细沟侵蚀物理模型

序

前言

第1章 绪论

1.1 土壤侵蚀与细沟侵蚀研究的重要性

1.2 土壤侵蚀预报模型研究进展

1.3 坡面流研究进展

1.3.1 坡面流数学模型

1.3.2 降雨对坡面流的影响

1.3.3 坡面细沟流输沙能力公式

1.4 细沟侵蚀预报模型研究的意义

1.5 模型参数的物理意义及求解方法

1.5.1 细沟侵蚀剥蚀率

1.5.2 细沟侵蚀输沙能力

1.5.3 细沟可蚀性参数及土壤临界抗剪切力

第2章 细沟侵蚀动态过程与物理模型

2.1 细沟侵蚀动态过程描述

2.2 一维水流连续性方程

2.3 水流动量守恒方程

2.4 泥沙质量守恒方程

第3章 细沟侵蚀模型有限元计算方法

3.1 有限元方法的概念及在细沟侵蚀领域中的应用

3.2 偏微分方程的近似积分法

3.2.1 理论基础

3.2.2线性插值函数

3.2.3 一维有限元计算公式——Oalerkin方法

3.3 一维细沟侵蚀模型的有限元方法

3.3.1 单元有限元方程的推导

3.3.2 时间微分处理——有限差分法

3.3.3 有限元法的总体合成

3.3.4 边界条件处理

3.3.5 有限元总体方程的解法

第4章 有限元的程序设计

4.1 单元矩阵及其计算方法

4.2 输入初始数据

4.3 一般矩阵的合成与求解

4.3.1 总体（全局）刚度矩阵的合成（装配）

4.3.2 矩阵的向量化存储

4.3.3 矩阵相乘

4.3.4 线性方程组的无回代求解

4.4 带状矩阵的合成与求解

4.4.1 存储带状矩阵

4.4.2 合成单元矩阵到带状向量空间

4.4.3 引入边界条件

4.4.4 向量存储带状方程组的求解

第5章 细沟侵蚀过程的模拟与检验

5.1 非限定性细沟侵蚀试验及泥沙连续方程参数设定

5.1.1 模型的描述

5.1.2 有限元计算方法与计算公式

5.2 非限定性细沟侵蚀过程的实验模拟与验证

5.2.1 方法

5.2.2 物性参数

5.3 细沟沟床的瞬态演变模拟结果与检验

5.3.1 细沟宽度和沟床坡度不随时间、空间变化

5.3.2 细沟宽度不随时间变化、空间均匀，坡度随时间变化、空间非均匀

5.3.3 时间不变但空间非均匀宽度及时变与空间非均匀坡度

5.3.4 时变及空间非均匀变化的沟宽和沟床坡度

5.3.5 细沟沟床的瞬态演变模拟结果检验

第6章 细沟侵蚀传统实验方法及其局限

6.1 试验方法

6.2 试验结果

6.2.1 泥沙含量与坡度及人流量的关系

6.2.2 输沙能力与采样长度的关系

6.3 细沟沟宽与泥沙的波动

6.3.1 沟宽与坡度及人流量的关系

6.3.2 细沟的周期性形态

6.3.3 流速与坡度及流量的关系

6.4 传统试验方法的局限性

第7章 细沟侵蚀过程的系统实验方法

7.1 细沟侵蚀动态过程的概念

7.2 试验材料和方法

7.2.1 试验水槽设计及土壤处理

7.2.2 供水及流量控制和试验量测

7.3 试验数据及其表达

第8章 细沟土壤剥蚀过程

8.1 细沟侵蚀剥蚀率及其计算方法

8.2 水流含沙量对细沟剥蚀率的影响

8.3 细沟剥蚀率与细沟沟长的关系

8.4 细沟剥蚀率的解析方法

8.5 细沟剥蚀率解析结果的检验

8.6 陡坡细沟侵蚀含沙量的解析方法

第9章 细沟侵蚀产沙输沙过程与输沙能力

9.1 输沙能力及其试验确定方法

9.2 细沟输沙能力的解析方法

9.3 输沙能力与坡度和流量的关系

9.4 输沙能力与水流功率的关系

第10章 土壤可蚀性参数和临界抗剪切应力

10.1 WEPP模型细沟可蚀性参数估计

10.2 （有理）实验法确定细沟可蚀性参数与临界抗剪切应力

10.2.1 理论分析及数学推导

10.2.2 参数计算及分析

10.3 疏松土壤材料中细沟的再生及其临界剪应力的实验研究

10.3.1 材料与方法

10.3.2 坡度与单宽流量的关系

10.3.3 临界剪切应力与坡度的关系

第11章 细沟侵蚀动态过程的稀土元素示踪法

11.1 REE示踪元素的用法与用量的计算

11.1.1 REE示踪元素的选取及坡面布置

11.1.2 施放深度及浓度

11.1.3 示踪土样的配制

11.1.4 冲刷试验设计

11.2 计算方法

11.2.1 样品采集和土壤侵蚀量的计算

11.2.2 含沙量的计算

11.3 REE示踪法估算细沟侵蚀产沙分布

11.3.1 不同水动力条件下细沟侵蚀产沙分布

11.3.2 测定精度

11.4 细沟流剥蚀率的REE示踪法研究

第12章 WEPP模型细沟侵蚀产沙方程理论分析与实验验证

12.1 试验结果及解析验证

12.2 理论分析及试验验证

第13章 WEPP模型中细沟可蚀性参数估计方法误差的理论分析

13.1 WEPP模型确定可蚀性参数的实验与计算方法

13.2 WEPP模型细沟土壤可蚀性参数估计误差来源

13.3 WEPP模型细沟可蚀性参数误差的估算

第14章 模型参数及有限元模拟算法的检验

14.1 初始及边界条件

14.2 集中水流条件下细沟侵蚀随坡长变化过程的模拟

14.2.1 模拟程序流程图

14.2.2 模拟工况

14.2.3 模型输入参数

14.2.4 模拟结果

14.3 传统输沙能力公式对细沟侵蚀产沙过程的影响

14.4 传统土壤可蚀性参数对细沟侵蚀产沙过程的影响

14.5 输沙能力与土壤可蚀性参数的共同影响

14.6 细沟剥蚀过程

第15章 降雨条件下细沟侵蚀的有限元模拟

15.1 有降雨条件下的细沟侵蚀实验

15.1.1 实验设计及数据表达

15.1.2 初始及边界条件

15.2 模型模拟结果与分析

15.2.1 模拟流程图

15.2.2 模拟结果

15.2.3 结果分析

15.3 细沟侵蚀过程有限元模拟的可视化

15.3.1 系统组成简介

15.3.2 系统主要优点

参考文献

附录 模型参数计算程序

本书系统阐述了作者多年来在土壤侵蚀预报模型参数获取方法和侵蚀模拟方面的最新研究成果。全书共15章。主要内容有土壤侵蚀模型研究的进展、存在的问题和建模难点；细沟侵蚀模型的有限元数值计算方法和有限元的程序设计，不同工况条件下的细沟侵蚀动态过程的模拟；细沟侵蚀传统实验方法及其局限；系统确定土壤侵蚀物理预报模型参数输沙能力、细沟侵蚀剥蚀率、土壤临界剪切力和土壤可蚀性参数的实验方法和数学计算方法；利用多种稀土元素示踪法研究细沟侵蚀产沙过程及细沟剥蚀率的试验方法和计算方法；现有细沟土壤侵蚀物理预报模型基本参数估算方法的缺陷、误差产生的原因和减少误差的方法；对wEPP模型细沟侵蚀产沙方程进行验证；应用有限元方法构建的细沟侵蚀预报模型模拟放水冲刷及降雨条件下的细沟侵蚀产沙过程。
本书可供土壤侵蚀、水土保持、流水地貌、生态、水文、自然地理、国土整治、土壤物理、农林牧和水利等部门的研究人员及高等院校相关专业师生等参考。

《细沟侵蚀物理模型》瞄准土壤侵蚀学科前沿，系统阐述作者多年来在土壤侵蚀预报模型参数获取方法和侵蚀模拟方面的最新研究成果。在作用和变量控制下，进行室内细沟侵蚀精细模拟创新实验，对野外因种种原因无法研究的类似变量和作用关系加以分析、控制及精确测量，研究细沟侵蚀过程以及细沟流侵蚀作用过程中系统中物质和能量的分布及转化，细沟水流剪切力作用下土壤颗粒由地表剥离的动力学机制、泥沙的输运力学过程，与土壤侵蚀预报相关参数的定量测定方法。提出系统确定细沟水蚀预报物理模型中参数体系的实验方法和计算方法。