基于GIS黄土丘陵沟壑区流域侵蚀产沙模拟及尺度研究

论文摘要

土壤侵蚀产沙模型是进行水土资源管理、定量评价水土保持措施和进行土壤侵蚀灾害评价的有效工具。分布式土壤侵蚀模型即将流域划分为很多更小的单元（小流域、地块、栅格）,其目的是使每个划分单元内下垫面条件（土壤、植被覆盖度、坡度、土地利用方式）尽可能一致,避免模型参数的过度均一化,造成与实际自然状况的不符。在被划分的流域单元格上进行参数的输入,然后依据一定的数学表达式,计算出流域每个单元格的产流量、产沙量,最后根据一定的汇流、汇沙算法,演算出流域出口处的径流总量与产沙总量。目前,国内外已经建立了很多成熟的分布式水文模型、土壤侵蚀模型,这些模型的建立对本论文分布式侵蚀产沙模型的研究起到了非常好的借鉴作用。但利用黄土丘陵沟壑区特殊的水沙关系建立的分布式模型还不多见。本文根据国内外的研究现状,借鉴前人研究成果,并对研究区域进行实地考察,利用黄土丘陵沟壑区产流、产沙的特点,在分析研究黄土丘陵沟壑区地形、地貌、降雨等对流域侵蚀产沙影响;流域侵蚀产沙的时空尺度效应;流域侵蚀产沙强度变化趋势的基础上,运用计算机科学与GIS技术,采用VB.NET+SQL SERVER2000+ARC Engine9.2开发出具有空间数据的编辑、浏览,属性数据的编辑、浏览、管理,模型的运算等3个模块的蛇家沟侵蚀产沙分布式模型。所做的工作主要分为以下几方面:（1）初步分析了黄土丘陵沟壑区坡面侵蚀产沙的特点。分析、讨论降雨、坡度、坡长对坡面侵蚀产沙的影响程度大小,认为降雨特性对坡面侵蚀产沙的作用最大,坡度次之,坡长最小。回答了临界坡度、临界坡长是否为定值,当坡度、坡长、降雨变化时,坡面侵蚀产沙量增大或减小的原因。（2）初步分析了黄土丘陵沟壑区地貌的现状及其特征、地貌对流域侵蚀产沙的影响以及流域侵蚀产沙的趋势。着重讨论沟壑密度在不同时空尺度下对流域侵蚀产沙的影响:沟壑密度并不是简单的随着流域面积的增大而减小,沟壑密度的空间尺度效应与所提取沟壑的级别有关:沟壑密度与产沙模数不是简单的成正相关关系,沟壑对流域侵蚀产沙的影响与沟壑的级别以及沟壑的部位有关;在不同的时间尺度下,不同级别的沟壑对侵蚀产沙的影响也不一样。（3）初步分析了黄土丘陵沟壑区峁坡、全坡面、毛沟、支沟、干沟等不同空间尺度下,在次暴雨、月、年等不同时间尺度下的侵蚀产沙情况。分析随着时间尺度与空间尺度的变化流域侵蚀产沙的变化情况,以及流域侵蚀产沙受时间尺度与空间尺度的影响程度。研究表明,在小的时间尺度下,时间变化比空间变化更能引起产沙模数的变化,产沙尺度效应不明显。但在大的时间尺度上,产沙量是小时间尺度上产沙量之和,产沙模数随时间变化的波动通过累加被平滑,空间尺度变化对侵蚀产沙的影响加强。（4）分别分析和探讨黄土丘陵沟壑区典型小流域产流、汇流、侵蚀产沙的一系列过程。基于流域DEM、土地利用图、地貌图和降雨资料,结合该区域流域产流、产沙的特点,运用GIS技术与计算机技术建立蛇家沟流域侵蚀产沙分布式模型。模型的建立是基于黄土丘陵沟壑区普遍的产流、产沙规律,模型参数简单,通过校正CN可在其它相似的小流域内使用。该研究可为黄土丘陵沟壑区水土保持治理提供借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 选题依据
• 1.2.文献综述
• 1.2.1 侵蚀产沙模型国外研究进展
• 1.2.2 侵蚀产沙模型国内研究进展
• 1.2.3 当前国内外侵蚀产沙模型研究的发展趋势
• 1.2.4 国内外对尺度效应及其尺度转换的研究
• 1.2.5 小结
• 第二章 研究区概况及研究方法
• 2.1 岔巴沟流域概况
• 2.1.1 地理位置及其基本地貌信息
• 2.1.2 气候、水文
• 2.1.3 土壤及植被情况
• 2.1.4 地质
• 2.1.5 侵蚀情况
• 2.2 研究内容、方案、技术路线
• 2.2.1 研究内容
• 2.2.2 研究方法、技术路线图
• 2.2.3 数据来源、野外考察及相关说明
• 2.3 文章总体结构
• 第三章 流域地形、地貌对侵蚀产沙的影响
• 第一节 地形因子对坡面水蚀的影响
• 3.1.1 地形因子对坡面侵蚀产沙的研究概况
• 3.1.2 研究资料与研究方法
• 3.1.3 地形因子临界条件的探讨与理论分析
• 3.1.3.1 坡度对坡面侵蚀产沙的影响
• 3.1.3.2 坡长对坡面侵蚀产沙影响
• 3.1.4 降雨、坡度与坡长综合作用对临界坡度与临界坡长的影响分析
• 3.1.4.1 降雨变化对临界坡度、临界坡长的影响
• 3.1.4.1.1 降雨变化对临界坡度大小的影响
• 3.1.4.1.2 降雨变化对临界坡长大小的影响
• 3.1.4.1.3 降雨、坡度、坡长变化对坡面侵蚀产沙的影响大小
• 3.1.4.2 坡度、坡长、降雨共同作用下的临界坡长、临界坡度
• 3.1.4.2.1 三维状态下坡面侵蚀产沙研究
• 3.1.4.2.2 降雨、坡度、坡长关系的分析
• 3.1.5 小结
• 第二节 流域地貌现状及侵蚀产沙趋势研究
• 3.2.1.流域不同部位的地貌现状及侵蚀产沙情况
• 3.2.1.1 流域地貌演化阶段的定量分析方法
• 3.2.1.2 流域地貌变化
• 3.2.1.2.1 蛇家沟区域地貌变化情况
• 3.2.1.2.2 岔巴沟流域地貌变化情况
• 3.2.1.2.3 流域地貌差异的探讨
• 3.2.2.流域地貌及其侵蚀产沙尺度研究
• 3.2.2.1 流域沟壑密度对侵蚀产沙的影响
• 3.2.2.2 流域地貌的尺度效应研究
• 3.2.2.3 流域侵蚀产沙尺度效应探讨
• 3.2.3.小结
• 第三节 不同时空尺度下沟壑对流域侵蚀产沙的影响
• 3.3.1 不同沟壑对流域不同时空尺度下侵蚀产沙的影响
• 3.3.1.1 不同级别沟壑的提取
• 3.3.1.2 次暴雨尺度下不同沟壑对流域侵蚀产沙的影响
• 3.3.1.3 年尺度下不同沟壑对流域侵蚀产沙的影响
• 3.3.1.4 不同级别沟壑与流域侵蚀产沙关系的探讨
• 3.3.1.5 在不同时间尺度下不同级别沟壑侵蚀产沙探讨
• 3.3.2 小结
• 第四节 本章小结
• 第四章 流域侵蚀产沙尺度研究
• 第一节 探讨流域尺度侵蚀产沙的影响因素
• 第二节 流域不同时空尺度的侵蚀产沙情况
• 4.2.1 不同时空尺度下侵蚀产沙情况
• 4.2.1.1 不同空间尺度次暴雨的侵蚀产沙
• 4.2.1.2 不同空间尺度月侵蚀产沙情况
• 4.2.1.3 不同空间尺度年侵蚀产沙情况
• 4.2.2 探讨不同时间尺度与空间尺度的侵蚀产沙情况
• 4.2.3 小结
• 第三节 流域侵蚀产沙的尺度效应分析
• 第四节 本章小结
• 第五章 蛇家沟小流域分布式侵蚀产沙模型的建立
• 5.1 产流、汇流的算法
• 5.1.1 基于DEM地表径流流向的确定算法
• 5.1.2 基于DEM地表汇流算法
• 5.2 基于DEM地表产流及汇流的计算
• 5.2.1 horton产流模型
• 5.2.2 SCS模型
• 5.3 蛇家沟分布式侵蚀产沙模型的构建方法
• 5.4 蛇家沟分布式侵蚀产沙模型的开发
• 5.5 蛇家沟分布式侵蚀产沙模型的验证与精度分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 主要结论及研究展望
• 第一节 主要结论
• 第二节 主要创新点
• 第三节 研究展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间（2005-2008）发表及投稿学术论文
• 致谢