基于SCS-CN的“侵蚀源”与“沉积汇”的识别及其应用

论文摘要

中国是土壤侵蚀最为严重的国家之一。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的热点。景观生态学是研究空间格局与生态过程相互关系的科学,对特定的生态过程研究,具有重要的指导作用。在流域产流产沙研究中引入景观生态理论是一个新的研究方法。“源汇”生态过程思想为探讨土地利用格局与土壤流失的关系提供了直接的研究思路。对于水土（养分）流失来说,“源”就是径流、土壤和养分流失的地方。在流域尺度上,目前仅能获得一个流域沟口站的径流和泥沙数据,这些监测数据实际上反映的是一个流域内土地利用空间分布格局对径流和泥沙的影响,如何将这些监测点的数据与流域空间上的土地利用空间分布相联系起来仍旧是一个难点,但又十分重要。本文基于SCS降雨径流模型以及RUSLE模型,引入“源汇”的生态理论,模拟不同降雨条件下流域侵蚀产沙分布情况以及空间的输移。主要结论如下:（1）研究了基于DEM的流域信息提取方法,并对王家桥流域进行信息提取,主要包括DEM的预处理、流向提取、排水网络的确定、河流分段、子流域划分等。（2）根据水文资料,分析不同降雨场次的相关降雨指标,分析其降雨量、I10、I30及降雨动能与流域产沙的关系。结果表明,由于王家桥流域的次降雨量不大,所以降雨量对流域产沙的影响不明显,I10、I30及降雨动能对流域的产沙影响较大。（3）基于“源汇”生态理论,建立了“源汇”景观类型区分的方法与指标体系,提出了基于基本计算单元的“源汇”能力值的函数关系式。探讨不同景观因子（降雨、地形、土壤、土地利用等）条件下流域的侵蚀产流产沙过程,分析产沙分布与土壤侵蚀各因子之间的关系。（4）根据土壤、土地利用等因素确定了王家桥流域的水文土壤组分类,获得了王家桥流域的CN值空间分布,分析了土壤流失的危险性。（5）根据SCS降雨径流模型和“源汇”计算关系式,通过将RUSLE模型修正为次降雨产沙模型,结合GIS技术、计算机编程技术,建立了基于“源汇”景观理论的流域侵蚀产沙模拟模型,该模型能模拟不同降雨条件,不同土地利用,不同土壤条件下的流域产沙情况。（6）根据所建的模型,以王家桥流域为研究区域,研究了不同降雨条件下“源汇”的空间分布,定量地分析了“源汇”能力值的空间分布,模拟了径流和泥沙的空间输移。研究结果表明:模拟的结果与实际值基本吻合,而且该模型结构简单,输入的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 水文模型的研究进展及发展前景
• 1.2.1 国内外水文模型的研究进展
• 1.2.2 水文模型存在的问题
• 1.2.3 水文模型的发展方向
• 1.3 流域侵蚀产流产沙模型研究进展
• 1.4 代表型模型介绍
• 1.4.1 SWAT模型
• 1.4.2 AGNPS/AnnAGNPS
• 1.4.3 WEP（Water and Energy Transfer Process）模型
• 1.4.4 WATEM（Water and Tillage Erosion Model）
• 1.4.5 USLE及RUSLE
• 1.5 研究目的和意义
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究意义
• 第二章 研究内容及研究方法
• 2.1 研究内容
• 2.2 研究方法与技术路线
• 第三章 基于"源汇"理论的侵蚀模型建立
• 3.1 建模的思路
• 3.2 建模的基础
• 3.2.1 建模基础一:"源汇"景观理论
• 3.2.2 建模基础二:SCS-CN曲线
• 3.2.3 建模基础三:RUSLE模型
• 3.3 流向算法
• 3.4 流域结构分析模型的建立
• 3.5 输移理论模型的建立
• 3.6 水流泥沙输移模块开发与设计
• 3.6.1 模块的开发环境
• 3.6.2 源汇模块的输入输出
• 3.6.3 源汇模块的代码设计
• 3.7 模型验证以及参数校正
• 3.7.1 RUSLE因子的校正
• 3.7.2 泥沙输移率的校正
• 第四章 模型应用实例
• 4.1 研究区概况
• 4.1.1 自然地理条件
• 4.1.2 水利水保工程
• 4.2 研究区的水文气象站点
• 4.2.1 气象观测场
• 4.2.2 水文站点
• 4.3 数据来源
• 4.4 实例分析
• 4.4.1 分析流程
• 4.4.2 基于ArcHydro模块的分析
• 4.4.3 径流源汇的分析
• 4.4.4 流域的森林及树状结构分析
• 4.4.5 沟口位置的确定
• 4.4.6 RUSLE模型各参数的确定
• 4.4.6.1 降雨侵蚀力因子
• 4.4.6.2 植被与经营管理因子
• 4.4.6.3 水土保持措施因子
• 4.4.6.4 土壤可蚀性因子
• 4.4.6.5 坡度坡长因子
• 4.4.7 次降雨侵蚀产沙模拟
• 4.4.8 模拟的结果分析
• 4.4.9 模型的检验
• 第五章 结论与讨论
• 5.1 结论
• 5.2 讨论
• 参考文献
• 致谢