崔灵周[1]2002年在《流域降雨侵蚀产沙与地貌形态特征耦合关系研究》文中研究表明小流域是我国生态环境恢复重建与水土流失综合治理的基本单元，其侵蚀产沙规律及发展趋势预报一直为土壤侵蚀与水土保持学界研究热点。地貌形态是影响小流域侵蚀产沙的主要下垫面因素之一，其量化参数一般继承坡面地貌特征量化方法(如坡度、坡长因子)而采用平均坡度、平均坡长及沟壑密度等参数，这些参数仅是对流域地貌形态的概化和单因子表达，没有真正反映流域地貌形态复杂的本质特征和相互联系。本文依据流域地貌形态所具有的显着分形特征，从模拟实验出发，利用分形理论和方法，结合高精度摄影测量和GIS技术，对流域模型侵蚀产沙时空变异特征、地貌形态发育过程及其相应的分形特征、流域模型侵蚀产沙与地貌形态耦合关系进行了深入研究，并以具有11年降雨泥沙径流观测资料的岔巴沟流域为例进行了验证研究，为实现从单坡面侵蚀产沙模拟、预报向流域侵蚀产沙模拟、预报转化过程中地貌形态参数的提取提供了理论和方法，为黄土高原小流域水土流失综合治理提供了科学实践依据。本文取得如下研究结果： 1．流域模型侵蚀产沙时序变化特征 次降雨平均输沙率随流域模型发育过程表现出明显的时段性，即发育初期时段(第一场到第五场降雨)、发育活跃时段(第六场到第十八场降雨)和发育相对稳定时段(第十九场到第二十五场降雨)。在发育初期时段，流域模型侵蚀产沙呈现较为明显的由杂乱无序化向有序化发展，不同雨强的次降雨径流含沙量和径流输沙率随降雨历时变化呈现乘幂关系；在发育活跃时段，流域模型侵蚀产沙进一步呈现出规律化和有序性，其中发育活跃时段前期(第六场至第十四场降雨)不同雨强的次降雨径流含沙量和径流输沙率随降雨历时变化为乘幂关系(第六场和第十一场的径流含沙量随降雨历时变化表现为指数关系)，发育活跃时段后期(第十五场至第十八场降雨)不同雨强的次降雨径流含沙量和径流输沙率随降雨历时变化为指数关系；在发育相对稳定时段，不同雨强次降雨径流含沙量与径流输沙率随降雨历时的动态变化为二次多项式关系。 2．流域模型侵蚀产沙空间变化特征 侵蚀产沙的活跃部位随流域模型发育过程呈现由流域模型下部逐渐向上部发展特征，其中流域模型下中部为发育初期时段和发育活跃时段侵蚀产沙的活跃部位，流域模型上部是发育稳定时段侵蚀产沙的活跃部位。主沟在流域模型侵蚀产沙过程中居于主导地位，主沟的产沙量占流域模型总产沙量比例保持在48.7-66.6％之间，在主沟的泥沙沉积量所占流域模型总泥沙沉积量的比例也保持在64.9％-99.4％之间。 3．流域模型地貌形态发育过程 沟谷扩展和下切是流域模型地貌形态发育 的主要形式，沟谷扩展发育主要发生在发育活跃时段，主沟所占沟谷总面积比例在 流域模型沟谷扩展发育过程中保持在60％以上：主支沟下切发育在发育初期和发育 活跃时段前期表现最为剧烈，其横剖面为V字形，在发育初期和稳定时期时段呈现 浅U字形和底部较为平坦的梯形，主沟的横剖面发育明显优先于各支沟。 4．流域模型地貌形态的分形特征及其与侵蚀产沙耦合关系 流域模型不同 发育时段的地貌形态在各自无标度区内均表现出很好分形特征，地貌形态信息维数 Di随流域模型地貌发育呈现先增大后减小的变化趋势，流域模型侵蚀产沙与地貌形 态特征在时序和空间上表现出较强的同步性和相关性，流域模型次降雨相对输沙率．Sr与地貌形态信息维数Di表现为乘幂关系。 5．岔巴沟流域水沙特性及地貌形态分形特征 岔巴沟流域及各支流域次降 雨输沙模数Ms分别与洪峰流量模数Q。及径流深h呈现较强的正相关性，其多元回归 结果呈现明显的空间变异性。岔巴沟流域及各支流域的地貌形态在各自的无标度区 间内均表现出较好的分形特征，其地貌形态信息维数Di分别为0．9661（杜家沟岔）、 0．9419（西庄）、0．8935（叁］11口）、0．8308（驼耳巷）、0．8140（蛇家沟）、0．6368（黑 矾沟）、0．5821（水旺沟）。 6．岔巴沟流域降雨侵蚀产沙与地貌形态耦合关系模型 利用岔巴沟流域的杜 家沟岔（96k。勺、叁）I旧（21kmz）、驼耳巷（5．74km勺、黑矾沟（0．133kmz）和水旺 沟（0．107km勺五个小流域的地貌形态信息维数Di和 116场侵蚀性降雨的水沙资料， 建立了岔巴沟流域次降雨输沙模数Ms与洪峰流量模数Q卜径流深h和地貌信息维数 Di 的多元回归统计模型。通过西庄（49kin勺和蛇家沟（4厂2 km勺两个支流域 57 场降雨的水沙资料和地貌形态信息维数Di的验证研究。该模型提高了用单一水沙关 系预报次降雨输沙模数的精度和可靠性，表明用地貌形态信息维数Di反映流域地貌 形态对侵蚀产沙影响是合适的。 7．流域地貌形态特征分形量化研究 提出了流域地貌形态信息维数Di的的 计算模型和具体方法，该参数是基于分形理论和方法对流域地貌形态总体特征的综 合量化，揭示了流域地貌复杂的量化本质，克服了现有量化参数（如坡度、坡长、 平均坡度和沟壑密度等）仅能概化地貌形态单因子及其线状特征的不足之处，实现 了地貌形态量化研究从简单坡面向复杂流域地貌的重大转变?
张晓明[2]2007年在《黄土高原典型流域土地利用/森林植被演变的水文生态响应与尺度转换研究》文中研究说明黄土高原地区水资源短缺,生态环境脆弱,特别该区土壤侵蚀不断加剧,恶化了区域生态环境,严重制约社会、经济的发展。目前,随着大规模水土保持生态建设,研究该区流域土地利用/森林植被变化的水文生态过程和协同变化规律,对于黄土区土地利用规划和管理及生态环境建设工程具有重要理论参考意义。本文以黄土高原具有长期实验基础的多尺度耦合流域为研究对象,采用3S技术、景观生态学测度方法及成熟的水文观测方法,结合多年水文气象观测资料,分析土地利用/森林植被演变及其驱动力,探析降水时空分布的异质性;研究流域土地利用/森林植被变化的理水减沙机理,解析多尺度流域耦合的水文生态对土地利用变化的响应机制。借助WEPP模型提取研究区代表性典型流域单元并对其径流及侵蚀产沙进行模拟;基于分形理论测算典型流域单元地形地貌特征分形维数,建立流域水沙运移与地貌形态耦合关系;根据自相似原理,在考虑降雨异质性基础上建立流域泥沙输移比的尺度转换模型;结合流域地形地貌、土地利用格局、降水信息,建立了描述时空变异性、多变量的耦合水文模型,探讨流域不同时、空尺度上水沙运移的转换方法。论文主要研究结果如下:研究区次降雨面与次降雨雨强分布的均匀性较差,中心站、出口站或流域内任一点的暴雨中心发生概率<25%,次降雨的相关域为7 km,相对本研究试验流域降雨表现出空间异质性。从时空变化、土地资源数量变化、土地利用程度变化、土地利用类型转移等方面,对试验流域土地利用/森林植被格局演变进行了分析,根据提取的流域土地利用景观格局指数,分析了流域景观格局动态演变过程。流域增加植被覆盖和改善土地利用格局后,年径流和输沙减少趋势具有尺度性,随年降雨量的变化,不同面积流域的径流减少率或呈线性减小、或呈单峰凹型抛物线变化、或保持在一定水平不变;输沙量减少率均呈单峰凹型抛物线变化,谷底值及对应降雨量值随面积尺度不同而不同。流域森林植被每增加五个百分点,则输沙模数可减少20%。研究了不同类型场暴雨的降雨特征值与流域洪水径流和输沙的关系,分析了不同雨型下降水过程、洪水径流过程和输沙过程的尺度分异规律,洪峰流量与洪水含沙量随尺度的协同变化规律,以及洪峰与沙峰的时滞关系。从模拟生成的气候数据精度、坡面细沟侵蚀机理方程解析验证和坡面、小流域径流侵蚀产沙模拟的校准验证等方面,探讨了WEPP模型在黄土高原地区的适用性和推广使用时注意事项。基于WEPP模型划分了研究区代表性典型流域单元并进行了径流和侵蚀产沙模拟,结果显示流域坡面径流均占流域出口径流量的98%以上,坡面侵蚀泥沙产量在坡面沉积不足3%,坡面侵蚀产沙的输移量最大约74%沉积于沟道,而流域出口泥沙输移量均来自于坡面产沙量。基于WEPP模型提取的25个代表性典型流域单元,根据分形理论计算了其地貌特征分形维数,并构建了地貌信息维数与侵蚀产沙耦合模型。基于自相似原理,分析了研究区流域泥沙输移比分形特征,并在流域年均泥沙输移比影响因素分析的基础上,构建了泥沙输移比尺度转换模型,探讨了其适用范围为500km2以下的流域。综合降雨特性、土地利用/森林植被格局和地形地貌特征,建立不同尺度流域耦合水文模型,分析了其尺度转换的条件。
朱永清[3]2006年在《黄土高原典型流域地貌形态分形特征与空间尺度转换研究》文中研究说明本文以黄土高原不同地貌类型区流域为研究对象，综合运用分形理论、地貌学、土壤侵蚀学等理论和GIS技术，开展了流域地貌形态分形特征与空间尺度转换研究，取得如下主要结论： (1) 建立了流域地貌形态综合特征的叁维分形信息维数GIS模型，并开发了测算软件。叁维分形信息维数有效地克服了二维分形信息维数难以直接表达地貌高程信息的不足，有效地克服了坡度、高差、沟壑密度等仅能表征单一形态特征的不足，综合表达了这些传统地貌因子参数及其相互关系。 (2) 确定了像元尺度、等高距与叁维分形信息维数关系，实现了不同等高距的叁维分形信息维数相互转换。研究表明：像元尺度的设置以等于一根等高距值为宜；不同区域地貌叁维分形信息维数对比分析应以统一像元尺度为前提。叁维分形信息维数与地形图等高距之间呈二次多项式关系，利用该关系可以进行不同等高距的叁维分形信息维数的相互转换。 (3) 提出了不同空间尺度下地貌形态分形特征的转换方法。建立了黄土高原不同空间尺度下地貌形态叁维分形信息维数值与流域面积相互关系，利用此关系可进行地貌形态叁维分形信息维数由小尺度向大尺度(正算)和大尺度向小尺度(反算)推算，从而实现不同空间尺度下地貌形态特征的转换。 (4) 揭示了黄土高原不同地貌类型区地貌分形的变化特征。不同典型流域叁维分形信息维数值计算结果表明：地貌形态越复杂，叁维分形信息维数值越大；反之亦然。具体为：位于高塬沟壑区的南小河沟流域，沟头部分地形复杂度高，其值为2.9402；位于梁峁状丘陵沟壑区的杏子河流域，自上游而下呈现振荡减小变化，其值处于2.7240～2.9276；位于峁状丘陵沟壑区的大理河流域，自上游而下呈现先线性增大后上下振荡变化，其值处于2.1190～2.7141；位于长梁丘陵沟壑区的安家沟流域，总体复杂度不高，其值为1.7792。 (5) 初步建立了次降雨侵蚀产沙模型。建立了黄土高原流域次降雨产沙模数M_s与叁维分形信息维数D_((I，3))、洪峰流量模数Q_m、径流深H之间关系。用西庄、蛇家沟2小流域57场资料检验，平均相对误差为24.8％；基于空间尺度转换下叁维分形信息维数预测值，用西庄小流域27场资料检验，平均相对误差为31.2％。
王玲玲[4]2017年在《黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙耦合机制》文中研究指明尺度问题普遍存在于土壤侵蚀整个过程,研究土壤侵蚀的尺度问题在水土流失过程模拟中具有重要意义。黄土高原丘陵沟壑区、侵蚀类型多且相互耦合,流域系统能耗过程的非线性特征非常突出,使得“坡面~沟道~流域”系统中不同地貌单元的含沙水流对土壤侵蚀、泥沙输移与沉积的影响机理尚未完全明确,不同空间尺度地貌单元水沙搭配关系的差异性尚不清晰,因此,不同空间尺度地貌单元水沙耦合关系机制亟待深入研究。本论文采用野外定位监测、室内模拟降雨试验、水文分析与地统计数理分析相结合的方法。野外观测以黄土丘陵区裴家峁沟典型小流域的梁峁坡、沟坡不同地形部位径流小区、全坡面径流场及桥沟、裴家峁沟水文站1986-2008年实测径流泥沙资料为基础,系统分析“坡面~沟道~流域”系统不同时空尺度下各地貌单元侵蚀输沙系特征,阐明不同时空尺度下各地貌单元水沙关系特征及其差异性;室内降雨模拟试验按照水平比尺1:60、垂直比尺1:50,并构筑具有二级沟网的桥沟流域概化模型,分析了不同地貌单元(坡面、支沟、流域)产流产沙及其水动力过程。从水动力学和地貌形态演化方面揭示不同空间尺度地貌单元产沙机制。对黄土丘陵水土保持措施,生态环境具有重要的科学意义和生产应用价值。取得的主要结论如下:(1)不同时间空间尺度下,不同地貌单元侵蚀输沙特征不同。全坡面不同微地貌单元多年平均土壤侵蚀模数表现为:梁峁坡上半坡<梁峁坡下半坡<梁峁坡<沟谷坡<坡沟系统,比例为1:1.2:1.7:2.4:2.9。在“坡面~沟道~流域”系统内,坡面尺度输沙模数大于流域尺度的各个流域,随流域尺度增大,输沙模数呈减小趋势。而次降雨输沙模数峰值可能发生在流域内的任一地貌单元,表明黄土丘陵沟壑区坡面、流域尺度均存在非平衡输沙现象。(2)不同空间尺度地貌单元,其侵蚀输沙动力条件不同。在坡面尺度,输沙率和径流剪切力呈线性关系,地表径流剪切力能较好地描述坡面尺度侵蚀产沙关系。在流域尺度,侵蚀产沙不仅取决于地表径流深,还要取决于洪峰流量,径流侵蚀功率能较好地描述流域尺度侵蚀产沙关系,输沙率和径流侵蚀功率呈幂函数关系。(3)“坡面~沟道~流域”系统内不同空间尺度地貌单元输沙能力差异显着,且随着地貌单元空间尺度的增加,次洪输沙能力减小。以单位水流功率含沙量表征不同地貌单元输沙能力,全坡面径流场、桥沟一支沟、桥沟和裴家峁沟单位水流功率含沙量比值为186:77:58:1。全坡面径流场的沟坡部位很容易发生滑坡、崩塌等重力侵蚀,因而物质分离速率很大,使得全坡面地貌单元单位水流功率含沙量最大。在流域尺度,沟道输沙能力与高含沙水流的发生有密切关系,高含沙水流起主导作用的河床一般均较窄深,高含沙水流在宽浅的断面将失去稳定,从而导致水流挟沙能力减小。统计表明桥沟一支沟、桥沟和裴家峁沟流域断面宽深比分别为8.15、15.86和38.09。(4)不同时空间尺度下,各地貌单元水沙关系特征不同。不同地貌单元多年平均降雨~径流、径流~泥沙关系变化趋势一致,多年平均输沙模数和径流深呈线性关系,不同空间尺度地貌单元水沙关系差异不显着。基于次洪水事件,不同空间尺度地貌单元输沙模数与径流量的水沙关系都呈线性关系,但随着空间尺度的增加,输沙模数和径流量水沙关系曲线的斜率急剧减小,说明由集流坡面至流域汇流系统,洪水径流过程的复杂性随尺度的增加而降低,流域系统泥沙输出过程的主要驱动因素趋于单一,多变的水沙关系也愈趋于稳定。在次洪过程时间尺度下,受洪水起涨消退的影响,不同空间尺度地貌单元流量~含沙量关系在起涨和消退阶段不同,相同流量下,消退阶段水流含沙量明显高于起涨阶段,且随着空间尺度的增加,差距越大。(5)室内模拟降雨试验表明,降雨强度为1.0mm/min时,仅坡面水流表现为层流,大于1.0mm/min后,各地貌单元水流流态均为紊流。随着降雨强度的增加,不同地貌单元不同地貌部位的径流流态均由缓流变为急流,由坡面尺度增加到流域尺度时,不同地貌单元的径流弗劳德数呈增加趋势。坡面尺度不同地貌部位的阻力系数总是大于流域尺度的阻力系数。(6)坡面尺度不同地貌部位径流剪切力大于流域沟道不同断面的径流剪切力。在坡面尺度,剪切力与降雨强度呈显着线性关系。在流域尺度,沟道不同断面平均径流剪切力与降雨强度呈幂函数关系。梁峁坡部位径流功率与降雨强度呈显着线性关系,沟坡部位和流域不同断面的径流功率与降雨强度呈显着幂函数关系。坡面尺度比流域尺度沟道变化剧烈,尤其以沟坡地貌部位变化最为剧烈。当从坡面尺度增加到流域尺度时,单位径流功率呈减小趋势。(7)把分形理论与熵值相结合,研究了不同地貌单元沟网分形结构、地貌信息熵以及流域地貌发育演化之间的关系。地貌分形维数能准确反映不同地貌单元沟网的平面形态,而熵值的变化可以反映不同地貌单元沟网的纵深发展。(8)随着径流剪切力的增加,来沙系数增加,来沙系数与径流剪切力之间呈密切的幂函数关系(P<0.01)。随着地貌分形维数和地貌信息熵的增加,不同地貌单元来沙系数总体呈增加趋势,指数函数能较好地拟合来沙系数和地貌分形维数之间的关系。
王民[5]2009年在《基于GIS的流域地貌多重分形特征与侵蚀产沙关系研究》文中认为由于流域地貌形态的多样性及空间组合的复杂性,其科学准确量化成为建立具有广泛适用性的流域水土流失预报模型所亟待解决的关键问题之一。本文依据多重分形等相关理论、结合GIS技术和室内模拟试验,提出了基于数字高程模型DEM的流域叁维地貌多重分形特征量化模型及实现方法,揭示了小流域模型、大理河及杏子河流域叁维地貌多重分形谱参数的动态变化及空间分布特征,探讨了大理河流域不同空间尺度子流域地貌奇异指数变化范围的差异性,建立了基于地貌多重分形信息熵的流域地貌多重分形特征与次降雨侵蚀产沙耦合关系模型,取得了如下主要研究成果：(1)基于数字高程模型DEM的流域叁维地貌多重分形特征量化模型和实现方法该量化模型包括叁个子模型,即流域叁维地貌特征概率测度子模型、阶距q估算子模型和多重分形谱测算子模型,此模型为实现流域地貌多重分形特征的直接量化提供了可靠保证。(2)小流域模型地貌多重分形谱及各参数动态变化特征依据地貌信息熵可将历经25模拟降雨的小流域模型地貌发育划分为幼年期和壮年期两个阶段,不同阶段小流域模型地貌地貌多重分形谱曲线形状基本相似,均呈向右的钩状；随着小流域模型地貌的不断发育,地貌多重分形谱奇异指数分布范围Δα均呈现增长趋势,多重分形谱曲线高差Δf则表现出递减趋势,其中壮年期二者的变化幅度明显比幼年期小；同时,小流域模型地貌奇异指数分布范围Δα与沟谷密度、平均坡度等6个传统地貌量化参数呈极显著相关。(3)大理河及杏子河流域地貌多重分形特征空间分异规律大理河、杏子河各子流域地貌的多重分形谱f(α)随地貌奇异指数α增大呈先增加后减小的变化趋势,但多重分形谱f(α)和地貌奇异指数α的极值、变化范围在各子流域均有所不同。大理河流域地貌奇异指数分布范围Δα平均值从上游到下游依次为：0.1304、0.1544和0.1584；左右岸分别为0.1431和0.1572；表明大理河流域地貌形态变化自上游向下游趋于复杂,右岸地貌复杂程度相对较大。杏子河流域地貌奇异指数分布范围Δα平均值从上游到下游依次为：0.1712、0.1617和0.1461；左右岸分别为0.1614和0.1557,表明杏子河流域地貌形态变化自上游向下游复杂性逐步减弱,左岸地貌复杂程度相对较大。(4)大理河流域地貌多重分形特征空间尺度效应大理河流域不同空间尺度的子流域叁维地貌均具有多重分形特征,清阳岔、李家河和西庄子流域地貌奇异指数Δα随流域面积增大呈明显增长趋势,平均增幅分别为10.57%、5.26%和11.79%,其变化曲线可分别用极显着的对数和线性函数来定量表达,表明随着空间尺度增加改变,流域地貌的复杂性和不均匀性更为明显。(5)流域地貌多重分形信息熵与侵蚀产沙关系小流域模型地貌多重分形信息熵与次降雨相对输沙模数和径流模数关联度分别为0.8129和0.9050,明显高于其它传统地貌量化参数。地貌多重分形信息熵与次降雨输沙模数定量耦合关系表明,地貌对降雨侵蚀产沙的影响存在明显临界值,当地貌多重分形信息熵分别为2.6162和4.077时,小流域模型及野外典型流域岔巴沟次降雨侵蚀产沙出现峰值,成为其降雨侵蚀产沙的地貌临界点。
程楠楠[6]2016年在《黄土高原土壤侵蚀与地貌形态耦合分析》文中认为土壤侵蚀是黄土高原最严重的环境问题,影响因素主要分为自然因素和人为因素。自然因素包括气候、水文、地形、地貌等;人为因素则主要表现在人类活动对土壤侵蚀的影响,其中有积极和消极影响之分,例如退耕还林还草,水土保持措施实施等都有利于水土保持。本文系统深入地研究了黄土高原地区近50年气候水文变化状况及其对水土流失变化的影响,并重点提取分析黄土高原典型流域河网水系及地貌特征,通过建立侵蚀地貌综合指标(ETI),分析土壤侵蚀与地貌特征的耦合关系,从而进一步分析人类活动对土壤侵蚀的影响。通过本文的综合分析,取得的主要结果如下:(1)地貌特征因子在各流域间存在一定的空间差异性,这一空间差异性也是导致水土流失差异性的重要原因,为实现黄土高原地貌特征量化分析,本研究建立了地貌特征综合评价指标(ETI)。地貌特征综合指标与输沙量之间存在显着正相关关系(P<0.05),即输沙量随地貌特征综合指标的增加而增加,说明地貌特征是影响黄土高原地区土壤侵蚀的重要自然因素,其通过控制下垫面情况来影响水土流失的发生与发展。同时,地貌特征综合指标与2000~2011年输沙变量之间的回归方程斜率高于其他输沙变量,说明在地貌特征综合指标相同的情况下,2000~2011年输沙变量将小于其他年份输沙变量,即输沙量显着减少,这一现象说明在降水、径流及地貌特征相对一致的条件下,存在其他非自然因素使得黄土高原地区输沙量自2000年之后显着降低,即黄土高原地区自2000年后人为因素对土壤侵蚀的影响逐渐显着。(2)1960-2011年间,径流和输沙量在1960~2011年间呈波动减少趋势,2000s与1960s相比,年径流量和输沙量分别减少30%-80%和60%-90%,其中输沙量减少趋势较为显着。黄土高原地区降水整体呈现波动减少趋势,各气象站年均降水量变异系数在18.13%-38.66%,因此降水量在时间上属于中等变异。在空间上,降水呈现由东南向西北逐渐减少的整体分布规律,但个别地区受地形影响存在空间突变。虽然降水与径流整体都呈现减少趋势,但在不同的区域存在着空间及时间上的差异性。同时对典型水文站点数据分析表明,各站点间降水与径流变化虽然存在差异性,但两者之间的变化趋势基本保持一致,这说明黄土高原地区降水量与径流量间存在相关关系。黄土高原地区径流量与输沙量之间存在极显着线性正相关关系,径流是影响输沙的关键因素,但不是唯一因素。(3)黄土高原地区植被盖度在1981~2009年间不断增加,尤其在2000年后,植被盖度迅速增长,覆盖面积不但扩大,植被覆盖强度也不断增加。在空间分布上,植被盖度由东南向西北呈减少趋势,自2000年后增加速率上升。对比输沙数据可以发现,各典型流域植被盖度增加量与输沙减少量之间存在显着负相关关系,因此输沙量随植被盖度的增加而减少;同时回归方程决定系数(R2=0.6),植被盖度变化是2000年后水土流失变化的主要成因。除植被盖度外,淤地坝建设是影响黄土高原地区水土流失变化的重要因素,黄土高原大量淤地坝建设也是其输沙量与径流量减少的关键原因,但淤地坝与输沙量之间的动态变化关系还有待进一步研究。
沈中原[7]2009年在《黄土高原流域土壤侵蚀下垫面特征及其对水土流失的作用研究》文中研究指明地貌形态、土地覆盖、景观格局是流域侵蚀环境的重要下垫面条件和区域水土流失的主导因素。如何科学合理的对流域下垫面特征进行量化,建立适合于描述黄土高原地区侵蚀环境的下垫面指标体系,研究各种量化参数与流域侵蚀产沙的作用关系与耦合机制,是黄土高原流域水土流失规律研究的重要内容。本研究以黄土高原典型流域大理河为研究对象,采用地貌学、景观生态学、水文学、土壤侵蚀学、分形理论、数理统计学及RS／GIS技术等多学科交叉,对流域土壤侵蚀下垫面特征及与水土流失的关系进行了研究。主要结论如下：(1)构建了大理河流域地理空间数据库,阐明了流域土壤侵蚀空间分布的下垫面特征。以RS／GIS为平台,结合遥感数据成图与空间信息迭加分析,对大理河流域土壤侵蚀的基本特征、土壤侵蚀空间分布的分形特征、地形特征以及土地利用／土地覆被的地形分异性进行了研究,初步揭示了流域土壤侵蚀空间分布的下垫面特征及其复杂性。(2)建立了流域地貌特征分形布朗运动量化模型,开发了相关的计算程序。针对以往地貌分形计算过程主观随意性较大和分形特征缺乏有效检验手段的问题,根据分形布朗运动理论,结合流域DEM特点,提出了基于移动窗口法的流域地貌分形布朗运动量化模型。阐明了地貌特征FBM分形维数对流域地貌表面形态的表征意义,并对流域地貌形态的分形布朗运动特征进行了检验,探讨了流域地貌特征分形布朗运动量化的实现方法,编写并调试了相关计算程序。(3)揭示了大理河流域地貌分形布朗运动特征的空间变异性,探讨了地貌特征的尺度转换的途径,阐明了地貌特征FBM分形维数与传统地貌量化参数的关系。以流域地貌特征分形布朗运动量化模型为基础,对大理河流域上中下游各子流域地貌分形布朗运动特征进行计算,运用回归与多元回归的方法,建立了地貌特征FBM分形维数的沿程变化方程及其与流域面积的相关关系方程,揭示了流域地貌形态的空间变异特征及其变化规律。对地貌特征FBM分形维数与传统地貌量化参数的关系进行了探讨,阐明了地貌特征FBM分形维数对流域地貌特征的整体性、综合性表征。(4)建立了流域植被覆盖及植被格局特征量化模型,并用以评价区域植被的水土保持效应。以多期多源的TM/ETM影像为基础信息源,在完成几何校正、辐射校正、切割裁剪和图像增强等处理过程的基础上,提取了大理河流域各期NDVI植被指数的空间分布特征。通过数据挖掘建模提出了基于均值化NDVI植被指数的流域植被覆盖特征量化指标和基于植被格局FBM分形维数的植被空间分布特征量化模型,并在GIS/RS平台下进行相应的计算程序开发,初步建立了反映植被水土保持作用、易于遥感提取、适合区域研究的植被水土保持功能评价指标。(5)研究了大理河流域植被覆盖的时空变化特征。利用多年的TM/ETM影像资料,提取了流域多期植被覆盖信息,通过对大理河流域上中下游各子流域均值化NDVI植被指数、植被格局FBM分形维数以及不同高程上不同等级NDVI植被指数的计算,定量的分析了大理河流域地表植被覆盖随时间和空间的变化规律及其垂直分布特征,揭示20年来大理河流域植被状况的变化特征和动态变化规律。(6)揭示了流域下垫面特征与流域侵蚀产沙的耦合关系。收集并分析处理大理河流域38场降雨的径流泥沙资料,以流域次降雨径流侵蚀功率为流域水蚀过程侵蚀输沙动力,构建了地貌形态、植被覆盖、植被格局等流域下垫面特征与降雨侵蚀产沙之间的动态耦合关系。通过对不同下垫面输入参数的比选,阐明了流域地貌特征FBM分形维数、均值化NDVI植被指数和植被格局FBM分形维数作为流域降雨侵蚀产沙预报模型下垫面特征量化参数的合理性与可行性。
崔灵周, 李占斌, 郭彦彪, 朱永清[8]2007年在《基于分形信息维数的流域地貌形态与侵蚀产沙关系》文中研究指明流域地貌形态的科学准确量化是建立具有广泛适用性的流域尺度土壤侵蚀预报模型的关键科学问题之一,分形理论的提出为流域地貌形态特征的定量描述开辟了新的思路。本文基于分形理论,利用GIS技术和多元回归统计方法,以黄土高原丘陵沟壑区第一副区的岔巴沟流域为例,对该流域以分形信息维数为量化指标的流域地貌形态与降雨侵蚀产沙耦合关系进行了初步探讨。研究表明,引入地貌形态分形信息维数的岔巴沟流域降雨侵蚀产沙与地貌形态耦合关系模型可将岔巴沟各支流域差异明显的水沙关系简化为统一的数学表达,消除了由于地貌形态等下垫面因素导致的空间变异性;基于该耦合关系模型的西庄和蛇家沟流域次降雨输沙模数预测值和观测值相对误差较小、总体吻合较好;将地貌形态分形信息维数作为流域土壤侵蚀预报模型中地貌形态因子量化指标不仅可行,而且可靠。
赵辉[9]2008年在《南方花岗岩地区红壤侵蚀与径流输沙规律研究》文中提出土壤侵蚀是自然界中普遍存在的山地灾害现象之一,已成为当今资源和环境问题研究重点。本论文以长江以南花岗岩地区典型流域---湖南武水流域为研究对象,从坡面小区、小流域和中流域叁种空间尺度,研究红壤侵蚀与径流输沙规律;基于流域30年土地利用变化,研究其与径流和输沙的耦合关系;基于ArcGIS建立基本属性数据库,构建研究流域分布式水文模型---PRMS_Storm模型,并在中流域尺度对径流与输沙进行模拟与预报。以期在建立土壤侵蚀—土地利用—径流输沙叁者有机联系的基础上,为定量监测和科学评价区域水土流失与生态环境状况,研究揭示典型流域侵蚀与径流输沙规律,指导区域水土保持生态建设提供理论依据与技术支持。通过调查取样,运用统计分析和分形理论,研究表明,不同土地利用类型间土壤理化性质、土壤结构及其分形特征分异规律明显。分形维数能客观反映土壤结构特征及其稳定性,林地土壤结构改善,稳定性好,人为扰动不利于土壤良好结构形成。同时,弹性分析与边际分析表明,土壤结构分形维与土壤基本理化性质指标相关程度不一。采用土壤理化性质综合指标法,选用16项指标进行主成分分析,可得到无机及胶粒因子、团聚类因子、水稳性团聚体因子和有机及微团聚类因子等4个主成分因子。等级聚类分析表明,不同土地利用类型间土壤抗蚀性分异规律显着,仅就土壤抗蚀性能而言,典型林分林地抗蚀性最强,依次为疏林地、旱地、荒地,最差为坡耕地,说明坡耕地、荒地、旱地、疏林地是研究区主要的流失地类,尤其是坡耕地。研究流域土壤侵蚀以水蚀为主,局部伴有崩岗重力侵蚀发生,30年(1978~2007年)来,土壤侵蚀面积减少,侵蚀强度也有所降低。本文以自然坡面小区为基本侵蚀单元,基于19场有效降雨实测资料,研究表明不同土地利用类型间地表径流与侵蚀产沙分异规律明显,裸露荒地、坡耕地、旱地和疏林地的实测地表径流分别是典型林分林地的1354.9%、1099.9%、712.3%和285.4%,土壤侵蚀模数排序为裸露荒地7744.2 t/km2>坡耕地3826 t/km2>旱地942.2 t/km2>疏林地336.5 t/km2>典型林分林地10.2 t/km2,裸露荒地、坡耕地、旱地、疏林地为研究区主要的流失地类,植被能有效地调蓄地表径流和保土减蚀。运用SPSS进行统计分析,建立了各土地利用类型坡面小区尺度次降雨条件下的径流与侵蚀产沙多元回归模型。以小流域、中流域两种空间尺度流域为研究对象,分别研究了降雨、径流及输沙规律;运用分形理论,研究表明,相同尺度间(小流域尺度)、以及两种空间尺度流域日降雨、日径流均具有明显的分形特征,即存在自相似性。这可为实现相同尺度间或不同尺度间资料、参数的引用,以及解决尺度转换问题提供一种思路与实现途径,同时也可为相同尺度间或不同尺度间资料、参数等的获取提供一种可行的研究手段。运用SPSS进行统计分析,分别建立了小流域、中流域两种空间尺度流域次降雨条件下的径流与输沙的多元回归模型。运用分形理论,研究了坡面小区尺度不同土地利用类型侵蚀泥沙和武水流域悬移质、推移质泥沙的组成及其分形特征。研究表明,在坡面小区尺度,不同土地利用类型侵蚀泥沙组成差异显着,悬移质(入池泥沙)中值粒径排序为裸露荒地<坡耕地<旱地<疏林地<典型林分林地;<0.005 mm中粉(砂)粒以下含量排序为裸露荒地>坡耕地>旱地>典型林分林地>疏林地;最大粒径排序为坡耕地>旱地>裸露荒地>疏林地>典型林分林地。由于人为耕作扰动,坡耕地、旱地土壤抗蚀性能减弱,大量泥沙被地表径流侵蚀、搬运,其坡面地表组成物质呈粗骨化趋势。对于推移质(留槽泥沙),裸露荒地坡面小区推悬比为9.42,粗颗粒含量较高,坡耕地、旱地坡面小区推悬比分别为3.61、2.9。而在中流域尺度---武水流域,悬移质泥沙颗粒组成为粘粒11%、粉(砂)粒51%、细砂粒32%和粗砂粒6%,以粉(砂)粒和细砂粒为主。1981年以后,悬移质泥沙颗粒中粘粒和粉(砂)粒含量相对减少,颗粒组成呈变粗趋势;推移质泥沙以砂、石砾为主,平均中值粒径为0.874mm。分析表明,两种空间尺度流域悬移质、推移质泥沙颗粒组成均具有显着的分形特征。运用ArcGIS和景观分析软件FRAGSTATS,研究了武水流域30年来(1978~2007年)土地利用景观格局动态变化规律及其驱动力因素;基于流域不同时期土地利用变化及其对应的径流与输沙实测资料,探讨了流域径流、输沙与土地利用变化的耦合关系,并建立了相应的多元回归耦合模型。基于ArcGIS建立基本属性数据库,构建武水流域分布式水文模型--- PRMS _Storm,通过模型拟合、验证和参数优选,典型降雨条件下,流域径流模拟平均预报精度为0.719,洪峰预报合格率为75%;流域输沙模拟平均预报精度为0.664,输沙总量预报(<20%)合格率为62.5%,输沙量峰值预报合格率为75%。按雨型分,长历时降雨预报精度普遍高于短历时降雨,大暴雨、暴雨预报精度高于大雨、中雨。基于2007年两次典型降雨过程,进行径流模拟和输沙量预报,其结果均可达到精度要求。
汤珊珊[10]2018年在《覆沙坡面水蚀产沙动力过程与微地貌变化的响应研究》文中研究指明坡面风蚀沉积泥沙所形成的覆沙坡面是风蚀水蚀交错区重要的下垫面类型,风蚀沉积泥沙对坡面水蚀过程产生了重要的影响。论文以风蚀水蚀交错区覆沙坡面为研究对象,采用室内模拟降雨试验,研究了不同覆沙条件下坡面降雨产流产沙过程,分析了覆沙坡面径流侵蚀产沙动力特征,建立了降雨径流动力与侵蚀产沙的关系,阐明了不同侵蚀阶段侵蚀泥沙颗粒随时间的分布规律与变化特征;基于高精度叁维激光扫描技术系统分析了坡面微地貌的变化特征,辨识了坡面侵蚀泥沙的空间来源;构建了覆沙坡面侵蚀产沙与微地貌变化的响应关系。为进一步阐明覆沙坡面的侵蚀产沙机理、研究风水复合侵蚀区地貌变化提供理论支撑。论文取得了如下主要创新性成果:(1)阐明了覆沙坡面的产流产沙作用。覆沙坡面的初始产流时间随着覆沙厚度和覆沙长度的增加而延迟,较黄土坡面延迟了 10～23 min;径流量峰值出现的时间随覆沙厚度和覆沙长度的增加而提前,产沙量峰值出现的时间则随着覆沙厚度和覆沙长度的增加而延迟。不同覆沙条件下坡面的产流速率和产沙速率整体大于黄土坡面。覆沙坡面的产沙量较黄土坡面增加了 1.6～22.3倍。不同覆沙条件下坡面累积径流量R和累积产沙量S之间满足幂函数关系,即S=ARB(P<0.01)。综上所述,坡面覆沙加剧了侵蚀的发生。(2)阐明了坡面覆沙后的含水量和入渗特征。覆沙坡面的土壤平均含水量明显大于黄土坡面;坡面覆沙后坡面产流前的入渗量明显大于黄土坡面,入渗减少量仅与覆沙厚度存在良好的线性关系(R2=0.72,P<0.01);在不同覆沙条件下,产流后入渗量的波动程度以及下降趋势较黄土坡面剧烈。不同覆沙条件下的入渗率随着产流历时均表现出减小的趋势。(3)阐明了覆沙坡面降雨径流主要水动力学参数的时空变化特征,揭示了水动力参数与产流产沙之间的响应关系。坡面覆沙后,覆沙坡面的径流雷诺数Re增加了 0.39～3.30倍,佛罗德数Fr增加了 0.05～1.29倍,阻力系数f增加了 0.05～1.55倍;坡面产流速率和产沙速率分别与各水动力学参数之间的关系均可用y=ax+b来描述;雷诺数Re和相对水深曼宁糙率n/h可以较好地表征覆沙坡面侵蚀产沙过程。(4)揭示了径流侵蚀动力与侵蚀产沙之间的响应关系。覆沙坡面的径流剪切力和径流功率分别增加了 0.67～2.81倍和0.10～0.55倍。坡面径流输沙率随着剪切力和径流功率的增加而增加;坡面径流输沙率分别与径流剪切力和径流功率之间均呈幂函数关系;降雨的径流能耗随着覆沙厚度和长度的增加而增加;坡面覆沙后的径流能耗始终大于黄土坡面。次降雨侵蚀产沙总量随着径流侵蚀功率的增大基本呈现增大趋势,且二者之间呈幂函数关系。(5)阐明了覆沙坡面不同侵蚀阶段泥沙颗粒的输移特征,揭示了泥沙的空间来源。坡面表层覆盖的风沙大部分在产流开始0～10 min内便被径流冲刷带走;坡面覆沙后,不同降雨时段内侵蚀泥沙的颗粒级配出现双峰分布。在细沟间侵蚀阶段,径流先搬运粒径大于0.054 mm的泥沙,即坡面上覆盖的风沙先被径流冲刷带走;在细沟侵蚀阶段,径流主要搬运粒径小于0.054 mm的泥沙为主,即产沙源于黄土;在产流后0～10 min侵蚀泥沙主要以大于0.054 mm的颗粒为主;而在产流中后期(10 min以后)侵蚀泥沙则主要以小于0.054 mm的颗粒为主。表明覆沙坡面的侵蚀泥沙主要是风沙和黄土的混合。(6)基于坡面侵蚀微地貌分析,辨识了泥沙的空间来源,构建了覆沙坡面微地貌变化与侵蚀产沙的响应关系。试验结果表明:覆沙坡面的微坡度、粗糙度始终大于黄土坡面,而覆沙坡面的地表起伏度和地表切割度小于黄土坡面且第6#坡段是坡面侵蚀最严重的位置。建立了覆沙坡面的径流产沙特征、入渗特征、水动力学特征、动力学特征以及能量变化规律与坡面地表粗糙度的响应关系,结果发现它们之间均可以用y=ax+b表达。
参考文献：
[1]. 流域降雨侵蚀产沙与地貌形态特征耦合关系研究[D]. 崔灵周. 西北农林科技大学. 2002
[2]. 黄土高原典型流域土地利用/森林植被演变的水文生态响应与尺度转换研究[D]. 张晓明. 北京林业大学. 2007
[3]. 黄土高原典型流域地貌形态分形特征与空间尺度转换研究[D]. 朱永清. 西安理工大学. 2006
[4]. 黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙耦合机制[D]. 王玲玲. 西北农林科技大学. 2017
[5]. 基于GIS的流域地貌多重分形特征与侵蚀产沙关系研究[D]. 王民. 西安理工大学. 2009
[6]. 黄土高原土壤侵蚀与地貌形态耦合分析[D]. 程楠楠. 中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心). 2016
[7]. 黄土高原流域土壤侵蚀下垫面特征及其对水土流失的作用研究[D]. 沈中原. 西安理工大学. 2009
[8]. 基于分形信息维数的流域地貌形态与侵蚀产沙关系[J]. 崔灵周, 李占斌, 郭彦彪, 朱永清. 土壤学报. 2007
[9]. 南方花岗岩地区红壤侵蚀与径流输沙规律研究[D]. 赵辉. 北京林业大学. 2008
[10]. 覆沙坡面水蚀产沙动力过程与微地貌变化的响应研究[D]. 汤珊珊. 西安理工大学. 2018
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