基于能量转换的地貌单位线计算方法及应用

该研究基于能量转换原理构建汇流模型,针对中小河流汇流参数确定困难、汇流计算准确度低的问题,分析流域内水质点能量的空间分布,采用将重力势能转化为动能的方式估计地表水流速度,计算空间流速场并提取地貌单位线。采用分辨率30 m×30 m的数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）数据,将湖南省竹溪坡流域划分为57个计算单元,分别采用能量转换法和坡度雨强法提取了地貌单位线。构建了研究区的分布式模型,其中产流计算采用新安江模型,坡面汇流采用地貌单位线模型,河网汇流采用马斯京根法,对竹溪坡流域36场降雨径流过程进行模拟。采用统计方法分析汇流参数,对参数的取值范围进行了评估。结果表明,与坡度雨强法相比,基于能量转换方式的洪水模拟结果中,峰现时间误差不超过1 h的场次比例由30.5%提高到83.3%,确定性系数不低于0.9的场次由9场提升至17场,平均确定性系数达到0.89,显著提高了模拟精度。通过对断面流速进行统计分析,评估竹溪坡流域汇流参数取值范围为[0.008, 0.014],当参数在此区间浮动时,确定性系数不低于0.9的场次比例为44%～50%,与率定得到的结果接近。该方法物理意义明确,参数可以通过率定或者测量方式确定,为无资料地区汇流规律研究提供了一种可靠思路。     

水文地貌关系正确DEM的建立方法

 水文地貌关系正确DEM(hydrologically correct DEMs,Hc-DEM),是指符合水文地貌学基本原理,正确反映水文要素(水流方向、水流路径、水系网络、流域界线等)与地貌特征发生和位置关系的DEM。区域尺度水文和土壤侵蚀等研究中,地形因子参数只能利用DEM来提取,为了准确反映地面形态,有效提取地貌和水文特征因子,建立Hc-DEM是必需的。笔者对Hc-DEM的概念、建立方法进行了讨论和介绍;以黄土高原为例,提出了利用多种比例尺数字地形图和ANUDEM软件建立DEM的关键参数;通过与TIN方法建立的DEM的比较,对所建立的DEM进行了简要评价。研究表明,利用我国已有的数字地形图和ANUDEM软件,可以建立Hc-DEM,为流域水文和区域尺度水土流失定量分析模拟、区域尺度植被适宜性评价等研究提供更加直接的数据支持。     

基于DEM的黑龙江宾州河流域水系提取试验研究

基于数字高程模型(digital elevation models,DEM)提取河网及相关流域信息是数字水文研究中的热点问题。以东北黑土区宾州河流域为研究区域,采用5m分辨率的DEM作为研究数据,运用ArcGIS9.2中的Hydrology水文处理工具包(Arc Hydro Tools)提取研究区河网特征。研究结果表明,分别采用0.75,1.25,2,2.5,3.75和5km2的集水面积阈值提取流域河网特征时,不同集水面积阈值对确定主河道的空间位置影响较小,但提取的数字流域河网特征会发生较大变化。基于河网密度与集水面积阈值及河源密度与集水面积阈值的关系探讨了适宜的集水面积阈值确定方法,发现取集水面积阈值为2km2时提取的河网特征与实际水系特征基本吻合,精度达95%以上。因此,基于Arc Hydro Tools的流域特征自动提取是切实可行的。     

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。     

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。     

基于机器学习的沟谷地貌识别模型对比——以黄土高原典型流域为例

探索沟谷地貌空间分布与环境控制特征之间的联系并构建沟谷地貌准确提取模型,对大尺度范围沟谷提取具有重要意义。基于人工提取黄土高原典型流域沟谷地貌样本,结合不同时期的Landsat8 OLI影像数据和DEM数据,建立随机森林模型确定黄土高原沟谷地貌提取最佳影像时期和最佳组合特征,基于最优模型参数,对比其与支持向量机和人工神经网络沟谷提取模型效果,验证模型泛化能力。结果表明:(1)黄土高原沟谷提取的最佳影像时期为12月,最佳组合特征集为Red、Blue、H、SWIR1、PNT、Coastal、GLCM4和NIR;(2)3种方法提取测试区域的沟谷空间分布一致,从定性和定量角度进行比较,随机森林模型提取效果最好,验证样区平均总体精度为80.48％,相较于支持向量机模型和人工神经网络模型分别提高4.00和8.63个百分比;(3)测试区域中,沟谷地貌面积约占总面积的56.91％,且呈现西北至东南方向逐渐集中的特点。研究表明随机森林模型在黄土高原地区高精度沟谷地貌识别研究中综合表现最佳,可大范围推广。     

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。     

基于轮廓不同的DEM对宁波市姚江流域平原河网的提取研究

[目的]针对目前基于DEM提取平原河网所遇到的困境,采用新的视角提取平原河网,为完善水系自动化提取方法研究提供依据。[方法]采用Acr Hydro Tools和SWAT工具在轮廓不同的DEM下,对宁波姚江流域进行河网提取和流域确定。再以提取后的流域总面积与河流总长度为定量分析的主要指标,用相对误差公式、河网套合差公式和Visual Similarity Duplicate Image Finder软件进行综合评价与误差分析。[结果]在真实河网辅助下,Acr Hydro Tools与SWAT均是在规整型DEM基础上的提取效果很差。在临近型DEM上所提取的河网、流域和流域总出口与实际相符且精度、相似度都很高。[结论]用Acr Hydro Tools和SWAT两种工具提取流域水系都是可取的,但SWAT更加便捷;不同轮廓的DEM以及其是否与流域总出口相切会极大地影响河网提取的质量。     

关川河流域数理地貌分析

<正> 流域地貌数理分析,是用数学方法分析和描述流域地貌形态,揭示其地貌特征规律,通过建立数学模型,预测流域地貌发育演化趋势的。它对指导水土保持治理实践具有重要的意义。 为了从水文网形成的观点来界定小流域,确定其面积范围,给出流域地貌形态特征值,找出流域的自相似性和规律性,本项研究应用美国霍顿-斯特拉勒(R·     

小流域侵蚀地貌演化的计算分析

通过对杏子河流域内22条小流域沟谷纵剖面和斯特拉勘（Strahler)曲线的信息熵计算，表明流域沟谷纵剖面处理均衡状态，但流域地貌处于壮年期状态，杏子河地貌演化与戴维斯（Davis)模型的不同点是地貌达准平原，就有内营力抬升作用，结果使地貌长期处于非平衡态。     

Quantitative analysis of morphometry on Ribb and Gumara watersheds: Implications for soil and water conservation

Morphometric analysis is a quantitative measurement and mathematical analysis of landforms. It plays a significant role in understanding the geohydrological characteristics of a drainage basin in relation to the terrain feature and its flow patterns. It also helps to estimate the incidence of infiltration and runoff, and other related hydrological character of a watershed like erosion and sediment transport which has a strong implication for natural resource conservation. This study has attempted to quantify the morphometric characteristics of Guna- Tana watershed for proper implementation of soil and water conservation practices. ASTER (DEM) was used for extracting morphometric parameters. The watershed covers a total area of 3601.5 km² and it has a basin length of 78.89 km. It has been tried to generate morphometric parameters which account basin drainage network, geometry, drainage texture, and relief characteristics together with hypsometric characteristics. The morphometric analysis of drainage density of the study watershed is 0.49 km/km² which indicates the basin is highly permeable and result with better underground water storage capacity. Ruggedness number is 0.02 that implies the area is less prone to soil erosion. In addition, it has stream frequency of 0.32 and form factor 0.57 which indicates slightly elongated basin shape. Comparative analysis of its sub watersheds Gumara and Ribb was also undertaken. Therefore, practicing soil and water conservation in the watershed could enhance/strengthen the water storage capacity, prevent sediment loss and related natural resource from the watershed that rehabilitate its productivity.     

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.     

GIS支持下岷江上游水文特征空间分析

流域水文特征的提取与分析不仅为水文过程模拟提供重要参数,而且是研究水土流失和制定防洪减灾措施的基础依据。以岷江上游90 m分辨率的DEM数据为基础,利用GIS手段提取了分水岭、流域面积以及河流长度等河网基本信息,并对流域内的干流和主要支流的河网密度、河道纵剖面等特征进行了定量分析。又据1982-1987年间岷江上游地区的21个雨量站的降水资料和同时期8个水文站的逐年径流量数据,对该流域及其主要子流域的径流系数进行了计算。结果表明:岷江上游流域的平均径流系数为0.77,各子流域的径流系数从北面镇江关流域的0.55递增至南面姜射坝水文站以下流域的0.88。流域的河网密度为0.172 km/km2,其各子流域变化范围为0.165~0.177 km/km2。干流河道平均比降为9.7‰,自北向南分布的5条支流的纵剖面凹曲度和比降均呈增加趋势,且主河道剖面形态受构造运动影响显著。     

基于DEM的密云水库上游流域特征提取与分析

以北京市密云水库上游流域的等高线为基础数据,利用软件ArcGIS生成DEM,提取研究区的坡度、坡向和河网水系等,并进行河网分级和子流域划分,对子流域特征进行系统的统计分析。结果表明:研究区高程范围为130～1 695 m,500～1 000 m的高程区间占总面积的55.93%;有68.53%的区域坡度在25°以上,存在潜在强烈侵蚀风险;流域阴向坡与阳向坡比例接近1∶1;流域河网可分为9级,流域可划分为16个子流域。在河网密度、形状系数、河道弯曲系数、河道比降等流域特征参数分析的基础上,获得各子流域的土壤侵蚀强度和汇流调蓄能力。研究结果可为小流域规划和水文模型建立提供参考。     

DEM水平分辨率对流域特征提取的影响分析

在基于数字高程模型（DEM）的流域地形分析中,栅格DEM的分辨率对分析结果具有很大的影响。以舒城县内面积为7.9 km²的龙潭小流域作为研究区域,分别对分辨率为5 m×;5 m～50 m×;50 m的10幅DEM数据进行流域特征提取和分析,计算地形指数并分析其分布特征。研究表明:在小流域尺度上,DEM分辨率的变化对流域面积、最长河道长度等参数影响不大,对河道总长度、河网密度及平均坡度等参数有较大影响,对流域特征的提取影响规律为DEM分辨率越低,提取的流域特征越粗糙;且分辨率低于15 m的DEM计算出的地形指数值较为离散、概率分布曲线形状较之5 m分辨率DEM的地形指数概率分布曲线有明显不同,表明分辨率低于15 m的DEM对小流域水文地形信息的反映较差,为小流域尺度水文模型DEM数据适宜分辨率选取提供一定的理论依据。     

宁南山区雨水集蓄利用模式与技术集成研究

在GIS技术的支持下应用SCS模型，以黄河下游支流洛河卢氏水文站以上流域为研究区，基于1：250000DEM和1：1000000DEM对1992—2000年的流域径流量进行了模拟，研究了径流模拟对DEM分辨率的敏感性，结果表明1：250000DEM的模拟值比1：1000000DEM为高。由不同分辨率的DEM得到流域面积、河网结构、高程等空间参数相差较小，而坡度相关的变化较大。根据SCS模型敏感参数Cn，从坡度参数变化角度分析了不同分辨率的DEM对流域径流量影响。     

基于DEM的废弃矿山小流域地形特征分析

以北京市某废弃采石场的小流域地形为研究对象,对分辨率为0.3～7 m的栅格DEM分别进行小流域参数和地形参数的提取和分析.结果发现,利用不同分辨率DEM提取的河网形态结构有显著差异,网格尺寸7,4和3m的河网结构与2,1,0.7,0.5,0.4和0.3m的河网结构有显著差异,二者主河道位置变化明显,但流域面积、河道长度及比降、平均坡度和高程参数相差不大,而河道总长度和河网密度参数相差较大.根据分析结果确定DEM的比较适宜的分辨率为0.5m,在此基础上利用主成分分析法得出高程和坡度为主成分.对研究区设置20°,25°,30°和35°的4个不同坡度的标准径流小区,观测日降雨量、坡度、径流量和土壤侵蚀量并分析和计算它们之间关系式,计算出整个流域在不同坡度分级及不同雨量级的平均径流量和土壤侵蚀量.研究成果对于废弃矿山修复和生态重建具有参考价值.     

基于DEM的水系提取及集水阈值确定方法研究

[目的]确定适宜的集水阈值,使自动提取的水系河网与实际河道相符。[方法]以DEM数据为基础,利用ArcGIS水文分析模块对研究区流域河网水系进行自动提取,基于河网密度与集水阈值的相关性,在已提出的拟合函数一阶导数求转折点、二阶导数求拐点法确定集水阈值的基础上,以龙川江流域为例,提出求解河网密度变化率等于集水阈值变化率的数值方法,得到适宜的集水阈值。[结果]通过设置不同集水阈值生成河网,发现不同集水阈值对主河道长度及地理空间位置影响较小,但对提取的河网特征影响较大,最终确定龙川江流域集水阈值设置为0.12km2为宜。[结论]集水阈值的确定影响着河网提取的精度,通过变化率确定集水阈值的方法主观因素较少,避免了人为干扰,相对客观,可对区域水土流失监测提供一定依据。     

基于RS和GIS的黄土丘陵沟壑区浅沟侵蚀地形特征研究

为了解黄土高原浅沟侵蚀地形特征,基于Qucickbird高分辨率遥感影像和数字高程模型,提取了坡面浅沟及其地形参数,并对浅沟侵蚀的地形特征参数和分布规律进行了统计分析,结果表明：黄土丘陵沟壑区,坡面坡度、长度、坡向以及上坡长度是影响坡面浅沟数量的主要地形要素,而浅沟侵蚀地形特征主要由坡面坡度、坡面长度、上坡长度和汇流面积共同决定;坡面长度与浅沟平均长度呈显著线性关系,坡面坡度与浅沟频度、浅沟坡度与其上坡长度间则均满足二次曲线;发生浅沟侵蚀的上限与下限临界坡度分别介于26～27°和15～20°,临界坡长介于50～80 m;由浅沟坡度的正弦值与汇流面积确定出浅沟分布的临界曲线;阳向坡面的平均浅沟长度小于阴向坡面。基于RS和GIS技术能有效确定浅沟侵蚀地形特征,为黄土区坡面水土流失治理提供了技术支撑。