樂業巖溶區地表溶蝕過程數值模擬及預測方法探討

邱祝禮 邱祝文

【摘? 要】廣西巖溶地貌類型是世界上熱帶、亞熱帶巖溶發育最完全的地區之一，該地區由于石漠化導致水土流失嚴重，迫切需要研究出適合當地的土壤侵蝕模型，以對當地進行水土流失進行治理。通過獲取巖性、降雨量、地貌這三種信息，可以計算得出樂業巖溶地區的平均溶蝕量，再結合研究區當前的DEM數據，推導出研究區不同時期各點上的流失速率。據此建立巖溶地貌動態演化的三維計算機模型。

【關鍵詞】溶蝕速率;土壤侵蝕模型;地表形態;動態演化;三維計算機模型

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、亞熱帶巖溶發育最完全的地區之一（王蕾，2018）。同時石漠化發展快速，生態環境惡化等問題突出（馬芊紅等，2018），迫切需要治理，研究出適合當地的土壤侵蝕模型（王珊，2013）。確定溶蝕速度，有助于喀斯特發育年代估算，預測其發展趨勢，以及對其含水層中的水動力條件的了解（房金福等，1993）。

1.2樂業_鳳山世界地質公園的研究意義

根據王蕾（2018）對廣西15個地質公園的可持續發展狀況進行綜合評價的結果，樂業-鳳山世界地質公園可持續性發展最大。對其巖溶地貌進行研究，有助于向公眾傳遞科普知識，保護地質遺跡，增強公眾保護自然環境的意識。

2.研究現狀及發展動態：

2.1巖溶侵蝕、溶蝕研究現狀

盧耀如等（1966）認為，喀斯特作用過程中，有時溶蝕作用占主導地位，有時侵蝕作用占主導地位。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）

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

高翔等（2013）選取坡度、雨強、植被覆蓋度及裸巖率為主要土壤侵蝕因子進行回歸分析，初步揭示了喀斯特地區侵蝕模數與侵蝕因子的相關關系。王珊（2013）以珠江工程廣西項目區為例，選擇主要影響因子進行修正，建立了適合巖溶區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境因素的相關性。曹玉清等（1997）運用化學熱力學、水文地質系統耦合理論和有限單元法，計算確定出各節點的溶蝕速度。

2.2地貌演化過程研究現狀

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地形的結構與發育過程（許世遠等，2000）。肖鴻林等（1997）初步建立了貓跳河和六沖河為代表的喀斯特峽谷形成的數學模型。

2.3樂業縣的巖溶區研究現狀

晚三疊世開始的印支運動，基本奠定了樂業地區構造形跡的框架;隨后，歷經印支、燕山、喜山等多期構造運動（廣西壯族自治區地質礦產局，1985）。中、上新世是“喜山”構造運動二次活躍期，影響了包括大石圍天坑在內的桂西北峰叢地區（楊穎瑜，1996）。

韋躍龍等（2010）認為樂業-鳳山世界地質公園發育在“孤島”狀的碳酸鹽巖區上，并將公園成景過程劃分為峰叢期、地下河和洞穴期、天坑期、現代巖溶作用期4 個時期。鄧亞東等（2012）認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.研究內容

（1）樂業巖溶地區平均溶蝕量的確定;（2）古地貌反演;（3）地貌演化過程的動態三維展示。

4.擬采取的研究方法

4.1建立數學模型擬合地表演化過程

收集研究區巖性、降雨量、地貌等數據，對侵蝕量做回歸分析，得出函數關系。然后利用該函數計算研究區當前的平均溶蝕速率，將其乘以一個系數（通過迭代的方式確定該系數），得出巖溶地貌開始形成至今的平均流失速率。結合研究區當前的DEM數據和巖溶地貌演化時間，推導出研究區各點（或者小平面單元）上的流失速率V。具體方法為：①應用GIS方法，得出研究區現在的平均地表高程。將各點的高程與研究區當前平均高程相減，得出高程差，可以認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（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間點的地表形態，從而可以應用計算機模擬，展示其地表動態演化過程。

4.2建立計算機模型進行展示

應用VC++開發語言結合OpenGL圖形開發工具編寫軟件，將整個研究區的不同巖溶地層，賦予不同的顏色，剖分成不同的單元，每個單元賦予其實際流失速率，采用體可視化的形式，進行展示。

參考文獻

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本文為百色學院高層次人才科研啟動經費DC2000002730資助成果。