程中的重要因素。这些结果还提供了轶事证据,表明有限大小的暴雨以及有(或没有)沟床损失,都可以在通常会出现沉积的地区形成过量的搬运能力。需要进一步的研究来确定这种情况发生的一般条件,以及它是否为判断冲沟开始切割和形成的一个重要因素。

 

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