基于GIS的黄土沟壑区两种尺度产流产沙数学模型研究与应用

论文摘要

论文首先从力学原理出发分析黄土丘陵沟壑区的坡面和沟道动力平衡条件，定性和定量讨论了降雨、坡度、土壤特性和植被对侵蚀产沙的影响和作用，并结合黄土沟壑区特点，探讨了坡面和沟道侵蚀的各个过程及其相互关联，为建立侵蚀产流产沙过程数学模型奠定一定理论基础。 对于小流域分布式产流产沙数学模型，本文以黄土丘陵沟壑区两个典型流域—岔巴沟流域和杏子河流域为研究对象，在采用GIS对坡度、侵蚀单元、土地利用和综合糙率等侵蚀产沙环境因子提取分析的基础上，针对研究区干旱少雨特点，首先采用超渗产流模型，建立该区基于网格的产流模型，建模过程中采取菲利浦下渗曲线作为下渗方程。根据运动波理论在全流域建立一维非恒定流的坡面流运动方程，然后采用Preissmann(SOGREAH)四点隐式差分进行离散和求解，从而建立基于网格的坡面汇流模型，利用该模型可计算出任意时刻、任意网格的水深、流速和流量。流域侵蚀产沙模型以分布式坡面流运动波数值模型为基础进行耦合求解，根据每个网格的各个时段的水深、流速、流量依次计算出网格的各个时段的产沙量。在输沙过程中采用坡面汇沙的滞后演算法分别对流域进行演算，然后将各个网格的产沙量错开若干个传播时段Ts进行迭加，最终求得流域出口断面的产沙过程。本模型在岔巴沟流域和杏子河流域1970～2001年十七场径流和产沙过程的模拟和验证表明：效果令人满意。最后，在模拟结果的基础上，选择模型中若干重要参数，采用GLUE(普似然法)算法进行参数值分布空间和预报不确定性分析，分析并得到了模型参数的分布空间及模拟结果的置信水平。 基于GIS的中尺度流域产流产沙数学模型以大理河流域为对象，将研究对象划分为沟间地和沟坡地两种单元，将整个流域划分为沟间地、沟坡地及其它们组成的小流域和一个输水输沙沟道进行分别计算，其中涉及降雨因子、地貌因子等因子，分别计算其侵蚀产沙响应系数，对侵蚀产沙模型进行修正，从而建立了一个基于GIS的黄河多沙粗沙地区中尺度流域侵蚀产沙模型。

论文目录

• 前言
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 黄土丘陵沟壑区概述
• 1.1.2 降雨特性
• 1.1.3 径流特性
• 1.1.4 地形地貌
• 1.1.5 泥沙特性
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外产流产沙预报模型研究进展
• 1.3.2 国内产流产沙预报模型研究进展
• 1.4 论文研究目标和内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 研究方法和技术路线
• 参考文献
• 第二章 坡面侵蚀产沙机理与过程
• 2.1 坡面水力侵蚀产沙过程
• 2.2 坡面侵蚀产沙影响因素
• 2.3 小结
• 参考文献
• 第三章 沟道侵蚀产输沙机理与过程
• 3.1 沟道类型及侵蚀形式
• 3.2 沟道侵蚀的影响因素
• 3.3 沟道侵蚀机理
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 小流域分布式产流产沙数学模型研究
• 4.1 概述
• 4.1.1 前言
• 4.1.2 研究区概况
• 4.1.3 研究内容
• 4.1.4 研究方法
• 4.1.5 采用资料
• 4.2 基于 DEM的土壤侵蚀环境因子提取分析
• 4.2.1 DEM预处理
• 4.2.2 流向判断
• 4.2.3 水流汇集栅格
• 4.2.4 降雨时空分析
• 4.2.5 流域坡度提取分析
• 4.2.6 水流路径长提取分析
• 4.2.7 土地利用因子提取分析
• 4.2.8 流域综合糙率分析
• 4.2.9 土壤侵蚀地貌单元提取分析
• 4.3 具有物理基础的小流域分布式水文模型 PDHM（PHYSICALLY DISTRIBUTED HYDROLOGICAL MODEL）研究
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 植被截流计算
• 4.3.3 蒸散发计算
• 4.3.4 分布式产流模型
• 4.3.5 栅格型坡面水动力学运动模型
• 4.4 小流域分布式侵蚀产沙模型 DsYM（DISTRIBUTED SEDIMENT YIELD MODEL）研究
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 黄土沟壑区坡面垂直分带性
• 4.4.3 梁峁坡水力侵蚀模型
• 4.4.4 沟坡水力侵蚀模型
• 4.4.5 沟槽水力侵蚀模型
• 4.4.6 全流域产沙量
• 4.5 模型的建立与验证
• 4.5.1 模型结构与组成
• 4.5.2 模型计算流程
• 4.5.3 参数及物理意义
• 4.5.4 模型参数率定
• 4.5.5 模型验证
• 4.5.6 模型在杏子河流域的应用
• 4.6 侵蚀产流产沙模型情景分析
• 4.6.1 设计暴雨产汇流产沙模拟
• 4.6.2 植被覆盖对侵蚀产流产沙影响分析
• 4.7 侵蚀产沙模型参数的不确定性分析
• 4.7.1 不确定性概念
• 4.7.2 异参同效现象
• 4.7.3 GLUE方法基本原理
• 4.7.4 GLUE的分析程序
• 4.7.5 似然函数的组合与多目标似然函数
• 4.7.6 GLUE程序在岔巴沟流域的应用分析
• 4.8 小结
• 参考文献
• 第五章 基于 GIS的中尺度流域产流产沙数学模型
• 5.1 试验区概况及研究方法
• 5.1.1 试验区概况
• 5.1.2 研究方法及其路线
• 5.1.3 采用资料
• 5.2 大理河流域侵蚀产沙因子分析
• 5.2.1 降雨因子分析
• 5.2.2 地貌因子分析提取
• 5.3 基于 GIS的大理河流域侵蚀产沙模型
• 5.3.1 概述
• 5.3.2 流域侵蚀产沙模型建立
• 5.3.3 侵蚀产沙模型运算流程
• 5.3.4 模型验证
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究成果
• 6.1.1 主要研究成果
• 6.1.2 主要创新点
• 6.2 存在问题
• 6.2.1 分布式小流域产流产沙模型
• 6.2.2 基于GIS的中尺度流域产流产沙模型
• 6.3 展望
• 作者简历
• 致谢