樂業(yè)巖溶區(qū)地表溶蝕過程數(shù)值模擬及預(yù)測(cè)方法探討

邱祝禮 邱祝文

【摘? 要】廣西巖溶地貌類型是世界上熱帶、亞熱帶巖溶發(fā)育最完全的地區(qū)之一，該地區(qū)由于石漠化導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，迫切需要研究出適合當(dāng)?shù)氐耐寥狼治g模型，以對(duì)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行水土流失進(jìn)行治理。通過獲取巖性、降雨量、地貌這三種信息，可以計(jì)算得出樂業(yè)巖溶地區(qū)的平均溶蝕量，再結(jié)合研究區(qū)當(dāng)前的DEM數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出研究區(qū)不同時(shí)期各點(diǎn)上的流失速率。據(jù)此建立巖溶地貌動(dòng)態(tài)演化的三維計(jì)算機(jī)模型。

【關(guān)鍵詞】溶蝕速率;土壤侵蝕模型;地表形態(tài);動(dòng)態(tài)演化;三維計(jì)算機(jī)模型

1.研究意義

1.1溶蝕速率定量研究的意義

廣西巖溶地貌類型是世界上熱帶、亞熱帶巖溶發(fā)育最完全的地區(qū)之一（王蕾，2018）。同時(shí)石漠化發(fā)展快速，生態(tài)環(huán)境惡化等問題突出（馬芊紅等，2018），迫切需要治理，研究出適合當(dāng)?shù)氐耐寥狼治g模型（王珊，2013）。確定溶蝕速度，有助于喀斯特發(fā)育年代估算，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，以及對(duì)其含水層中的水動(dòng)力條件的了解（房金福等，1993）。

1.2樂業(yè)_鳳山世界地質(zhì)公園的研究意義

根據(jù)王蕾（2018）對(duì)廣西15個(gè)地質(zhì)公園的可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，樂業(yè)-鳳山世界地質(zhì)公園可持續(xù)性發(fā)展最大。對(duì)其巖溶地貌進(jìn)行研究，有助于向公眾傳遞科普知識(shí)，保護(hù)地質(zhì)遺跡，增強(qiáng)公眾保護(hù)自然環(huán)境的意識(shí)。

2.研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)：

2.1巖溶侵蝕、溶蝕研究現(xiàn)狀

盧耀如等（1966）認(rèn)為，喀斯特作用過程中，有時(shí)溶蝕作用占主導(dǎo)地位，有時(shí)侵蝕作用占主導(dǎo)地位。溶蝕速率還受CO2的量和水-碳酸鹽巖界面特性的控制。（宋林華，2000）

當(dāng)前喀斯特土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型研究中主要以坡面尺度和流域尺度兩種為主，應(yīng)用最為廣泛的是USLE和RUSLE，基本涵蓋了所有喀斯特地貌類型。（朱大運(yùn)，2016）

高翔等（2013）選取坡度、雨強(qiáng)、植被覆蓋度及裸巖率為主要土壤侵蝕因子進(jìn)行回歸分析，初步揭示了喀斯特地區(qū)侵蝕模數(shù)與侵蝕因子的相關(guān)關(guān)系。王珊（2013）以珠江工程廣西項(xiàng)目區(qū)為例，選擇主要影響因子進(jìn)行修正，建立了適合巖溶區(qū)的小流域尺度土壤水力侵蝕估算模型。房金福（1993）通過回歸分析，得出溶蝕量值與氣候、碳酸鹽巖性和地貌等環(huán)境因素的相關(guān)性。曹玉清等（1997）運(yùn)用化學(xué)熱力學(xué)、水文地質(zhì)系統(tǒng)耦合理論和有限單元法，計(jì)算確定出各節(jié)點(diǎn)的溶蝕速度。

2.2地貌演化過程研究現(xiàn)狀

喀斯特地貌形成過程的量化描述正處于起步階段（宋林華，2000）。目前已初步能用分形維來描述喀斯特正地形和負(fù)地形的結(jié)構(gòu)與發(fā)育過程（許世遠(yuǎn)等，2000）。肖鴻林等（1997）初步建立了貓?zhí)雍土鶝_河為代表的喀斯特峽谷形成的數(shù)學(xué)模型。

2.3樂業(yè)縣的巖溶區(qū)研究現(xiàn)狀

晚三疊世開始的印支運(yùn)動(dòng)，基本奠定了樂業(yè)地區(qū)構(gòu)造形跡的框架;隨后，歷經(jīng)印支、燕山、喜山等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)（廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)局，1985）。中、上新世是“喜山”構(gòu)造運(yùn)動(dòng)二次活躍期，影響了包括大石圍天坑在內(nèi)的桂西北峰叢地區(qū)（楊穎瑜，1996）。

韋躍龍等（2010）認(rèn)為樂業(yè)-鳳山世界地質(zhì)公園發(fā)育在“孤島”狀的碳酸鹽巖區(qū)上，并將公園成景過程劃分為峰叢期、地下河和洞穴期、天坑期、現(xiàn)代巖溶作用期4 個(gè)時(shí)期。鄧亞東等（2012）認(rèn)為公園以高峰叢深洼地、大洞穴、大峽谷、天坑群、天窗群、天生橋、地下河為特色。

3.研究?jī)?nèi)容

（1）樂業(yè)巖溶地區(qū)平均溶蝕量的確定;（2）古地貌反演;（3）地貌演化過程的動(dòng)態(tài)三維展示。

4.擬采取的研究方法

4.1建立數(shù)學(xué)模型擬合地表演化過程

收集研究區(qū)巖性、降雨量、地貌等數(shù)據(jù)，對(duì)侵蝕量做回歸分析，得出函數(shù)關(guān)系。然后利用該函數(shù)計(jì)算研究區(qū)當(dāng)前的平均溶蝕速率，將其乘以一個(gè)系數(shù)（通過迭代的方式確定該系數(shù)），得出巖溶地貌開始形成至今的平均流失速率。結(jié)合研究區(qū)當(dāng)前的DEM數(shù)據(jù)和巖溶地貌演化時(shí)間，推導(dǎo)出研究區(qū)各點(diǎn)（或者小平面單元）上的流失速率V。具體方法為：①應(yīng)用GIS方法，得出研究區(qū)現(xiàn)在的平均地表高程。將各點(diǎn)的高程與研究區(qū)當(dāng)前平均高程相減，得出高程差，可以認(rèn)為該高程差是由于流失速率與平均速率有偏差形成的。②將該高程差除以巖溶地貌演化時(shí)間，即為與平均速率的偏差。③將該速率偏差與平均速率相加，即可得到各點(diǎn)（或者小平面單元）的流失速率V。推算巖溶地貌演化期間各時(shí)間點(diǎn)的地表形態(tài)，從而可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬，展示其地表動(dòng)態(tài)演化過程。

4.2建立計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行展示

應(yīng)用VC++開發(fā)語(yǔ)言結(jié)合OpenGL圖形開發(fā)工具編寫軟件，將整個(gè)研究區(qū)的不同巖溶地層，賦予不同的顏色，剖分成不同的單元，每個(gè)單元賦予其實(shí)際流失速率，采用體可視化的形式，進(jìn)行展示。

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本文為百色學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)DC2000002730資助成果。