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。     

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。     

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。     

砒砂岩区小流域场次洪水产流产沙特征

我国砒砂岩区属于多营力复合侵蚀区,其中水力侵蚀是各侵蚀物质输移的主要载体。选取位于裸露砒砂岩剧烈侵蚀区的二老虎沟小流域为研究区探讨砒砂岩区小流域场次洪水产流产沙特征,细化区域水蚀过程。2018年8月采集了小流域两层泥沙沉积旋回样及对应的侵蚀物质来源,结合泥沙沉积旋回样对应的降水、径流、泥沙数据进行了分析。以洪峰所在时间将两次洪水事件命名为20180716(1号)和20180719(2号)。结果表明:流域雨前土壤含水量及雨型差异是决定流域产流开始时间和初损量的主因。1号洪水径流量、输沙量分别为2号洪水对应的该值的2.7倍及3.4倍。粉粒、中砂粒、细砂粒为二老虎沟小流域坝地沉积旋回样的主要粒径,占比达70%。两场次洪条件下小流域泥沙淤积状况存在差异,与1号洪水的沉积旋回样相比,2号洪水的沉积旋回样粒径粗化。黏粒、粉粒、极细砂粒占比减少,细砂粒、中砂粒、粗砂粒的含量增加。利用Weibull分布拟合了二老虎坝地泥沙沉积旋回主要物质来源(地表覆土及裸露砒砂岩)的理论分布曲线,在此基础上根据最小二乘准采用差分进化算法求得沉积旋回层的物质来源比例,结果显示砒砂岩为两场洪水沉积旋回样中的主要侵蚀运移物质。     

砒砂岩不同类型区土壤氮磷养分特征

砒砂岩区生态环境脆弱，侵蚀剧烈，研究不同类型砒砂岩区土壤氮（N）、磷（P）养分特征，可为该区的植被恢复及生态修复提供理论依据和数据支撑。该研究以内蒙古准格尔旗什布尔太沟裸露区、二老虎沟覆土区和特拉沟覆沙区为研究对象，根据流域长度分别在什布尔太沟、二老虎沟和特拉沟的沟口至沟头处，各选5、8和4个断面，共计17个土壤断面，于各断面不同坡位，采集共计153个样点的土样，测定0～20 cm土层全氮（Total Nitrogen，TN）、氨氮（Ammonia Nitrogen，AN）、硝态氮（Nitrate Nitrogen，Ni）、全磷（Total Phosphorus，TP）及速效磷（Available Phosphorus，AP）含量。结果表明：1）砒砂岩土壤TN含量0.24～1.39 g/kg、AN含量5.07～30.70 mg/kg、Ni含量0.76～5.87 mg/kg、TP含量0.10～0.57 g/kg及AP含量0.97～7.63 mg/kg。2）覆土区土壤N、P养分平均含量最高，覆沙区次之，裸露区最低；同类型区内土壤AN、Ni和AP含量相关系数较高，整体上速效养分间的相关性相对更强。3）同类型砒砂岩区，坡顶与坡底附近，土壤TN、AN、Ni、TP和AP含量相对较高；阴坡土壤AN、Ni和AP整体养分水平高于阳坡。综上，可根据砒砂岩不同类型区不同坡位土壤N、P养分特征，因地制宜地进行植被恢复，遏制该区水土流失强度，促进砒砂岩区生态系统修复。     

砒砂岩区小流域坡沟系统地形及侵蚀分异规律

作为黄河流域典型生态脆弱区之一的砒砂岩区,水土流失治理难度大,区域地形、侵蚀在坡沟系统的分布迥异。区域土壤侵蚀研究多集中于刻画侵蚀空间分布及不同地类差异性研究,从坡沟系统细化开展研究工作较少,不能较好地为后续精细化治理提供支撑。因此,选取位于准格尔旗的3个典型砒砂岩区小流域,结合目视解译的流域沟沿线,开展了流域地形、水力侵蚀分布规律及其关联性研究。结果表明:流域地形因子分布特征与地貌特征分布一致,高值集中分布在沟道,低值则集中在坡面,且特拉沟小流域(覆沙)沟道处的地形因子统计值最大;砒砂岩典型流域水力侵蚀在坡面、沟道空间分布存在差异,流域坡面以微度侵蚀为主,占比达87%~97%,沟道微度侵蚀占比较坡面该值下降54%~72%,什卜尔泰支沟(裸露)沟道处的水力侵蚀模数均值最高,达97.5 t/(hm²·a);坡度、地表粗糙度、地表切割深度与水力侵蚀模数呈显著正相关关系(p<0.001),阳坡成为强度侵蚀以上单元的主要分布坡向,占比达56.8%~75.8%。因此,该区在后续小流域综合治理过程中,沟道及其阳坡是亟待加强的区域。     

砒砂岩区不同侵蚀程度表土多重分形特征与持水特性关系

以砒砂岩区鲍家沟流域不同侵蚀程度的表层土壤(0～20 cm)为研究对象,运用多重分形和典型相关分析相结合的方法,研究土壤粒径分布特性与土壤持水能力的相互关系。结果表明:(1)砒砂岩区不同侵蚀程度土壤粒径分布介于2.13～2390μm,砂粒含量远高于粉粒和黏粒,随着侵蚀程度的加剧,土壤砂粒含量增加;(2)广义维数谱D(q)呈"Z型"递减曲线,且D_0D_1D_2,土壤颗粒分布存在明显的非均匀性,可以通过多重分形对其进行描述;(3)土壤总孔隙度介于33.07%～46.20%,随着侵蚀程度加剧孔隙度和持水量呈下降趋势。土壤颗粒多重分形特征与持水能力存在正相关关系,其中通气孔隙度和颗粒分布关联维数在交互影响过程中起引导作用。     

黄土丘陵沟壑区多尺度地貌单元输沙能力及水沙关系

以黄土丘陵沟壑区裴家峁沟为原型观测流域,利用流域内相互嵌套的全坡面径流场、水文站网等观测设施,定量研究黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙关系和输沙能力特征。结果表明:1)坡面尺度地貌单元的径流深和输沙模数在多年平均时间尺度上均大于流域尺度地貌单元。当地貌单元空间尺度达到流域尺度时,多年平均径流深随着流域尺度增加而增加,输沙模数与流域面积之间存在着负相关关系。但在次降雨条件下,不同空间尺度地貌单元径流深和输沙模数峰值可能出现在全坡面、桥沟一支沟、桥沟或裴家峁沟。2)不同空间尺度地貌单元水流输沙能力随着空间尺度的增大而减少,相对于裴家峁沟,全坡面径流场、桥沟一支沟和桥沟的单位水流功率含沙量分别是裴家峁沟的186、77和58倍。3)不同空间尺度地貌单元径流量与输沙模数的水沙关系表现出较好的线性关系,且径流量与输沙模数关系随着空间尺度增加更为密切,但随着空间尺度增加,径流量和输沙模数的水沙关系曲线斜率急剧减小。研究成果可为水土流失空间尺度效应及尺度转换的研究提供科学依据。     

胶东半岛丘陵区冲沟沟长曲折度分形研究

冲沟沟长的分维数和分形曲折度是表征沟道形态复杂程度的重要指标。以栖霞市庵里水库西缘流域为研究区,基于SA地形指标模型阈值法提取冲沟系统,测算冲沟沟长盒维数,研究地形参数同冲沟沟长分维和沟长分形曲折度间的相关性,并建立模型模拟沟长分维数及分形曲折度,并对模型进行检验。结果表明:(1)流域内沟长分维数和曲折度同平均坡度、地表粗糙度、剖面曲率和沟壑密度具有极显著的线性关系,沟长分维数和沟长分形曲折度可以作为评价区域地形形态特征的综合指标。(2)建立了沟长分维数和曲折度单因子模拟模型,其中沟壑密度单因子模型,模拟沟长分维数和分形曲折度的相对误差分别为0.007 8%和0.025 2%,精度高,可用于冲沟沟长分维数和曲折度的快速估算;坡度、剖面曲率、地表粗糙度构建的单因子模型模拟精度相对较低。     

裸露砒砂岩区小流域土壤侵蚀空间自相关特征及影响因素

[目的] 研究裸露砒砂岩区小流域土壤侵蚀空间自相关特征及影响因素,为科学指导植被建设,减轻入黄泥沙提供理论指导。[方法] 以裸露砒砂岩区鲍家沟小流域为研究对象,运用地统计学和灰色关联理论相结合的方法,研究裸露砒砂岩区小流域土壤侵蚀空间自相关特征及影响因素。[结果] ①研究流域土壤侵蚀模数具有显著的空间自相关性（Z值为136.87）,侵蚀强度高值聚集区主要位于基岩大幅出露的区域,低值聚集区主要分布在坡面。②以鲍家沟小流域为代表的裸露砒砂岩区典型流域,流域内的优势景观为裸露基岩景观,其次为大面积的沙棘林景观。③高值聚集区与斑块面积分形维数的关联系数最高（为0.774）,低值聚集区与坡度关联程度最高。[结论] 地形是导致植被景观破碎化并决定水力侵蚀强度的主要因素,而在地形平缓的地带,植被景观的联通程度则是限制水力侵蚀发生发展的主要因素。     

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。     

次降雨下砒砂岩坡面细沟形态发育及其对侵蚀产沙的影响

[目的]以水蚀剧烈的砒砂岩区裸露坡面为研究对象,分析次降雨下坡面细沟形态演变及侵蚀产沙特征,以期为坡面沟蚀发育演变及坡面水土流失治理提供理论依据。[方法]基于野外径流小区原位监测试验,采用三维激光扫描仪监测径流小区两个雨季13次自然降雨下细沟发育过程及产流产沙规律。[结果](1)小区内细沟发育过程分为4个阶段：跌坎发育—断续细沟—连续细沟—沟网形成;(2)细沟长度、宽度、深度及细沟体积、细沟密度、细沟复杂度均随着降雨的继续呈上升趋势,而细沟宽深比呈下降趋势;(3)研究区内中雨对细沟发育贡献最大,其发生频率为53.69%,对细沟形态的影响占比71.25%。[结论]细沟形态变化对产沙的影响较大,细沟出现后产沙量明显上升,产沙量与细沟发育过程对应关系较好,而对产流过程的影响有限,尤其细沟体积与产沙量及含沙量的相关性最强。     

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。     

砒砂岩区典型小流域表土有机质含量空间自相关格局及影响因素

以砒砂岩区鲍家沟小流域为研究对象,运用地统计学和灰色关联度相结合的方法,研究砒砂岩区小流域表土有机质的空间自相关特征及影响因素。结果表明:(1)砒砂岩区小流域表土有机质空间变异的半方差函数拟合模型为指数模型,块金效应值为60.66%,属中等程度的空间相关性,流域表土有机质整体呈沟底坡面山脊的规律。(2)全局空间自相关分析显示,表土有机质具有明显的空间自相关性(Z值为2.80),各向异性的空间自相关性与径流流向关系密切,局部空间自相关特征以高值聚集和低值聚集类型为主,存在少量的高低值聚集异常区。(3)高值聚集现象主要出现在流域中部的沟谷和乔木林地区域。低值聚集区集中分布在流域下部的裸露坡面区,异常区在流域的上部和下部均有分布,集中坡面草地。(4)土壤有机质空间自相关性与环境因子的灰色关联分析的结果显示,高值聚集区地形湿度指数的关联系数最高(0.498),低值聚集区坡位关联程度最高(0.489),高/低值异常区域土地利用方式关联程度最高(0.329)。地形因素是促使砒砂岩区小流域表土有机质高值聚集区形成的主导因素,土地利用能够干扰表土有机质高/低值聚集区的形成。     

冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面细沟微形态变化及其侵蚀特征

选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,基于野外径流小区冲刷试验结合三维激光扫描技术,研究3种流量(60,100,200 L/h)与4个坡度(5°,10°,20°,30°)组合冲刷下砒砂岩区坡面细沟形态演变特征及径流侵蚀产沙机制。结果表明:坡面细沟在坡下最先发育,随着冲刷流量和坡面坡度的增大而向上延伸;细沟出现的时间随着坡度的增加而缩短;10°坡面上细沟的形态表现为"宽浅型",最大宽深比为0.038,20°坡面细沟的形态为"深窄型",最小宽深比为0.017;随着冲刷强度和坡度的增加,细沟宽深比变小,而细沟数量、细沟密度、细沟复杂度、细沟割裂度等指标均增大。坡度和冲刷强度共同影响着坡面产沙率变化,随着坡度和冲刷强度的提升坡面产沙率表现为先增后减的趋势。细沟宽深比与坡面产沙量呈现极显著负相关(-0.935,P0.01),细沟密度与细沟割裂度与产沙量呈显著正相关关系(0.888,0.944,P0.01)。     

大理河流域地貌分形特征空间变异研究

以1：5万地形图为数据源,通过建立流域数字高程模型,采用基于变分法的分形维数计算模型和ArcGIS的窗口分析功能,对大理河流域中的10条子流域地貌分形维数进行了计算,分析了其空间变异特点。结果表明,大理河流域地貌分形维数从上游至下游呈明显增加趋势,右岸流域地貌分形维数平均值大于左岸,地貌分形维数较好地揭示了大理河流域地貌破碎程度和复杂程度的空间变异特点。本研究对于促进地貌分形维数在地貌学及水土流失预报等领域的应用研究具有重要意义。     

泥石流流域地貌形态的统计分形

流域面积、主沟长度和沟床比降等地形地貌要素,在泥石流的发育和形成中起重要作用,研究证明三者与泥石流沟分布之间存在非线性关系,具有明显的分形特征。回顾了泥石流流域地貌的分形研究,并通过大量的资料分析,对原来泥石流流域地貌的分维计算进行了改进,得到的分维结果更具有关联性。同时,建立了泥石流流域地貌的统计分形模型,对泥石流流域地貌分维的意义进行了详细论述。这为泥石流发育、形成和分布的非线性研究提供了一条定量化途径。