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目次
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本書系統闡述了作者多年來在土壤侵蝕預報模型參數獲取方法和侵蝕模擬方面的最新研究成果。全書共15章。主要內容有土壤侵蝕模型研究的進展、存在的問題和建模難點；細溝侵蝕模型的有限元數值計算方法和有限元的程序設計，不同工況條件下的細溝侵蝕動態過程的模擬；細溝侵蝕傳統實驗方法及其局限；系統確定土壤侵蝕物理預報模型參數輸沙能力、細溝侵蝕剝蝕率、土壤臨界剪切力和土壤可蝕性參數的實驗方法和數學計算方法；利用多種稀土元素示蹤法研究細溝侵蝕產沙過程及細溝剝蝕率的試驗方法和計算方法；現有細溝土壤侵蝕物理預報模型基本參數估算方法的缺陷、誤差產生的原因和減少誤差的方法；對wEPP模型細溝侵蝕產沙方程進行驗證；應用有限元方法構建的細溝侵蝕預報模型模擬放水沖刷及降雨條件下的細溝侵蝕產沙過程。
本書可供土壤侵蝕、水土保持、流水地貌、生態、水文、自然地理、國土整治、土壤物理、農林牧和水利等部門的研究人員及高等院校相關專業師生等參考。
本書可供土壤侵蝕、水土保持、流水地貌、生態、水文、自然地理、國土整治、土壤物理、農林牧和水利等部門的研究人員及高等院校相關專業師生等參考。
目次
序
前言
第1章 緒論
1.1 土壤侵蝕與細溝侵蝕研究的重要性
1.2 土壤侵蝕預報模型研究進展
1.3 坡面流研究進展
1.3.1 坡面流數學模型
1.3.2 降雨對坡面流的影響
1.3.3 坡面細溝流輸沙能力公式
1.4 細溝侵蝕預報模型研究的意義
1.5 模型參數的物理意義及求解方法
1.5.1 細溝侵蝕剝蝕率
1.5.2 細溝侵蝕輸沙能力
1.5.3 細溝可蝕性參數及土壤臨界抗剪切力
第2章 細溝侵蝕動態過程與物理模型
2.1 細溝侵蝕動態過程描述
2.2 一維水流連續性方程
2.3 水流動量守恆方程
2.4 泥沙質量守恆方程
第3章 細溝侵蝕模型有限元計算方法
3.1 有限元方法的概念及在細溝侵蝕領域中的應用
3.2 偏微分方程的近似積分法
3.2.1 理論基礎
3.2.2線性插值函數
3.2.3 一維有限元計算公式——Oalerkin方法
3.3 一維細溝侵蝕模型的有限元方法
3.3.1 單元有限元方程的推導
3.3.2 時間微分處理——有限差分法
3.3.3 有限元法的總體合成
3.3.4 邊界條件處理
3.3.5 有限元總體方程的解法
第4章 有限元的程序設計
4.1 單元矩陣及其計算方法
4.2 輸入初始數據
4.3 一般矩陣的合成與求解
4.3.1 總體(全局)剛度矩陣的合成(裝配)
4.3.2 矩陣的向量化存儲
4.3.3 矩陣相乘
4.3.4 線性方程組的無回代求解
4.4 帶狀矩陣的合成與求解
4.4.1 存儲帶狀矩陣
4.4.2 合成單元矩陣到帶狀向量空間
4.4.3 引入邊界條件
4.4.4 向量存儲帶狀方程組的求解
第5章 細溝侵蝕過程的模擬與檢驗
5.1 非限定性細溝侵蝕試驗及泥沙連續方程參數設定
5.1.1 模型的描述
5.1.2 有限元計算方法與計算公式
5.2 非限定性細溝侵蝕過程的實驗模擬與驗證
5.2.1 方法
5.2.2 物性參數
5.3 細溝溝床的瞬態演變模擬結果與檢驗
5.3.1 細溝寬度和溝床坡度不隨時間、空間變化
5.3.2 細溝寬度不隨時間變化、空間均勻，坡度隨時間變化、空間非均勻
5.3.3 時間不變但空間非均勻寬度及時變與空間非均勻坡度
5.3.4 時變及空間非均勻變化的溝寬和溝床坡度
5.3.5 細溝溝床的瞬態演變模擬結果檢驗
第6章 細溝侵蝕傳統實驗方法及其局限
6.1 試驗方法
6.2 試驗結果
6.2.1 泥沙含量與坡度及人流量的關係
6.2.2 輸沙能力與采樣長度的關係
6.3 細溝溝寬與泥沙的波動
6.3.1 溝寬與坡度及人流量的關係
6.3.2 細溝的周期性形態
6.3.3 流速與坡度及流量的關係
6.4 傳統試驗方法的局限性
第7章 細溝侵蝕過程的系統實驗方法
7.1 細溝侵蝕動態過程的概念
7.2 試驗材料和方法
7.2.1 試驗水槽設計及土壤處理
7.2.2 供水及流量控制和試驗量測
7.3 試驗數據及其表達
第8章 細溝土壤剝蝕過程
8.1 細溝侵蝕剝蝕率及其計算方法
8.2 水流含沙量對細溝剝蝕率的影響
8.3 細溝剝蝕率與細溝溝長的關係
8.4 細溝剝蝕率的解析方法
8.5 細溝剝蝕率解析結果的檢驗
8.6 陡坡細溝侵蝕含沙量的解析方法
第9章 細溝侵蝕產沙輸沙過程與輸沙能力
9.1 輸沙能力及其試驗確定方法
9.2 細溝輸沙能力的解析方法
9.3 輸沙能力與坡度和流量的關係
9.4 輸沙能力與水流功率的關係
第10章 土壤可蝕性參數和臨界抗剪切應力
10.1 WEPP模型細溝可蝕性參數估計
10.2 (有理)實驗法確定細溝可蝕性參數與臨界抗剪切應力
10.2.1 理論分析及數學推導
10.2.2 參數計算及分析
10.3 疏松土壤材料中細溝的再生及其臨界剪應力的實驗研究
10.3.1 材料與方法
10.3.2 坡度與單寬流量的關係
10.3.3 臨界剪切應力與坡度的關係
第11章 細溝侵蝕動態過程的稀土元素示蹤法
11.1 REE示蹤元素的用法與用量的計算
11.1.1 REE示蹤元素的選取及坡面布置
11.1.2 施放深度及濃度
11.1.3 示蹤土樣的配制
11.1.4 沖刷試驗設計
11.2 計算方法
11.2.1 樣品采集和土壤侵蝕量的計算
11.2.2 含沙量的計算
11.3 REE示蹤法估算細溝侵蝕產沙分布
11.3.1 不同水動力條件下細溝侵蝕產沙分布
11.3.2 測定精度
11.4 細溝流剝蝕率的REE示蹤法研究
第12章 WEPP模型細溝侵蝕產沙方程理論分析與實驗驗證
12.1 試驗結果及解析驗證
12.2 理論分析及試驗驗證
第13章 WEPP模型中細溝可蝕性參數估計方法誤差的理論分析
13.1 WEPP模型確定可蝕性參數的實驗與計算方法
13.2 WEPP模型細溝土壤可蝕性參數估計誤差來源
13.3 WEPP模型細溝可蝕性參數誤差的估算
第14章 模型參數及有限元模擬算法的檢驗
14.1 初始及邊界條件
14.2 集中水流條件下細溝侵蝕隨坡長變化過程的模擬
14.2.1 模擬程序流程圖
14.2.2 模擬工況
14.2.3 模型輸入參數
14.2.4 模擬結果
14.3 傳統輸沙能力公式對細溝侵蝕產沙過程的影響
14.4 傳統土壤可蝕性參數對細溝侵蝕產沙過程的影響
14.5 輸沙能力與土壤可蝕性參數的共同影響
14.6 細溝剝蝕過程
第15章 降雨條件下細溝侵蝕的有限元模擬
15.1 有降雨條件下的細溝侵蝕實驗
15.1.1 實驗設計及數據表達
15.1.2 初始及邊界條件
15.2 模型模擬結果與分析
15.2.1 模擬流程圖
15.2.2 模擬結果
15.2.3 結果分析
15.3 細溝侵蝕過程有限元模擬的可視化
15.3.1 系統組成簡介
15.3.2 系統主要優點
參考文獻
附錄 模型參數計算程序
前言
第1章 緒論
1.1 土壤侵蝕與細溝侵蝕研究的重要性
1.2 土壤侵蝕預報模型研究進展
1.3 坡面流研究進展
1.3.1 坡面流數學模型
1.3.2 降雨對坡面流的影響
1.3.3 坡面細溝流輸沙能力公式
1.4 細溝侵蝕預報模型研究的意義
1.5 模型參數的物理意義及求解方法
1.5.1 細溝侵蝕剝蝕率
1.5.2 細溝侵蝕輸沙能力
1.5.3 細溝可蝕性參數及土壤臨界抗剪切力
第2章 細溝侵蝕動態過程與物理模型
2.1 細溝侵蝕動態過程描述
2.2 一維水流連續性方程
2.3 水流動量守恆方程
2.4 泥沙質量守恆方程
第3章 細溝侵蝕模型有限元計算方法
3.1 有限元方法的概念及在細溝侵蝕領域中的應用
3.2 偏微分方程的近似積分法
3.2.1 理論基礎
3.2.2線性插值函數
3.2.3 一維有限元計算公式——Oalerkin方法
3.3 一維細溝侵蝕模型的有限元方法
3.3.1 單元有限元方程的推導
3.3.2 時間微分處理——有限差分法
3.3.3 有限元法的總體合成
3.3.4 邊界條件處理
3.3.5 有限元總體方程的解法
第4章 有限元的程序設計
4.1 單元矩陣及其計算方法
4.2 輸入初始數據
4.3 一般矩陣的合成與求解
4.3.1 總體(全局)剛度矩陣的合成(裝配)
4.3.2 矩陣的向量化存儲
4.3.3 矩陣相乘
4.3.4 線性方程組的無回代求解
4.4 帶狀矩陣的合成與求解
4.4.1 存儲帶狀矩陣
4.4.2 合成單元矩陣到帶狀向量空間
4.4.3 引入邊界條件
4.4.4 向量存儲帶狀方程組的求解
第5章 細溝侵蝕過程的模擬與檢驗
5.1 非限定性細溝侵蝕試驗及泥沙連續方程參數設定
5.1.1 模型的描述
5.1.2 有限元計算方法與計算公式
5.2 非限定性細溝侵蝕過程的實驗模擬與驗證
5.2.1 方法
5.2.2 物性參數
5.3 細溝溝床的瞬態演變模擬結果與檢驗
5.3.1 細溝寬度和溝床坡度不隨時間、空間變化
5.3.2 細溝寬度不隨時間變化、空間均勻，坡度隨時間變化、空間非均勻
5.3.3 時間不變但空間非均勻寬度及時變與空間非均勻坡度
5.3.4 時變及空間非均勻變化的溝寬和溝床坡度
5.3.5 細溝溝床的瞬態演變模擬結果檢驗
第6章 細溝侵蝕傳統實驗方法及其局限
6.1 試驗方法
6.2 試驗結果
6.2.1 泥沙含量與坡度及人流量的關係
6.2.2 輸沙能力與采樣長度的關係
6.3 細溝溝寬與泥沙的波動
6.3.1 溝寬與坡度及人流量的關係
6.3.2 細溝的周期性形態
6.3.3 流速與坡度及流量的關係
6.4 傳統試驗方法的局限性
第7章 細溝侵蝕過程的系統實驗方法
7.1 細溝侵蝕動態過程的概念
7.2 試驗材料和方法
7.2.1 試驗水槽設計及土壤處理
7.2.2 供水及流量控制和試驗量測
7.3 試驗數據及其表達
第8章 細溝土壤剝蝕過程
8.1 細溝侵蝕剝蝕率及其計算方法
8.2 水流含沙量對細溝剝蝕率的影響
8.3 細溝剝蝕率與細溝溝長的關係
8.4 細溝剝蝕率的解析方法
8.5 細溝剝蝕率解析結果的檢驗
8.6 陡坡細溝侵蝕含沙量的解析方法
第9章 細溝侵蝕產沙輸沙過程與輸沙能力
9.1 輸沙能力及其試驗確定方法
9.2 細溝輸沙能力的解析方法
9.3 輸沙能力與坡度和流量的關係
9.4 輸沙能力與水流功率的關係
第10章 土壤可蝕性參數和臨界抗剪切應力
10.1 WEPP模型細溝可蝕性參數估計
10.2 (有理)實驗法確定細溝可蝕性參數與臨界抗剪切應力
10.2.1 理論分析及數學推導
10.2.2 參數計算及分析
10.3 疏松土壤材料中細溝的再生及其臨界剪應力的實驗研究
10.3.1 材料與方法
10.3.2 坡度與單寬流量的關係
10.3.3 臨界剪切應力與坡度的關係
第11章 細溝侵蝕動態過程的稀土元素示蹤法
11.1 REE示蹤元素的用法與用量的計算
11.1.1 REE示蹤元素的選取及坡面布置
11.1.2 施放深度及濃度
11.1.3 示蹤土樣的配制
11.1.4 沖刷試驗設計
11.2 計算方法
11.2.1 樣品采集和土壤侵蝕量的計算
11.2.2 含沙量的計算
11.3 REE示蹤法估算細溝侵蝕產沙分布
11.3.1 不同水動力條件下細溝侵蝕產沙分布
11.3.2 測定精度
11.4 細溝流剝蝕率的REE示蹤法研究
第12章 WEPP模型細溝侵蝕產沙方程理論分析與實驗驗證
12.1 試驗結果及解析驗證
12.2 理論分析及試驗驗證
第13章 WEPP模型中細溝可蝕性參數估計方法誤差的理論分析
13.1 WEPP模型確定可蝕性參數的實驗與計算方法
13.2 WEPP模型細溝土壤可蝕性參數估計誤差來源
13.3 WEPP模型細溝可蝕性參數誤差的估算
第14章 模型參數及有限元模擬算法的檢驗
14.1 初始及邊界條件
14.2 集中水流條件下細溝侵蝕隨坡長變化過程的模擬
14.2.1 模擬程序流程圖
14.2.2 模擬工況
14.2.3 模型輸入參數
14.2.4 模擬結果
14.3 傳統輸沙能力公式對細溝侵蝕產沙過程的影響
14.4 傳統土壤可蝕性參數對細溝侵蝕產沙過程的影響
14.5 輸沙能力與土壤可蝕性參數的共同影響
14.6 細溝剝蝕過程
第15章 降雨條件下細溝侵蝕的有限元模擬
15.1 有降雨條件下的細溝侵蝕實驗
15.1.1 實驗設計及數據表達
15.1.2 初始及邊界條件
15.2 模型模擬結果與分析
15.2.1 模擬流程圖
15.2.2 模擬結果
15.2.3 結果分析
15.3 細溝侵蝕過程有限元模擬的可視化
15.3.1 系統組成簡介
15.3.2 系統主要優點
參考文獻
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