长安大学 陕西地矿区研院有限公司
1引言
地表糙度与降雨、风、冻融和耕作等自然与人为活动关系十分密切，很多专家给出了关于地表糙度的定义[1]。地表糙是反映地面主要物理性状的重要指标，是反映地表微地貌形态的阻力特征值[2]。流体力学认为，粗糙度指的事固体表面凸出部分的平均高度[3]；风蚀角研究者认为，在地面起伏或地物的影响下，风速轮廓线上，风速为零的位置上地表高度并不等于零，而是在与地表相距的某一高度位置上，这一高度被定义为地表粗糙度[4,5]；经过大量研究的上，吴发启等人将水蚀过程中的地表糙度定义为：地表在比降梯度最大方向上的凸凹不平的形态或起伏状况，也被称为地表微地形[4-5]。Kamphorst等通过Gaussian模型理论建立微地形的DEM模型来模拟地表填洼量，效果十分显著[6]。
地表糙度的量测方法有很多种，气象上使用较多的是Kuipers的微地形计,还有美国人Atisaleh的链条法及近来有人提出的杆尺法等[4]。在水土保持监测中按照观测方式与观测坡面的关系可以分为接触式和非接触式两种。接触式观测方式是指观测仪器与地表直接接触，常用方式为测针法[7,8]、链条法[9]；非接触式方式泛指由激光探头等部件组成的测量装置如近景摄像机[10]、激光扫描仪[11]等。测针法等传统的观测方式需要与地面接触，对微地形破坏较为严重且观测耗时较长，但Brough等学者研究发现测针法的测量精度与测针间距关系十分密切密切[12]。吴发启等学者利用链条法观测地表糙度，但发现虽然链条法观测糙度稳定性较高，但是链条法难以观测到较为细微的自然糙度，且对微地形破坏比较严重[13]。Huang最早将三维激光扫描技术引入到地表糙度研究中，并采用此方式对糙度测定进行了相应的研究[14,15]。但是该方式很难准确的反应出地表的真实情况，此后很多学者对该方法进行了改进，产生了阴影法等考虑了地表土壤类型、湿度等对于糙度的影响[17]。
之前的学者对地表糙度的观测方式、计算方法都做出了大量的研究；Allmaras等人提出的随机糙度法[18]，Romken和Wang提出了微地形指数法[19,20]，Boriffin提出了弯曲度指数法[21]，Linden和Van Doren在研究耕作形成的地表糙度特征时提出了平均绝对高差法[22]。但鲜见针对多种地形，特定土壤条件下室内外降雨条件下地表糙度的变化情况研究，缺少利用三维激光扫描技术的研究，因此我们利用三维激光扫描技术去研究野外自然条件下杨凌塿土在雨季糙度变化情况和室内三种降雨条件下糙度变化有十分重要的意义。
2试验设计
2.1试验环境
试验的整体过程分为两部分：室外试验在杨凌北部胡家底村一处裸坡布设，平均坡度为15°，地理位置为108°04′25″E，34°18′40″N，地处黄土高原南缘，属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降雨量637.6mm，土壤类型为灰棕色塿土，土体有粒状或团块状结构，土壤颗粒以粉砂为主；室内试验设计降雨强度40mm/h、90mm/h、120mm/h，坡度为15°，供试土壤条件与野外条件相同。
2.2试验布设
两类试验侵蚀槽尺寸均为（1.0m×2.0m）；试验过程中采用观测仪器为拓普康（GLS-1500）三维激光扫描仪；野外条件下采用2mm观测尺度对地表进行扫描观测；室内条件下采用1mm，5mm，10mm三种观测尺度对各类地形进行扫描观测。
野外试验条件下顺坡布设6组侵蚀小区，上下两组采用相同地形进行对照试验；分别采用20cm、10cm顺坡耕作，耙平裸坡三种方式构建初始地形，观测方式采用固定靶标多小区、多测站观测方式，观测时间为2012年10月初-2012年11月底，观测周期为15天，试验布设图见（图1）。
室内试验在原坡面上采用20cm、10cm顺坡耕作，耙平裸坡，5cm、10cm、20cm三组细沟，六种方式构建初始地形，分别采用40mm/h、90mm/h、120mm/h雨强对地表进行冲刷，冲刷前后分别对地表进行扫描观测；观测方式根据地形起伏进行选择，以达到最优观测结果，针对微起伏地形则选择单测站直面观测，大起伏地形则采用固定靶标多测站观测。
3数据处理与分析
3.1数据预处理
利用扫描仪自带软件ScanMaster2.0将扫描所得数据打开，对数据进行去除杂点、根据靶标信息进行点云拼接、叠加后对扫描边界进行粗裁剪、数据导出格式为TXT等预处理。
3.2糙度提取
利用栅格计算器计算栅格面积如公式（1），公式为（2）为曲面面积计算公式，计算公式（3）为面糙度计算公式。
3.3数据分析
3.3.1野外糙度变化分析
由图3可以看出，在四个测次下，微地形变化十分显著。深耕、浅耕、裸坡三种地形下，对应高程最大值、最小值在前三次呈现减小趋势，说明前三次观测时夷平作用远大于侵蚀作用，第四次观测时则出现侵蚀大于夷平的现象，且根据高程变化可以看出三种地形抗击侵蚀的能力为深耕＞浅耕＞裸坡。
由图4可以清晰的看出，深耕地形条件在整个观测的过程中地表糙度呈现减小的趋势，且前三次观测过程中糙度减少十分明显，这主要是由于10月，11月处于杨凌当地的雨季，导致深耕糙度变化较大；第四次观测过程中地表的糙度则变化较小。裸坡和浅耕地形糙度则一直处于稳定的状态，只在第四次观测时有较小的增加趋势，其余每次观测得到的糙度变化则十分微弱，因此在野外小区地表糙度变化的总体趋势为：深耕＞浅耕＞裸坡。
3.3.1室内糙度变化分析
室内各类微地形坡面DEM变化如图5。深耕微地形变化多集中在坡顶和坡脚位置，40mm降雨条件下坡面整体高程下降，坡面多个位置呈现高程增加的趋势，且在坡面分布不均匀，但整体来说靠坡面右侧，坡面左侧靠近挡板的坡顶部位以及坡脚部位，微地形糙度变化情况不清晰，但少数部分仍旧呈现下蚀现象，但总体面积远小于夷平区域面积；90mm降雨后，坡面顶端大部分区域呈现出复杂的地形起伏，在坡顶由于侵蚀作用呈现出复杂的地形起伏，坡底由于堆积作用起伏面积增大；120mm降雨后，坡面上半部分形成了明显的起伏，在坡面中下部出现明显的侵蚀沟，这是由于坡面汇水作用造成的大规模的侵蚀现象，坡面整体高差变化不大，且在三种雨强冲刷后，并未出现明显的侵蚀沟，说明深耕地形抗击下切侵蚀的能力较为显著。
观测耙平裸坡发现在雨前坡面中间有很多大颗粒起伏，40mm降雨后，由于雨强较小，大的泥沙颗粒受降雨作用出现崩蚀沉降的现象，使得坡面的整体高程发生了变化；90mm降雨后，坡面经过冲刷较为平整，相对高程较低，高差较小，在上坡段左侧以及坡底部位出现了明显的侵蚀沟，且坡底侵蚀沟较大，说明坡面汇水作用增强了侵蚀作用，汇水中携带泥沙对下坡段侵蚀作用剧烈；120mm的强烈雨强导致坡面形成了较为复杂的地形，且在主要侵蚀部位上都出现了较为明显的侵蚀沟，侵蚀现象此时主要集中在上半坡段，沉积作用对坡脚的填挖作用也十分明显，坡面整体高差变化十分剧烈，说明裸坡坡面抵抗下切蚀能力很弱。
浅耕地形条件下，初始坡面地形较为细碎，坡面初始最小值为-1.59423，最大值为0.14325，经过40mm降雨坡面因冲刷现象导致整体平面高程降低，下切侵蚀虽然存在，但并不明显，只能在坡面下段观察到；90mm降雨过后，坡面下切侵蚀明显，堆积作用更加剧烈，具体表现为坡面最高处位置较降雨前上升明显，因此可说明堆积作用在该雨强条件下较为明显；120mm降雨条件下，侵蚀较为明显，可在坡面看到明显的细沟，说明此时侵蚀作用大于堆积作用。
10cm深度耕作地形，40mm降雨过后坡面较大的泥沙团聚体发生崩蚀，因此坡面局部地区出现填挖现象；90mm降雨后坡面冲刷现象较为明显，在坡脚部位出现明显的侵蚀沟；120mm降雨过后，坡面整体变化为高低起伏十分复杂；整个侵蚀过程该坡面高差变不明显，且小于深耕地形，说明10cm的耕作深度抗击下切侵蚀的能力略强于20mm的耕作地形。
5cm细沟地形，40mm降雨过后坡面下段由于崩蚀作用、填挖作用变得较为平坦，且观测中由于沟宽较小，无法清晰观测到原始侵蚀沟；90mm降雨后，坡面经历较大雨强冲刷，在中上端出现明显的侵蚀沟，且侵蚀沟数量较多分布较为密集，在坡脚部位，由于沉积作用形成了高低分布不均匀的起伏形态；120mm的大雨强冲刷后，坡面起伏十分复杂，且经历降雨冲刷后人造细沟得到发育能够看到明显的细沟地形；坡面整体的高程变化较大。
10cm细沟地形，在40mm降雨强度下细沟向上发育明显，出现明显的侵蚀现象，沟内的崩离侵蚀导致细沟变得更加明显，在坡脚部分由于水流冲刷作用出现明显的堆积作用，形成了明显的洼地；90mm降雨过后，坡面受到强大的降雨侵蚀整个坡面受到很强的冲刷，细沟变得并不明显，出现明显的填平作用；120雨强过后坡面的细沟更不明显，且在坡顶部位出现明显的侵蚀。
试验过程中分别采用40mm，90mm，120mm三种降雨强度，历时1h，然而不同的地形条件的糙度在不同雨强条件下变化有明显的差异。
表2可以看出在90mm降雨条件下各种地形糙度在降雨前后的糙度都呈现减小的趋势。三组耕作地形的糙度变化大于三组细沟地形，裸坡糙度变化最大，15cm细沟的糙度变化最小；耕作地形条件下糙度：裸坡＞20cm深耕＞10cm深耕，三组细沟糙度：5cm细沟＞10cm细沟＞15cm细沟。出现以上状况的主要原因是90降雨属于中度雨强，对于地形较小的裸坡地形冲刷较为严重，因此裸坡的糙度发生了较大的变化，20cm深耕、10cm深耕两种地形由于地表的耕作活动能够对侵蚀活动有较强的抵制作用，因此20cm深耕糙度变化大于10cm深耕。
三组细沟糙度变化情况为5cm细沟＞10cm细沟＞15cm细沟，主要是由于降雨量较大，细沟的沟宽越窄侵蚀作用越强烈，因此导致较窄的细沟糙度变化较大，而较宽的细沟糙度变化则相对较小。
综上所述在90mm降雨条件下，各个坡面糙度均减小，减小顺序为：裸坡＞20cm深耕＞10cm深＞5cm细沟＞10cm细沟＞15cm细沟。
表3为120mm/h降雨强度下各个坡面糙度的变化情况，由于该阶段降雨强度较大，因此各个坡面雨后的糙度均大于雨前糙度，坡面微地形发生了较大的变化。
三组耕作地形糙度变化为：10cm深耕＞裸坡＞20cm深耕，造成这种变化的主要原因是深耕能够较好的阻碍坡面水流的速度，裸坡坡面水流速度虽然很快，但是侵蚀作用力却不强，难于造成有效侵蚀，10cm深耕，耕作深度不大，在40mm/h和90mm/h降雨侵蚀后地形已经发生较大变化，表面出现了较为明显的侵蚀沟，继续降雨发生较大的侵蚀也在情理之中。
三组细沟的地表糙度变化情况：5cm细沟＞10cm细沟＞15cm细沟，主要是由于细沟在整个侵蚀的过程中沟宽导致坡面导水的速度较快，但是坡面水流的速度较为平缓，而沟较窄时则会导致坡面的水流速度较为急促，从而导致侵蚀的作用较为强烈，因此会出现以上结果。
综上所述，120mm/h降雨强度下各个坡面降雨强度下，各个坡面糙度变化情况为： 5cm细沟＞10cm深耕＞裸坡＞20cm深耕＞10cm细沟＞15cm细沟。
试验的过程中采用连续降雨，不同地形的糙度在连续降雨的过程中会发生相应的变化，利用观测到的点云数据经过处理后生成DEM，通过DEM可以清晰的分析出各种地形条件下糙度变化，以及在不同雨强条件下坡面发生侵蚀现象的具体位置。
（1）三组细沟糙度变化分析
试验过程中分别采用5cm、10cm、15cm三组不同宽度的细沟作为研究对象，三组细沟在不同降雨条件下糙度变化如图6。
40mm雨强到90mm雨强条件下，三组细沟的糙度呈现出减小的趋势，其中15cm细沟糙度变化最为剧烈，10cm细沟糙度变化最小；由于15cm细沟地形起伏较大，受降雨侵蚀后地形容易发生变化，且初始糙度较大，侵蚀变化率较为明显。
三种地形条件下糙度最小值均不相同，15cm细沟、5cm细沟糙度最小值均出现在90mm/h到120mm/h的降雨强度下，10cm细沟糙度的最小值却恰好出现在90mm/h降雨强度下。说明细沟沟宽不同，受降雨侵蚀的影响不同，5cm细沟、15cm细沟受降雨侵蚀达到相对平缓坡面的时要相对较晚。
三组耕作地形条件下地形糙度与雨强变化如图5-4，各组糙度与雨强的变化差异十分显著，10cm深耕、20cm深耕糙度均先增大后减小，但裸坡糙度则是先减小后增大，两组深耕糙度最大的点均在90mm-120mm之间，糙度的最小值则均为40mm雨后；裸坡的糙度则是先减小后增大，糙度的最大值在120mm雨后，糙度最小值则出现在90mm雨后。
4结论
研究针对野外和室内降雨条件下地表形态的变化进行了分析研究，对微地形变化做出了定量、定性的分析，得出以下结论：
（1）野外观测条件下微地形糙度变化：20cm深耕＞10cm深耕＞裸坡。
（2）室内地表糙度变化与雨强有着强烈的相关性当雨强较大时地表糙度与地形的相关性比较显著，而雨强较小时则与地形起伏的相关性十分剧烈。
（3）室内不同地形连续采用不同降雨糙度变化：细沟均呈现先减小后增加的趋势，且最小值关系为5cm细沟＞15cm细沟＞10cm细沟；两组耕作地形糙度呈现先增加后减小的趋势，裸坡呈现先减小后增加的趋势且最大值出现时的雨强不同，裸坡的糙度变化耕接近细沟侵蚀而并非耕作侵蚀。
（4）各类地形在不同降雨条件下，侵蚀与堆积作用的主导性不同。
参考文献(Reference)：
[1]AliSaleh, 刘增文. 用链条法测定地表糙度[J]. 水土保持科技情报, 1995(01):14-16.
[2]杨明元. 对地表粗糙度测定的分析与研究[J]. 中国沙漠, 1996, (4):383-387.
[3]李振山, 陈广庭. 粗糙度研究的现状及展望[J]. 中国沙漠, 1997(01):101-104.
[4]吴发启, 赵晓光, 刘秉正等. 地表糙度的量测方法及对坡面径流和侵蚀的影响[J]. 西北林学院学报, 1998(02):17-21.
[5]郑子成, 吴发启, 何淑勤等. 地表糙度对径流和产沙影响的室内试验研究[J]. 农业工程学报, 2007(10):19-24.
[6]Kamphorst E C, Jetten V, Gue07Rif J, et al. Predicting Depressional Storage from Soil Surface Roughness[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64(5):1749-1758.
[7]KruiperH.Arelief-meterf or soil cultivation studies.[J]..Netherlands Journal of Agricultural Science.1957(5):255-262.
[8] Burk well R E,Allmaras R R, Amemiya A M. .A field measurement of total porosity and surf ace micro-relief of soils[J].Soil Science Society of America Proceedings.1963(27):697-700.
[9]Ali Saleh.Soil roughness measurement: Chain method[J]. Journal of Soil and Water Conservation.1993 48(6):527-529
[10]R. García Moreno, A. SaaRequejo, A.M. Tarquis Alonso, S. Barrington, M.C. Díaz.Shadow analysis: A method for measuring soil surface roughness[J].Contents lists available at ScienceDirect.2008 (146): 201-208
[11]Huang C, White I, Thwaite E G, et al. A Noncontact Laser System for Measuring Soil Surface Topography[J]. Soilence Society of America Journal, 1988, (2):350-355.
[12]Brough D L, Jarrett A R. Simple technique for approximating surface storage of silt-tilled fields[J]. Transactions of the Asae, 1992.
[13]吴发启, 赵晓光, 刘秉正.缓坡耕地侵蚀环境与动力机制分析[M] .西安:陕西科学技术出版社, 2000.58 -60.
[14]Huang C, Bradford J M. Portable Laser Scanner for Measuring Soil Surface Roughness[J]. Soil Science Society of America Journal, 1990, (5).
[15]C Huang, JM Bradford.Applications of a laser scanner to quantify soil microtopography[J].Soil Science Society of America.1992,(56) :14 -21 .
[16]赵龙山, 梁心蓝, 张青峰,等. 基于DEM的黄土坡耕地地表糙度测定方法研究[J]. 地理与地理信息科学, 2010, 26(4):86-89.
[17]Werner Jester, Andreas Klik.Soil surface roughness measurement-methods,applicability, and surface representation[J].Catena.2005,(64): 174-192.
[18]Allmaras R R, Burwell R E , Larson W E , etal. Total porosity and random roughness of the interrow zone as influenced by tillage [ M ] . 1966. USDA Conserv. Res.Rep. 7.
[19]M. J. M. Romkens, J. Y. Wang. Soil Roughness Changes from Rainfall[J]. Transactions of the ASABE, 1987, (1):101-107.
[20] M. J. Romkens, J. Y. Wang. Effect of tillage on surface roughness[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers. 1986 29(2): 0429-0433.
[21]BoiffinJ . Structural degradation of the soil surface by theaction of rainfall [D] . Ph. D. Diss. Inst . Natl. Agronomate Paris Grignon. Paris. France. 1984.
[22]D. R. Linden, D. M. Van Doren. Parameters for characterizing tillage-induced soil surface roughness[J]. Soil Science Society of America Journal, 1986, 50(6):1560-1565.
论文作者:李沛 贺炳彦
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/13
标签：地形论文; 地表论文; 条件下论文; 作用论文; 高程论文; 较大论文; 三组论文; 《中国西部科技》2019年第1期论文;