任洪玉[1]2003年在《基于GIS的中国径流输沙时空动态变化研究》文中提出本文着眼于区域水土流失评价模型对于径流泥沙因子的需要，利用水文站实测数据，以全国为研究对象，在GIS支持下，利用径流泥沙物质平衡原理，计算机制图和GIS空间分析方法，在多种时间尺度上(包括多年平均、10年、年)对全国径流泥沙因子时空变化特征进行了系统研究。研究的结果主要有： 1．在已有基础上，基于全国水系图、全国地貌图、全国地形图等专题图件资料，编制了全国水文计算单元图。该图基于径流泥沙物质平衡原理，定量记录了各计算单元之间径流泥沙物质汇集关系，集成了全国主要控制性水文站径流、输沙数据，构成一空间型水文数据库，为全国泥沙、径流因子时空间动态分析提供了基础数据和统一计算单元。 2．根据径流泥沙在上下游之间的传递汇集关系和水沙物质平衡原理，利用编程方法完成了各计算单元径流输沙模数的分析和定量计算，根据计算出的数据，在GIS支持下编制了叁种时间尺度、共计12期径流输沙模数等值线图和相应的栅格图，完成了径流泥沙数据由点到面的转换并恢复了径流输沙模数的连续表面，为进行全国径流输沙状况时空动态分析和区域水土流失模型开发提供了数据基础。根据图形统计结果，全国输沙总量约33亿吨，径流总量约32000亿m~3。 3．在ARC/INFO环境下，基于上述图文件，利用空间统计与比较、地图代数运算和拓扑迭加等分析方法，对全国各种级别输沙模数的面积比例、输沙量比例、面积与输沙量关系进行了分析，同时对两种时间尺度(10年尺度和年际尺度)的输沙状况变化，进行了时间和空间上的动态分析。分析表明：(1)我国输沙状况表现出明显的宏观分异规律，冀北辽西山地、雁北高原、黄土高原、川中丘陵、西南高原山地和淮南丘陵，存在明显侵蚀高值地区；江南丘陵和东北漫岗丘陵为我国两个弱输沙模数区；黄淮海平原、长江中下游平原和河套平原为淤积地区，总面积占全国总面积的10％左右。(2)就全国而言，输沙量主要产生于侵蚀剧烈地区(输沙模数＞15000t/km~2.a)，占全国总面积3％左右的土地集中了全国总输沙量的50％。(3)从时间上看，从50年代到80年代，全国输沙模数和输沙量均呈现出降低趋势。 4 初步形成了比较完善的径流泥沙数据计算分析方法，包括：编制水文计算单元图，分析并记录径流泥沙物质汇集关系，建立水文计算单元数据库；以水文计算单元中心点位置及其属性值为基础，生成径流模数和输沙模数等值线图和栅格图；径流输沙的时空间动态分析等。
张传才[2]2016年在《流域水沙过程的细粒度建模框架研究》文中认为流域水沙过程建模是水环境建模的重要组成部分,流域水沙过程模型是水资源管理和水环境决策的重要辅助工具。目前,流域水沙模型大部分仍未进行模块化或组件化,是"铁板一块"的整体模型。整体模型的修改和维护十分闲难,因此,国际上对流域水沙模型的模块化或组件化进行了大量研究,建立了多个着名的流域水沙模型框架来解决模型复用问题。流域水沙模型框架为构建新模型和模型不确定性研究提供了强有力的技术支撑,是一项重要的"促成"技术。然而,现有的流域水沙模型框架基本都属于中粒度框架,不能实现模型细粒度复用,构建新模型的灵活性不足,也限制了框架在模型结构不确定性研究中的应用。因此,本文在对流域水沙模型的细粒度分解和细粒度组件封装的基础上构建了一个流域水沙过程的细粒度建模框架,以期提高框架在构建新模型方面的灵活性,以及使框架可以用于研究细粒度层次上模型结构的不确定性问题。流域水沙过程的细粒度建模框架涉及的研究内容、方法与研究思路如下:(1)对流域水沙过程模型进行细粒度分解与组件封装。剖析流域水沙过程的各个子过程及相互的串联和依赖关系,从理论上对流域水沙过程模型进行概念层次上的分解。对流域水沙物理模型CASC2D-SED进行具体的细粒度分解,并将分解结果进行细粒度组件封装从而建立流域水沙过程的细粒度建模框架的基础组件库。(2)构建流域水沙模拟与GIS都可以高效访问的"共享数据模型"。以Madiment的Arc Hydro水利GIS "共享数据模型"为基础,根据流域水沙模拟的要素及特征,使用面向对象的建模方法构建流域水沙模拟与GIS实现紧密集成的"共享数据模型"。(3)构建一个流域水沙过程的细粒度建模框架。以CASC2D-SED模型分解的细粒度组件为基础,结合流域水沙模拟的相关研究成果,构建流域水沙模拟的细粒度组件库,在组件库和共享数据模型的基础上,运用面向对象的依赖注入设计模式和反射机制构建一个流域水沙过程的细粒度建模框架。(4)研究流域水沙过程的细粒度建模框架在模型结构和参数方面的扩展。在模型结构和模型参数两个方面研究框架的扩展方法。重点研究了框架在径流输沙能力和坡度分形尺度变换两块内容的扩展方法。(5)使用集成坡度尺度变换的小流域水沙过程模拟以及基于不同径流输沙能力方程的水沙过程模拟两个应用来验证框架的可用性和有效性。获取小流域水沙过程模拟所需数据:无人机航测影像和DEM、土壤含水量、土壤导水率、土壤颗粒组成和有机质含量,设计开发的ARCGIS流域水沙过程模拟插件,在坡度分形变换的基础上,使用该插件对砒砂岩区的一个小流域进行水沙过程模拟,以验证框架的可用性和有效性。使用Kilinc&Richardson径流输沙能力方程和Govers径流输沙能力方程模拟小流域水沙过程以验证框架在模型结构方面的可扩展性,即验证框架在改进模型结构方面的可用性和有效性。本文的主要研究结论如下:(1)对流域水沙过程的机理和数学描述研究表明对流域水沙过程机理认识不一致,多种数学描述并存,导致了流域水沙过程模型的结构不确定性,形成了流域水沙过程模型中的可变对象。(2)流域水沙过程模型的细粒度分解与封装实现了流域水沙过程模型的细粒度复用。流域水沙过程模型的细粒度组件具有良好的可复用性,为构建流域水沙过程模型提供更大的灵活性。(3)建立的"共享数据模型"实现了GIS与水沙模型在数据结构层次的紧密集成。由于采用了面向对象的数据模型设计方法,并以Madiment的ArcHydro数据框架为基础,因此,设计的数据结构层次上的"共享数据模型"使GIS与流域水沙模型都可以进行高效的数据访问,实现了GIS与流域水沙模型的紧密集成。(4)构建的流域水沙过程的细粒度建模框架支持细粒度的模型构建和细粒度层次上模型结构不确定性研究。该建模框架采用了面向对象的依赖注入设计模式和.NET的反射机制,实现了框架中组件的即插即用,提高了该框架在构建新流域水沙模型方面的灵活性。该框架在细粒度层次上的可扩展性可以用于解决由细粒度对象导致的模型结构不确定性问题。(5)设计开发的流域水沙模拟ARCGIS插件实现了流域水沙模拟与GIS的无缝集成。基于"平台+插件"模型和ArcEngine组件库设计开发了一个流域水沙过程模拟ARCGIS插件,实现了二者的高效无缝集成。(6)坡度分形变换方法与流域水沙模拟可以实现集成,同时,研究表明框架在模型参数扩展中是可用的和有效的。小流域水沙过程模拟与坡度分形变换方法的集成案例表明构建的流域水沙过程的细粒度建模框架是可用的、高效的。(7)基于不同径流输沙能力方程的水沙过程模拟应用表明框架具有结构上的动态可扩展性,可以在不重新编译模型的情况下改变模型的结构,框架是可用的和有效的。框架是构建新模型以及研究模型结构不确定性的重要辅助工具。本文取得的创新性成果如下:(1)在深入剖析流域水沙过程发生机理和各种数学描述异同的基础上,提出了流域水沙过程模型中的可变对象概念。流域水沙过程模型的可变对象导致了模型的结构不确定性。基于可变对象原则和最小粒度原则首次对流域水沙过程模型进行了细粒度分解,构成了该建模框架的基础组件库。(2)构建的流域水沙过程的细粒度建模框架解决了流域水沙过程模型的细粒度复用问题,并且可以用于研究细粒度对象导致的模型结构不确定性问题。较早地将最新的面向对象设计模式-依赖注入模式应用于流域水沙过程的建模框架,结合反射机制实现了建模框架细粒度层次上的动态可扩展性,实现了该建模框架中细粒度组件的即插即用。(3)提出了一种坡度分形降尺度变换与流域水沙过程模拟的集成方法。由于框架的细粒度特性,坡度成为流域水沙模型的独立输入参数,对坡度进行分形降尺度变换后再输入流域输沙过程模型,实现了二者的集成。该建模框架的细粒度封装特性使得框架在构建新模型时具有更强的灵活性。该框架采用了依赖注入设计模式和反射机制,使得该框架具有细粒度层次上的动态可扩展特性,可以更好地支持框架在模型结构不确定性研究方面的应用。该建模框架提供了一种坡度分形尺度变换与流域水沙过程模拟的集成方法,在流域水沙过程模拟中考虑了坡度的尺度效应。流域水沙过程的细粒度建模框架丰富了流域水沙过程的建模理论,降低了流域水沙过程模型开发与修改的难度。
秦伟[3]2009年在《北洛河上游土壤侵蚀特征及其对植被重建的响应》文中提出土壤侵蚀是危及人类生存与发展的重要环境问题。黄土高原地区水资源短缺、生态环境脆弱,已成为我国乃至世界上水土流失最严重的地区之一。20世纪50年代以来,该区相继开展了一系列大规模的水土保持工程和林业生态工程。尤其是20世纪末开始大规模实施的退耕还林(草)工程,在控制水土流失、改善生态环境方面取得了显着成效。研究该区土壤侵蚀特征及其对植被重建的响应,能够为黄土高原林业生态建设和水土流失治理提供重要的理论依据与决策参考。本文以黄土高原腹地和林业生态工程的典型示范区北洛河上游为研究区,运用统计学分析方法、数字流域技术、水文学和景观生态学理论,结合多年水文气象观测数据、不同分辨率遥感影像及数字高程模型等基础资料,分析了流域降雨时空分布特征和土地利用/覆盖变化(LUCC):建立了基于数字高程模型和水流路径的沟缘线提取方法,据此探讨了流域地貌特征,进行了面向地貌特征的侵蚀风险评估;在研究流域径流、输沙变化趋势、特征时段及变化驱动因素的基础上,确定了植被重建对流域水沙的调控效应;基于高分辨率遥感影像,提取了坡面浅沟及其地形参数,分析了浅沟侵蚀的地形临界特征;在划分流域地貌单元、改进坡长因子算法、改造次降雨沟坡侵蚀模型的基础上,分别运用修正通用土壤流失方程(RUSLE)、沟坡侵蚀模型和泥沙输移分布模型(SEDD),评估了不同特征时段坡面与沟坡的侵蚀强度;通过集总侵蚀评估结果、模拟流域产沙,研究了不同地貌部位的侵蚀、产沙对植被重建的响应,建立了流域侵蚀空间分布模型,确定了不同环境因素在植被重建前后对侵蚀空间分异的相对贡献。主要获得如下结论:(1)北洛河上游年降雨量自西北向东南递增,但空间差异不显着。近十余年来,降雨量略有增加,干旱年份和极端降雨天气的发生机率略有减少。以1999年大规模开展植被重建为界,年均降雨量和降雨侵蚀力分别提高5.07%和8.64%,植被重建后气候背景具有增加径流、输沙的潜在条件。(2)研究区河网临界支撑面积介于0.5～1.0 km~2,不同级别的沟谷密度均大于0.91 km/km~2,沟间地和沟谷地分别占该区总面积的68.29%和31.7l%,表现出沟壑纵横、支离破碎的地貌特征。流域88.05%的区域存在中度以上的侵蚀风险,大部分地方具备发生较强土壤侵蚀的地形条件。(3)1986-2004间,流域植被覆盖率由56.74%提高为76.76%。其中,林地增加趋势最为明显,变化速率较快、变化程度较剧烈。不同土地利用类型中,林地和高覆盖度草地的重心向东南转移,农地和中、低覆盖度草地的重心向西北转移。景观格局呈现斑块数量增加、镶嵌度提高、同类斑块联通性下降,从而造成景观多样性显着增加、破碎度明显增大的变化特征。(4)1980-2004年间,流域径流、输沙变化分为3个阶段。其中,2001-2004年为植被重建的水沙调控效应期。4年共减少径流13 808.0万m~3、输沙14 250.8万t。单位面积新增林地年均理水、减少能力分别达2.67万m~3/km~2和2.75万t/km~2。(5)浅沟侵蚀主要受坡面坡度、长度、坡向和上坡长度等地形因素影响,其上限与下限临界坡度分别介于26～27°和15～20°,临界坡长介于50～80 m。(6)植被重建后,流域侵蚀强度由12 652.06 t/(km~2·a)下降为6 036.72 t/(km~2·a);产沙强度由3 896.99万t/a减少为1 795.50万t/a。其中,坡面侵蚀、产沙强度分别由5 770.46 t/(km~2·a)和1 308.81万t/a减少为1 437.93 t/(km~2·a)和322.46万t/a;沟坡侵蚀、产沙强度分别由28 093.92 t/(km~2·a)和2588.18万t/a减少为16 196.91 t/(km~2·a)和1473.04万t/a。坡面内,单位面积新增林地年均减少侵蚀11 752.10 t/(km~2·a)、产沙1.14万t/a。沟坡产沙比例由66.41%提高为82.04%,成为目前流域内最主要的侵蚀、产沙源。(7)植被重建前,地形、植被和降雨对流域侵蚀强度空间分异的相对贡献分别为17.30%、20.79%和61.91%;植被重建后,各类侵蚀影响因素的相对贡献率分别为15.73%、57.67%和26.60%。植被重建使得植被对流域侵蚀强度空间分异的相对贡献提高36.88%,从影响最小的因素转变为影响最大的因素。
程楠楠[4]2016年在《黄土高原土壤侵蚀与地貌形态耦合分析》文中指出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。
张晓明[5]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》文中认为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。
王芸[6]2014年在《黄土高塬沟壑区砚瓦川流域径流泥沙对气候变化与人类活动的响应》文中进行了进一步梳理黄土高原是我国水土流失最严重的地区,全球气候变化和人类活动日益加剧,特别是近年来大范围退耕还林还草等水土保持措施的实施,对下垫面产生了极大影响。本研究以黄土高塬沟壑区砚瓦川流域为研究对象,采用1981-2009年流域主要气象站和水文站的实测资料以及叁期(1985、1996和2009年)土地利用数据,运用数理统计分析结合RS、GIS等技术,及景观生态学方法,定性描述与定量分析相结合,建立砚瓦川流域的数字流域模型,分析气候水文要素特征和土地利用格局演变,计算流域综合治理后的减水减沙效应,并定量评估气候及人类活动因素对径流泥沙的影响,进而模拟次降雨产流并分析流域土壤侵蚀强度。论文主要研究结论如下:(1)1981-2009年砚瓦川流域年均气温呈显着上升趋势,上升幅度为0.081℃/a;四季平均气温均上升显着,上升幅度分别为0.125℃/a、0.065℃/a、0.067℃/a和0.082℃/a;1997年之前为偏冷时期,之后为偏暖时期。年极端最高气温呈显着上升趋势,上升幅度为0.094℃/a;年极端最低气温呈不显着下降趋势,下降幅度为-0.019℃/a。1981-2009年年降水呈不显着下降趋势,下降幅度为-1.521mm/a;四季中春季降水下降显着,秋季降水下降不显着,夏冬两季呈不显着上升趋势。年最大日降水量、极端降水量、极端降水频率和极端降水强度下降不显着,下降幅度分别为-0.064 mm/a、-0.864 mm/a、-0.080次/a和-0.008 mm·d-1/a;严重干旱事件增加不显着,增加幅度为0.085次/a。年降水量在空间上总体呈西高东低的态势。1981-2009年相对湿度呈不显着下降趋势,下降幅度为-0.178%/a,潜在蒸发散显着上升,上升幅度为5.672 mm/a。(2)采用1985、1996和2009年的土地利用数据,分析砚瓦川流域土地利用的时空变化特征,结果显示1985-1996年各地类相对稳定。1985-2009年林地增加程度最大,面积增加258.06%,动态度为10.75%;草地减少最多,面积减少38.22%,动态度为-1.59%;从转移矩阵上看面积转化最活跃的是林地、草地和耕地。从各地类重心变化上看,林地和草地的重心向西南方向迁移,居民地的重心向西北方向迁移,水域向西迁移。从景观角度分析土地利用景观异质性增大,景观平均程度提高,土地利用景观稳定性提高,水土流失的可能性降低。从植被覆盖上看,1981-2009年生长季NDVI呈显着上升趋势,上升幅度分别为每年0.0042。(3)1981-2009年年径流量呈显着下降趋势,变化幅度为-9.573万m3/a;汛期径流量下降趋势显着,下降幅度为-6.643万m3/a。四季中春夏两季径流量呈显着下降趋势,秋冬两季的下降趋势不显着,四季径流量下降幅度分别为-3.583万m3/a、-2.607万m3/a、-1.213万m3/a和-0.786万m3/a。1981-2009年年输沙量呈显着下降趋势,下降幅度为-2.458万t/a,汛期输沙量呈显着下降趋势,变化幅度为-2.389万t/a。四季输沙量均呈显着下降趋势,下降幅度分别为-0.736万t/a、-16.22万t/a、-0.702万t/a和-0.006万t/a。1981-2009年洪水发生频次呈显着下降趋势,大多发生在7-9月,最大洪峰多发生在7-8月。(4)采用双累积曲线等方法得到1997年为砚瓦川流域减水减沙作用明显生效的转折年,据此将整个研究时段分为两个时期,1981-1997年为基准期,1998-2009年为治理期。治理期砚瓦川水文站控制流域减水减沙效应值分别为27.2%和75.9%。治理期降雨因素有增加径流量和输沙量的作用,其平均降水量、降雨侵蚀力、极端降水量和极端降水强度较基准期分别增加2.61%、12.47%、3.19%和5.05%;而治理期下垫面状况的改善有减少径流量和输沙量的作用,其生长季NDVI值较基准期增长20.59%。在此基础上定量分析得到人类活动对减水减沙贡献率分别为108.9%和105.1%,降水对减水减沙贡献率为-8.9%和-5.1%。从1981-2009年径流深和输沙模数间的次降雨水沙关系特征上看,单位径流输沙量趋于稳定的临界径流深为3 mm;在年、次降雨时间尺度上,治理期较基准期水沙关系都变化显着,其单位径流的输沙量显着降低。(5)采用GIS与SCS模型相结合对基准期和治理期次降雨径流深的空间分布变化进行分析,结果显示治理期对下垫面的改造方向,即增加林地、减少荒草地以及提高植被覆盖度,使得产流量减少,其中,塬面径流减少程度较低,沟壑区径流减少程度较高。以20090816次降雨作为参照,在降雨条件不变的情况下设置不同的土地利用/覆被变化情景并模拟产流,结果显示在草地全部转成林地的情景下,径流深减少0.34 mm,径流量减少124.53万m3;在林草覆盖度由目前的中覆盖度提高到高覆盖度的情景下,径流深减少0.66 mm,径流量减少241.74万m3,且两种情景的土地利用/覆被变化都对流域中部沟壑区的径流影响较大。(6)采用GIS与RUSLE模型结合得到砚瓦川流域基准期和治理期的平均侵蚀模数分别为6474.82 t·km-2·a-1和3414.43 t·km-2·a-1,侵蚀强度由基准期的强度侵蚀降低到治理期的中度侵蚀。微度侵蚀主要集中在塬面,强度以上侵蚀主要集中在沟壑区。治理期与基准期的侵蚀强度相比,微度、轻度、中度和强度侵蚀面积都有所增加,分别增加7.87%、55.88%、1.99%和18.66%,极强度和剧烈侵蚀等级面积分别减少9.86%和58.59%;各侵蚀等级都较大程度地向低一等级的土壤侵蚀强度转化。平均土壤侵蚀模数随着坡度增大而增加,在不同坡向上排序为阳坡>半阳坡>半阴坡>阴坡。并定量分析得到治理期降雨及土地利用变化因素减少土壤侵蚀的贡献率分别为-12.36%和112.36%。假设在降雨条件不变的前提下,若草地转成林地,侵蚀量将减少41.71%;若林草覆盖度由中覆盖度提高到高覆盖度,侵蚀量将减少38.19%。
杨启红[7]2009年在《黄土高原典型流域土地利用与沟道工程的径流泥沙调控作用研究》文中进行了进一步梳理黄土高原水资源短缺,生态环境脆弱,特别是土壤侵蚀不断加剧,恶化了区域生态环境,严重制约了社会、经济的发展。目前,随着大规模水土保持生态建设,研究黄土高原区流域径流泥沙与土地利用变化和沟道工程建设的协同变化规律,对于该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。本论文以黄土高原丘陵沟壑区——甘肃省定西市安家沟流域为研究对象,基于1987年、1997年、2007年3期土地利用数据和1986-2007年22年气候、水文资料,以定性描述与定量分析相结合的方法,运用GIS&RS、数理统计分析、水文模型模拟等技术,对安家沟流域土地利用变化对径流泥沙的作用进行了分析与模拟,同时对不同水土保持措施的拦沙蓄水作用进行了研究。结论如下:流域降水年际分布不均,多年平均降水量414.4mm,以2003年降水最多,为536.5mm,最少的1997年,仅为312.8mm;流域降水年内分布以6-9月居多,其中7、8月的降水量占年降水量的61.16%。流域降水空间分布不均,面离差系数Cv值平均为0.35。不同的降水水平年,各类型暴雨发生的频率不同,A、B类型暴雨以平、丰水年发生频率较高,C类型暴雨丰水年发生频率较高。径流小区和流域两种不同尺度下,降雨因子和土壤侵蚀的相关性随着研究尺度的变化,K_e、EI30、降雨量、平均雨强等降雨因子与侵蚀的相关性大小也变化;降雨动能K_e在各尺度相关性都较好。采用流域内3个雨量站的降雨动能数据,通过空间插值建立流域1988-1997年以及1998-2007年两期的降雨动能场,利用USLE方程计算流域内各处的侵蚀模数,结果表明:侵蚀模数最大的区域出现在流域南部马家岔,而沟口地区,地形相对平缓,近几年又很好地实施了退耕还林(草)等工程,侵蚀模数较小。SWAT模型应用于安家沟流域时,径流模拟效果好于泥沙,年径流相关系数为86.1%,Nash-Suttcliffe系数为0.79,年输沙相关系数为70.5%,Nash-Suttcliffe系数为0.62。年际尺度模拟计算结果比月尺度理想,其次是丰水季节各月的径流模拟,再次是泥沙月尺度模拟。在SWAT模型的模拟基础上,分析了流域在1987、1997和2007叁年的径流、泥沙的空间分布特征以及不同土地利用类型对侵蚀产沙的影响。结果表明:降雨和土地利用变化对径流、泥沙产生了较大的影响,年内降雨较多的月份,产生的径流和泥沙量也较大;随着坡耕地面积的减少和林地面积的增加,径流、泥沙量逐渐减少。利用构建好的SWAT模型,采用固定一个因子(气候或土地利用变化)的方法,区分了土地利用与气候变化因子对径流和泥沙的影响程度。降雨情景模拟的结果表明:在土地利用相同的情景下,径流在汛期受降雨量的影响,变化幅度较大;在枯水期,基本无径流,不受降雨的影响;泥沙量的变化随径流量变化而变化,集中降雨产生的径流挟持大量的泥沙,以7、8月份的产沙量最大,平均占年产沙量的60%左右,其变化幅度大于径流量。土地覆被情景模拟的结果表明:当植被覆盖度大于80%以后,继续增加植被覆盖度,其减沙率变化明显下降;随林草植被盖度从100%、80%、50%、20%到裸地不断减少,汛期产沙所占年产沙量的比例增加,其产沙量占年产沙量的比例分别为73.37%、75.07%、85.27%、87.34%、90.80%。黄土高原水土保持措施情景模拟结果表明:淤地坝在枯水年径流拦蓄率较高,在所有措施量(梯田、林草和淤地坝)中,淤地坝面积最小,但是拦减泥沙最多。通过SWAT模型和水保法对水土保持措施调控作用进行了研究,并修正了水保法中的坡面措施指标,确定了安家沟流域梯田拦沙系数为0.80,林草拦沙系数为0.52。就安家沟这样一个干旱缺水的流域而言,在防止水土流失的前提下,实行“退耕还林还草”政策应遵循“适地适树、适地适草”的原则,并适当考虑从增加流域产水量的角度来进行植被建设规划,在保持林草面积的前提下,加强退耕还林(草)措施的质量管理。
沈中原[8]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》文中指出地貌形态、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。
姚志宏[9]2010年在《基于GIS的区域水土流失过程模拟研究》文中研究指明区域水土流失过程研究对认识土壤侵蚀对环境要素的影响、理解全球变化与区域土壤侵蚀关系具有重要意义,而且能为水土流失治理的宏观规划和区域环境问题决策提供支持。本论文在对区域水土流失过程理论分析和其影响因子分析的基础上,完善了已有的区域水土流失模型的算法,探索了区域尺度上土壤含水量的估算方法,并在ArcGIS环境和.NET Framework2.0下,用C#语言开发了计算机模型系统,在试验流域应用,完成了区域水土流失过程模拟。主要研究结论如下:(1)探索了区域水土流失模型中土壤含水量的计算方法。考虑到在较大尺度流域影响土壤含水量的气候因子(气温)、土壤因子(容重)、植被因子(土地利用)和地形因子(坡向、地形湿度指数),在GIS支持下,建立藉河示范区土壤含水量模拟方程,回归效果显着。将样点的模拟值和实测值进行分析,得到所有测点模拟值的平均误差为0.105。结果表明,利用地形湿度指数、坡向、土地利用、降水、气温和土壤容重等,以实测的土壤含水量数据为基础,可以建立模型并模拟土壤水分,作为土壤前期含水量用来支持模型中径流的估算;(2)完善了区域水土流失过程模型的主要算法设计。考虑土壤前期含水量、蒸发、雨滴溅蚀、土壤粘结力和不同产流机制等,完善了区域水土流失中降雨产流过程、侵蚀产沙过程的算法。并在计算机模型系统和GIS支持下完成降雨产流、侵蚀产沙和径流泥沙物质汇集过程的计算。(3)完成了试验区水土流失过程的模拟。利用藉河示范区2005年7月份数据,采用了不同分辨率、不同时间步长对模型进行测试,结果表明模型设计时的各个模块都能够达到预定功能,输出图形都能反映藉河示范区侵蚀特征,且空间格局和结构都符合实际情况,宏观上主要受土地利用和气候特征影响,微观上主要受地形微起伏影响。将模型应用于藉河示范区,得到2005年藉河示范区汛期的总径流量、侵蚀产沙量分别为为6.73*10~8 m~3和6.74×10~6t ,径流模数和侵蚀模数分别为9.48×10~4 m3/km~2.a、2978t/km~2.a。模拟结果和实际水土流失情况较为符合。
吴磊[10]2008年在《叁峡库区小江流域非点源污染负荷模拟研究》文中提出叁峡水库二期蓄水后,库区内河流水文情势发生了转变,库周次级河流受干流水位壅升、回水顶托的影响,回水段流速变缓,水中夹带的泥沙大量沉积,库区大部分次级河流富营养化现象频发。位于叁峡库区北岸流域面积最大的一级支流小江,其回水区水质污染加剧,年年暴发水华。小江流域是典型的叶形丘陵山地,山高谷深,坡耕地多,土壤侵蚀、流失严重,非点源污染成为小江的主要污染源。因此,开展对小江流域的非点源污染负荷的研究,揭示库区典型流域非点源污染的相关规律,对于叁峡库区社会、经济和环境的可持续发展、促进库区生态和谐以及保障库区水环境安全具有重要意义。本研究通过引入具有物理机制的SLURP分布式水文模型,以流域土地利用类型为研究单元,考虑溶解态氮、磷在输移过程中的损失,借助GIS技术,分别建立了流域土地利用输出和农村居民点非点源污染年负荷模型,构建了流域溶解态非点源氮磷污染年负荷模型;同时,以RULSE美国通用土壤流失方程为基础,鉴于与吸附态负荷有关的流域降雨、土壤、地形、植被、水土保持、泥沙输移比等因素具有不确定性的特点,运用盲数来定义各因子的不确定性,构建了盲数理论与GIS下的吸附态非点源污染负荷动态数学模型,对所建立的模型用相关数据进行了验证。根据所建模型,对叁峡库区小江流域1991～2007年不同类型溶解态、流域土壤流失产生的吸附态非点源氮磷的年输出量以及产生的负荷进行了不同来源和状态的时空分布模拟和定量估算。主要研究结论如下:①从时间序列上来看,流域出口1991～2007年非点源氮磷污染负荷逐年变化明显,这与年际水文变化有关,非点源污染受径流量的变化影响显着。1991～2007年流域出口非点源氮磷平均年负荷分别为6039.51t/a和344.38t/a。流域出口氮磷负荷的年际变化受年降雨量和年径流总量的大小影响显着。②从空间分布上来看,流域非点源氮磷污染最严重的地区主要分布在浦里河流域,尤其是上游流域,东河中下游,南河沿岸人口聚集区,1991～2007年内流域最高非点源总氮、总磷流失模数分别为2.0t/km~2,0.12 t/km~2;该时段内流域最低非点源总氮、总磷流失模数分别为0.662 t/km~2,0.037 t/km~2。③流域溶解态氮磷污染物与流域水文过程关系密切。多年平均溶解态非点源氮磷污染负荷占流域出口总负荷的比例分别为50%左右和20%左右,其中,土地利用输出和农村居民点总氮入河负荷贡献率分别为81.18%和18.82%;总磷入河负荷贡献率分别为89.58%和10.42%,土地利用输出氮磷负荷占有绝对优势。④流域吸附态氮磷污染负荷主要与土壤侵蚀量与输沙量有关,而土壤侵蚀量和输沙量与流域降雨径流量大小密切相关。多年平均吸附态非点源氮磷污染负荷占流域出口总负荷的比例分别为50%左右和80%左右,而吸附态氮磷污染负荷的来源主要是旱田及混合地、草地,二者氮磷入河负荷的贡献率分别为55%～60%和35%左右。
参考文献：
[1]. 基于GIS的中国径流输沙时空动态变化研究[D]. 任洪玉. 西北农林科技大学. 2003
[2]. 流域水沙过程的细粒度建模框架研究[D]. 张传才. 河南大学. 2016
[3]. 北洛河上游土壤侵蚀特征及其对植被重建的响应[D]. 秦伟. 北京林业大学. 2009
[4]. 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
[5]. 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
[6]. 黄土高塬沟壑区砚瓦川流域径流泥沙对气候变化与人类活动的响应[D]. 王芸. 西北农林科技大学. 2014
[7]. 黄土高原典型流域土地利用与沟道工程的径流泥沙调控作用研究[D]. 杨启红. 北京林业大学. 2009
[8]. 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
[9]. 基于GIS的区域水土流失过程模拟研究[D]. 姚志宏. 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）. 2010
[10]. 叁峡库区小江流域非点源污染负荷模拟研究[D]. 吴磊. 重庆大学. 2008
标签：地球物理学论文; 水利水电工程论文; 植被指数论文; 径流系数论文; 地貌类型论文; 空间分析论文; 降雨强度论文; 黄土高原论文;