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。     

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。     

黄土高原小流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型研究

建立具有广泛适用性的流域尺度侵蚀产沙预报模型是土壤侵蚀和水土保持研究的前沿领域。本文以黄土高原丘陵沟壑区第一副区岔巴沟流域为例,建立了流域侵蚀产沙人工神经网络模型,并运用缺省因子检验法分析各因子对流域侵蚀产沙的敏感程度;建立了基于敏感因子与分形信息维数的流域次降雨侵蚀产沙分段预报模型,并加以验证。研究表明,人工神经网络模型具有较高的精度,能够很好地定量描述流域水沙耦合关系;径流侵蚀功率和径流深对流域次降雨侵蚀产沙的敏感程度与流域地貌形态的复杂程度有关;以分形信息维数为界限,分段引入径流侵蚀功率和径流深,当Di0.8308时,采用径流侵蚀功率预测精度要高于采用径流深的预测精度,当Di0.8140时,采用径流深预测精度要高于采用径流侵蚀功率的预测精度。该侵蚀产沙分段预报模型的建立和方法的提出具有一定的合理性和可靠性,对其他侵蚀产沙模型有一定的借鉴之处。     

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。     

模拟降雨条件下地貌发育与侵蚀产沙的关系

地貌是影响流域侵蚀产沙的关键因素之一，为了进一步研究地貌发育与侵蚀产沙的关系，该文以小流域概化模型为对象，运用模拟降雨试验方法，以高精度摄影测量和GIS技术为手段对流域地貌发育过程及侵蚀产沙强度变化规律进行了研究。结果表明，产沙速率（Gt）、降雨产沙强度（Gp）和平均输沙强度（M）都随着流域地貌发育过程呈现先增大后减小的变化趋势；在流域地貌发育过程中，存在临界地面裂度（32%左右）和临界相对体积（65%左右），使降雨产沙强度和平均输沙强度的变化趋势由递增变化为递减。这种临界现象对更深入地研究流域地貌发育及其与侵蚀产沙的关系具有重要理论意义，同时说明地面裂度和相对体积可以作为流域发育程度的指标。     

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。     

植被格局特征对大理河流域侵蚀产沙的响应

为了进一步研究植被覆盖FBM(fractional brownian motion)分形维数在不同流域中对植被覆盖特征的综合效果及作为固定参数代替现有的植被量化指标在实际的水文、土壤侵蚀等预测模型中的应用,该文通过对大理河流域上中下游青阳岔、李家河和曹坪3个水文站控制流域的降雨、径流和产沙等资料的全面综合分析,以次降雨径流侵蚀功率作为侵蚀外营力输入,通过对站控流域地貌特征FBM分形维数、植被景观格局FBM分形维数和NDVI植被指数作为描述下垫面特征,以地理信息系统(GIS)为平台,利用GIS和RS技术,构建大理河流域侵蚀产沙量多元线性回归模型,并通过2组不同参数预测结果对比,结果表明:以植被格局分形维数为植被量化参数的模型输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差和绝对误差比以NDVI为植被量化参数的小;在38场次暴雨洪水中,基于植被格局分形维数为植被量化参数的模型次暴雨输沙模数模拟值与实测值之间的相对误差小于10%、20%、50%的分别占总场次的34.21%、55.26%、86.85%;38场次暴雨输沙模数的模拟值和实测值之间的平均相对误差为25.19%,其中模拟值与实测值绝对误差小于300 t/km2有31场,植被格局FBM分形维数可以更好反映植被覆盖与水土流失之间的关系,并且分析得到植被格局分形维数与土壤侵蚀强度之间呈负相关关系,决定系数为0.5066,即土壤侵蚀强度随着植被格局FBM分析维数的增大呈减小趋势,说明植被格局FBM分形维数对土壤侵蚀强度的影响较大.     

流域地貌发育过程与侵蚀产沙关系试验研究

基于所建立的小流域地貌概化模型，利用人工降雨模拟试验，对降雨条件下流域地貌发育过程、流域不同发育阶段输沙率动态变化特征进行了研究。结果表明，依据输沙率的动态变化特点，可将流域地貌发育过程划分为初期、剧烈期和相对稳定期3个阶段。在初期阶段，流域地貌发育表现为明显的无序向有序发展过程，不同雨强下的输沙率随时间变化表现为乘幂关系；在剧烈期阶段，流域地貌发育最为活跃，不同雨强下的输沙率随时间变化有较大差别，其中0．5mm／min和2．0mm／min表现为乘幂关系，1．0mm／min则表现为指数关系；在相对稳定期阶段，流域地貌发育趋于和缓，不同雨强下的输沙率随时间变化表现为二次多项式。     

岔巴沟流域三维地貌多重分形特征量化

流域三维地貌形态的科学量化研究是地貌学研究和流域土壤侵蚀模型研究中的热点问题之一。该文针对流域三维地貌所具有的明显各向异性和三维立体特征,根据多重分形理论,构建了基于GIS的流域三维地貌多重分形计算模型及其实现方法;并以此为基础,结合流域数字高程模型(DEM),计算分析了岔巴沟5个研究子流域的三维地貌多重分形谱及其主要参数,探讨了流域三维地貌多重分形特征及其流域地貌表征意义。研究结果表明,该文建立的基于GIS的流域三维地貌多重分形计算模型可实现流域三维地貌多重分形谱及其特征参数的直接量化;岔巴沟5个研究子流域的三维地貌具有显著的多重分形特征;流域三维地貌多重分形谱及其主要参数可以更加敏感、更加全面地对流域三维地貌的总体特征进行描述,能够分层次地刻画流域内部的精细结构,从而更加突出地表现异常局部地貌变化特征。该文研究成果为流域三维地貌复杂形态的科学准确量化研究提供了一种新思路和新方法。     

基于GIS的次降雨分布式土壤侵蚀模型构建——以晋西王家沟流域为例

利用野外试验小区观测与人工模拟降雨资料，在定量分析羊道沟小流域坡面—沟坡—沟道侵蚀产沙关系基础上，建立了羊道沟小流域侵蚀产沙模型。借助GIS技术，将王家沟小流域划分为40个沟间地、40个沟坡地及它们组成的40个子流域和一个输水输沙通道。通过对比分析每个子流域降雨、地貌、治理、植被覆盖、耕作措施和土壤6个主要侵蚀产沙影响因子与羊道沟小流域各因子的关系，得到王家沟各子流域相对于羊道沟小流域侵蚀产沙模型相应参数的修正系数，结合王家沟流域主沟道泥沙输移关系，建立了王家沟流域次降雨分布式侵蚀产沙模型。利用王家沟流域1963-1968年22次天然降雨资料，对模型进行检验，结果较为理想，预测精度达到55％。     

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。     

基于归一化植被指数的流域植被覆盖分形维数研究

量化和表征植被覆盖空间分布的复杂性是研究植被与地表物质迁移关系的重要问题。为研究植被覆盖分形维数的表征特点及其在不同尺度上的变化特征,该文基于地理信息系统平台,利用分形布朗运动理论,结合像元归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)的空间分布,提出并计算了植被覆盖分形布朗运动(fractional brownian motion,FBM)分形维数。结果显示,流域植被覆盖的空间分布具有统计自相似性,可用分形维数表征,其值在2.5~3之间,越接近2.5,表示植被覆盖空间分布越复杂。植被覆盖FBM分形维数与流域内均值化NDVI值和NDVI值的变异系数无直接关系,与单位面积不同NDVI值的像元数呈极显著负相关(R=0.66,P0.01)。植被覆盖FBM分形维数具有尺度效应,随流域面积增大而增大,到一定尺度后趋于平稳。流域植被覆盖FBM分形维数能够克服NDVI像元点奇异值等对植被空间分布量化表征计算的干扰,相对传统表征植被覆盖的指数,其在水文、土壤侵蚀等模型中具有更广泛的应用意义。     

黄土丘陵区淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移特征

了解淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移的变化特征对正确认识和评价淤地坝的减蚀作用有重要意义.该文通过对黄土丘陵区王茂沟流域1953-2015年不同时段内淤地坝的拦沙量和流域出口输沙量的分析,研究了坝系建设后泥沙拦蓄、输移和侵蚀的变化过程与特征.研究表明,王茂沟流域年均拦沙模数呈减少-增加-再减少的波动变化趋势;流域年均输沙模数呈先增加后减少的变化趋势;1953-1986年期间,不同阶段的年均侵蚀模数变化不大,1987年后呈显著下降趋势.流域治理后期与初期相比,年均拦沙模数、输沙模数和侵蚀模数分别下降了79.3％、90.6％和83.9％.淤地坝建设初期,有效库容对流域拦沙模数和输沙模数的变化有重要影响,侵蚀性降雨频发和较低的水土流失治理度是侵蚀强烈的主要因素;流域治理后期,侵蚀性降雨及其发生频次的减少,水土流失治理度的提高与稳固,是流域拦沙、输沙和侵蚀产沙显著下降的主要原因.淤地坝在控制流域侵蚀产沙、减少泥沙输移方面作用显著,但要达到持续有效的作用,坡面治理不容忽视,两者兼顾是黄土丘陵区水土保持的必由之路.     

不同尺度下冻融作用对东北黑土区产流产沙的影响

通过对东北黑土区坡面8年和小流域7年的降雨产流产沙过程观测,对比每年受冻融作用影响的降雨和其余不受冻融作用影响的降雨产流产沙的特征,研究冻融作用在坡面和小流域尺度上对东北黑土区产流产沙的影响,为东北黑土区在冻融作用下多尺度土壤侵蚀定量评价及其转换模型的建立提供科学依据。结果表明:冻融作用减小了坡面和小流域的产流,径流系数分别减小0.07和0.03,坡面产流延迟71.7%,而小流域无明显延迟。坡面和小流域土壤流失量、土壤可蚀性K值及含沙量均显著增加,更易在较小降雨侵蚀力下产生较大流失量;与不受冻融的降雨事件相比,受冻融影响的降雨事件因径流减弱,在相同降雨量下的侵蚀量低,而在相同径流深下的侵蚀量高。冻融作用在径流较小时对坡面细沟的发育及产沙影响明显,在径流较大时对小流域切沟中松散堆积物的搬运及产沙影响明显。     

黄土高原小流域水力侵蚀模拟试验设计与验证

针对目前黄土高原小流域室内物理模拟试验结论不能很好地定量推广到野外实际流域开发工作中去的问题，该文基于降雨、径流及入渗的水动力学原理，利用相似论较完整地给出了一套可对黄土高原小流域降雨径流进行模拟试验研究的一种设计方法和模拟试验技术。验证结果表明，在正态条件下，满足几何相似、降雨相似、水力侵蚀产沙、输沙相似及床面变形相似等条件下所建造的黄土高原延安燕沟康家圪崂小流域模型，采用几何比尺为100时，其降雨、汇流、产沙、输沙是基本符合实际情况的，可以作为该流域治理水土流失、优化治理方案，寻求水土资源高效利用措施的工具。