岔巴沟流域地貌形态分形特征量化研究

分形理论和方法为地貌学的非线性研究开辟了新的思路。本文基于分形基本理论和GIS技术,对地处黄土高原丘陵沟壑区第一副区的岔巴沟流域地貌形态分形特征进行了量化研究,提出了流域地貌形态特征分形信息维数的计算模型和方法,并依此获得了岔巴沟流域及各支流域的地貌形态特征分形信息维数。研究表明,岔巴沟流域及各支流域的地貌形态特征分形信息维数均小于1,且与流域面积保持很强的正相关;分形信息维数揭示了流域地貌形态复杂本质的量化特征,为黄土高原小流域侵蚀产沙预报模型中宏观地貌形态因子的量化提供了新的思路和方法。     

基于分形信息维数的流域地貌形态与侵蚀产沙关系

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。     

基于GIS的流域地貌形态分形盒维数测定方法研究

流域地貌形态分形维数测定是目前地貌分形研究的薄弱环节,对于流域水土流失预报模型中地貌因子量化具有重要科学意义。依据分形盒维数测定原理,结合流域地貌的复杂三维立体特性,提出了以地形等高线为基本数据源,以GIS技术作为主要实现手段的流域地貌形态分形盒维数测定方法,编制出了相关测算程序,并以岔巴沟流域为例进行了实证研究。结果表明,该方法快速、准确、数据可靠,可实现不同尺度流域地貌形态分形盒维数的测定。     

基于DEM的流域地貌特征分形量化研究

为了科学描述地形特征的整体性和地貌过程的非线性,基于分形布朗运动理论(FBM)和地理信息系统平台(GIS),对地处黄土高原丘陵沟壑区第一副区的陈家畈流域地貌形态分形特征进行了量化研究,提出了基于DEM表面积的流域分形布朗运动FBM地貌因子计算模型,并进行了相关的GIS算法开发。研究结果表明:FBM地貌因子能够利用流域地貌形态特征量化指标的标度不变性,实现不同像元尺度下地貌形态特征的比较与评价。同时能够克服地貌形态单因子指标的不足,对流域地貌形态特征进行综合性表达,从而为流域地貌因子的量化研究提供新思路与新角度。     

流域地貌形态多尺度三维分形量化及尺度效应——以砒砂岩区二老虎沟为例

流域地貌形态的科学量化是地貌学研究和区域尺度土壤侵蚀模型研究中的热点问题之一。针对目前地貌形态分形量化模型中存在的地形模拟方法和模型结构不合理问题,基于GIS技术和分形理论改进了地貌形态分形量化模型,并使用无人机高分辨率DEM数据对砒砂岩区二老虎沟流域进行了多尺度地貌形态量化,进而研究了该区地貌形态三维分形量化的尺度效应。研究发现:(1)随着尺度的降低,该区三维分形维数呈线性降低趋势,即地形复杂度呈线性降低趋势;(2)砒砂岩区二老虎沟流域在10m尺度地形复杂度已大大降低;(3)根据多指标量化结果分析,地貌形态量化指标分为两类:地形复杂度指标和地形起伏度指标,前者具有明显的尺度效应,后者尺度效应不明显。     

流域地貌分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系试验研究

流域地貌形态科学、准确和综合量化成为建立具有广泛适用性的流域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定量研究开辟了新的思路。本文依据分形理论，在建立小流域概化模型基础上，采用模拟降雨试验、高精度摄影测量和GIS技术，对流域模型地貌形态分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系进行了研究。结果表明，基于消除了降雨特征影响的相对输沙率，可将流域模型侵蚀产沙过程划分为初期、活跃期和稳定期3个阶段；在不同侵蚀产沙时段，流域模型地貌形态分形信息维数Di呈现与相对输沙率Sr基本类似的变化趋势，即先增大再减小、最后趋于平稳；流域模型相对输沙率Sr与地貌形态分形信息维数Dr以乘幂形式呈显著正相关，相关指数r^2为0．7423；地貌形态分形信息维数Dr较好反映了地貌形态特征对流域模型侵蚀产沙过程的影响，可以作为流域模型侵蚀产沙过程预报地貌形态特征综合量化指标。     

岔巴沟流域泥沙输移比时空分异特征及影响因素

本文以团山沟单元小流域作为流域系统产沙的源地，将其它中小流域输沙模数与单元小流域侵蚀模数之比定义为泥沙输移比，系统的研究了岔巴沟流域次暴雨泥沙输移比的时空变化特征及降水水文影响因子和地貌形态因子的综合影响。研究发现，从长远来看，流域系统的侵蚀与产沙可达到平衡，但就次降雨或年度而言，流域系统经常处于泥沙滞留和滞留的泥沙重新侵蚀搬运的状态。降雨量、径流系数、降雨时间、水流平均含沙量能很好的表达岔巴沟各流域次暴雨泥沙输移比，在考虑地貌形态因子的影响后，得到了岔巴沟流域次暴雨泥沙输移比的降水水文因子与地貌形态因子关系的综合表达式。     

基于变分法和GIS的小流域模型三维地貌分形特征量化研究

实现具有三维立体特征的流域地貌分形维数直接准确计算,是目前分形地貌学研究所面临的主要问题之一。依据变分法求解三维表面分形维数的基本原理,以DEM栅格数据为基础,利用ArcGIS9.2中的窗口分析功能,对所建立的小流域模型不同发育阶段的三维地貌闵可夫斯基维数进行研究。结果表明,变分法和GIS的有机结合使三维地貌分形维数的直接计算成为可能,小流域模型不同发育阶段的三维地貌在各自无标度区内呈显著的分形特征,三维地貌闵可夫斯基维数不仅能有效表达小流域模型不同发育阶段地貌的差异性(变化范围达0.452),还可准确表达地貌动态变化特征,将其作为小流域模型三维地貌分形特征定量描述指标是可行的。     

黄土高原丘陵沟壑区临界地貌侵蚀产沙特征

深入研究流域临界地貌形态对侵蚀产沙的作用机制至关重要,也是建立流域侵蚀产沙预测模型的关键所在。该研究以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟为研究对象,开展了流域次降雨侵蚀产沙的BP人工神经网络(back propagation artificial neutral network,BPANN)模型与多重线性回归(multiple linear regression,MLR)模型比较研究,定量分析了流域侵蚀产沙的敏感因子及影响程度,并使用分形信息维数临界值和相对应的变量建立临界地貌侵蚀产沙预测模型,阐明临界地貌侵蚀产沙特征。结果表明,在侵蚀产沙模数预测方面,BPANN模型较MLR模型具有更好预测性能,能够有效表征综合条件下侵蚀产沙的动态变化过程。径流深和径流侵蚀功率对侵蚀产沙以及水文响应的影响程度受地貌形态因素制约。当分形信息维数大于地貌临界值时,采用径流侵蚀功率的预测精度高于径流深;相反,分形信息维数小于地貌临界值时,采用径流深的预测精度高于径流侵蚀功率。以分形信息维数为界,分别引入径流深或径流侵蚀功率所建立的临界地貌侵蚀产沙预测模型,具有较高的预测精度,具有一定的可行性、可靠性和普适性。     

基于小流域自然形态的废弃矿区地形重塑模拟

地貌重塑是废弃矿区土地复垦与生态重建的重要基础部分和重点研究的技术问题之一。该文根据流域地貌学及其自相似原理,利用ArcGIS技术重新规划了废弃矿区的子流域及沟道、计算了矿区邻近未干扰子流域地貌形态特征数据并作为参照的标准;在此基础上结合Geofluv模型重建了北京市房山区黄院废弃采石场的小流域地貌,探讨了基于小流域自然形态的废弃矿区地貌重塑原理与技术方法,分析了重塑后的与未干扰的子流域形态特征间关系。结果表明,重塑后子流域地貌形态是相对稳定的、自然的,并与未干扰的子流域形态特征比较相似;用地貌系统信息熵值判断出重塑后地貌起伏变化小,受侵蚀强度弱,水土流失趋向于非常缓和。该文研究成果为废弃矿区地貌重塑的研究提供了一种新思路。     

大理河流域地貌多重分形特征空间分异研究

利用流域数字高程DEM,采用流域地貌多重分形模型及其实现方法,对大理河流域中的11条子流域地貌多重分形参数进行了计算,分析了其空间分异特点。结果表明:大理河流域地貌多重分形参数奇异指数的最小值αmin、地貌表面积分布最小概率子集的分形维数f(αmin)和最大概率子集的分形维数f(αmax)的平均值从上游至下游呈明显递减趋势,奇异指数最大值αmax和奇异指数变化范围Δα平均值从上游到下游呈递增趋势,说明最大坡度地貌单元出现在上游,最小坡度地貌单元出现在下游,大理河流域地貌形态变化自上游向下游趋于复杂。大理河流域左岸αmin和f(αmin)均值大于右岸,表明最大坡度地貌单元所占比例左岸较大;左岸Δf平均值大于右岸,表明右岸中最小坡度的地貌单元所占比例大于最大坡度地貌单元所占比例;Δα均值右岸大于左岸,表明大理河右岸地貌复杂程度相对较大;总体来说,大理河流域地貌右岸的差异性、不均匀性和复杂度均大于左岸。该研究对于探讨黄土地貌多重分形参数的地貌学意义具有重要参考价值。     

黄土高原小流域重力侵蚀数值模拟

为研究黄土高原小流域重力侵蚀机理,采用fish语言编写多层复杂地形建模的前处理程序,对多层复杂地形建模进行了二次开发。从力学稳定性角度,采用有限差分FLAC3D软件对黄土高原小流域概化模型进行重力侵蚀机理研究,分析了流域重力侵蚀的发育过程,并对小流域位移场和应力场进行了数值模拟。结果表明：建立的三维模型能真实地表现小流域地形、地貌,仿真效果良好。小流域重力侵蚀过程分为发育期、成熟期和稳定期3个阶段,沟头溯源区是小流域侵蚀最强烈的部位;凹形的边坡整体几何形态利于边坡稳定,减缓了重力侵蚀的发生程度。建模方法和数值模拟结果可应用到重力侵蚀研究中,为推动流域侵蚀产沙时空规律研究的深入发展和小流域水土流失综合治理以及生态环境建设提供科学依据。     

南方复合地貌区DEM内插算法的对比研究

数字高程模型是数字地形分析的重要数据基础,在土壤、水文、地貌、生态环境、地质灾害、农业等领域均有广泛应用。插值生成的DEM精度与插值算法本身特性、插值区域地貌类型都密切相关,研究插值算法对不同地貌类型的拟合精度差异,对提高DEM插值精度具有重要意义。以平原丘陵兼有、水网密集分布的南方复合地貌区为研究区,对ANUDEM,IDW,Kriging,Spline,NNI,TIN六种插值算法生成的DEM分别从总体、丘陵岗、平原3方面进行误差评价,结果表明:在丘陵岗地区,ANUDEM精度最高,对地形因子拟合程度最为准确;在平原地区,ANUDEM,TIN精度较高,能准确刻画水网等细节信息;总体而言,ANUDEM插值生成的DEM更能够精确地模拟南方复合地貌区的真实地形。     

祖厉河流域侵蚀地貌的数理分析

以黄河上游水土流失严重的祖厉河流域为研究区域 ,采用R .E .Horton A .N .Strahler水道序列划分原则 ,运用数理统计的方法对该流域的侵蚀地貌进行了定量分析。通过对采集到的大量地貌特征信息值的分析 ,建立了数学模型 ,分析出该流域侵蚀沟壑的系列格局 ,由此揭示了流域地貌序列及其与侵蚀间的相关性 ,为同类型区的小流域等级划分和水土保持方略的制定提供了依据     

基于MF-DFA特征和LS-SVM算法的刀具磨损状态识别

鉴于多重分形理论在精细刻画系统非线性现象和过程方面具有的独特优势,该文提出了基于多重分形去趋势波动分析和最小二乘支持向量机的刀具磨损状态识别方法。首先,用MF-DFA(multifractal detrended fluctuations analysis)方法处理去噪后的刀具磨损声发射信号,讨论其长程相关性和分形特性;然后,分析对比了不同磨损阶段下多重分形谱参数的变化,筛选出能灵敏表征刀具磨损状态的多重分形谱参数:分形维数最大值点对应的奇异指数α_0,多重分形谱谱宽△α和广义Hurst指数波动均值△h(q)作为特征量;最后,利用LS-SVM(least square support vector machine)算法并对比支持向量机和神经网络算法实现刀具磨损状态识别,结果表明LS-SVM算法识别率最高,平均识别准确率达97.78%,验证了本文所提方法的有效性。试验结果表明,提取的特征对刀具磨损状态的变化非常敏感,可以分离相近的磨损状态,为刀具状态监测提供一种参考方法。     

基于GIS和USLE的龙墩水库小流域土壤侵蚀评估研究

本研究以南京市高淳区龙墩水库流域为研究对象,利用通用土壤流失方程(USLE)模型与地理信息系统(GIS)技术结合的方法对流域土壤侵蚀进行模拟预测。结果表明:整个流域年均土壤侵蚀模数为4 343.46 t/km~2,属中度侵蚀。整个流域微度和轻度侵蚀所占面积比例相对较大,两者所占面积比例之和超过了63%,极强度和剧烈侵蚀虽然所占面积较小,但却产生了超过了70%的侵蚀量。不同土地利用类型中土壤侵蚀强度差异较大,年均侵蚀模数旱田草地水田林地,侵蚀量旱田水田草地林地。通过GIS将整个流域划分为13个子流域,子流域4、5、10由于区域内大部分是旱田,土壤侵蚀模数较大,为流域内土壤侵蚀的关键源区,子流域10侵蚀模数和侵蚀量都比较大,应该重点关注;而子流域1、9和12由于侵蚀总量较大,也应该保持一定的关注。所有子流域土壤侵蚀量都主要来自高强度侵蚀等级,其中以剧烈侵蚀为主。因此,控制土壤侵蚀应该优先考虑高强度侵蚀等级区域。     

Effect of Aeration Rate on Nutrient Removal from Slaughterhouse Wastewater in Intermittently Aerated Sequencing Batch Reactors

In order to implement best environmental management practices in agricultural watershed, it is necessary to evaluate non point source pollution loads and identify critical watershed pollution sources, which are regional management priority missions. Nutrient related non point source pollutant inputs can increase primary production and intensify water eutrophication. Not all watershed areas are critical and responsible for high amount nutrient pollution losses. Implementation of watershed environmental prevention is required to assess pollution yields. Further more, identification of these critical areas is essential for the effective and efficient implementation of watershed best environmental management. In this study, a geographic information system based Soil and Water Assessment Tool was applied in Bahe River watershed, a part of the Yangtze River basin. Land use, soil series texture and daily rainfall data for a 10-year period (1996–2005) was used in this study. The calibrated model system was verified to estimate average annual Organic Nitrogen and Organic Phosphorus yields in these 10 years. The estimated results were also tested and optimized by statistical software. Based on 10-year average yearly Organic Nitrogen yield and Organic Phosphorus losses, critical sub-watersheds were identified. The five sub-watersheds in the north part of watershed were under more intensive pollution yield, west group sub-watersheds contributed to moderate losses, whereas other sub-watersheds fell under slight loading classes. The research outputs developed a basis for an effective watershed environmental management plan. The study revealed that the Soil and Water Assessment Tool could be applied successfully for identifying critical sub-watersheds for watershed best environmental management purposes.     

Spatial variation in drainage characteristics and geomorphic instantaneous unit hydrograph (GIUH); implications for watershed management—A case study of the Varada River basin,Northern Karnataka

Geomorphological characteristics can be treated as signatures of hydrological responses. Geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH) is of utmost use in planning watershed management programs on a broad scale in absence of hydrologic data. Fifth order basins from different agroclimatic zones in the Varada River basin were selected to understand the spatial variation in drainage characteristics. These sub-basins show significant differences in their morphometric properties such as basin area, drainage density, bifurcation ratio, circularity ratio, constant of channel maintenance etc. These differences reflect variation in the hydrological process and geomorphologic instantaneous unit hydrograph (GIUH) of different sub-basins and can be used to understand watershed management aspects. Fifth order sub-basin in the Southern Transition agroclimatic zone is potential for artificial recharge programs. Sub-basins in the Hilly non-forest zone on the north are ideal for surface water storage like tank development program while Forested Hilly zone on the north are environmentally sensitive and prone to erosion.