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。     

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。     

黄土高原燕沟流域生态环境建设模式及效益研究

简要介绍了燕沟流域自1998年以来生态系统恢复的进程，其中包括生态农业建设模式、植被恢复重建措施等，并对生态建设过程中社会经济以及生态环境效益进行了分析。结果表明了燕沟流域在综合治理措施配置、生态农业建设模式选择的合理性，同时也为黄土高原的生态农业建设提供了科学依据和示范样板。     

鲁家街流域侵蚀沟治理与开发

鲁家街流域属半山丘陵黑黄土区,侵蚀沟发育迅速。据调查分析,地形,土壤是该流域侵蚀沟发育的主要因素。通过对坡长,抗剪强度的力学分析,计算出该流域临界坡长为２５ｍ￣１５０ｍ;土体临界高度为４ｍ￣５ｍ,为流域综合防治措施了宝贵的资料。鲁家街流域通过对侵蚀沟的治理开发,不仅有效地控制了侵蚀沟的发育,减少了水土流失,而且促进了水土保持产业化和农业的持续发展。     

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。     

流域地貌系统定量研究的新指标

简要介绍了分形基本理论,着重讨论了流域地貌系统定量研究的指标,水系分维的计算方法,水系分维区域划分原则及其应用含义。     

祖厉河流域水系分维与地貌发育阶段浅析

根据Horton-strahle水道序列划分原则,采用数学模型,对黄河上游水土流失严重的祖厉河流域进行分析计算,得出该流域水系分维及其主河道分维,并确定了其流域发育阶段,为同类型区的小流域水系分维计算、地貌发育阶段的确定和水土保持工作提供可操作性强的方法。     

燕沟流域农田基础肥力分析与培肥途径

黄土丘陵区燕沟流域农田基础肥力水平低下,特别是近几年新修的梯田,土壤有机质、全Ｎ、水解Ｎ,速效Ｐ和阳离子量代换量都处于很低和低等水平,速效Ｋ为中低程度,土壤酶活性也很低。坝地土壤养分和酶生相对梯田较高,但大多也只处于中低水平,是影响农作物产量和限制农业发展的主要因素。土壤肥力水平提高的根本途径在于大量有机肥力的投入、农作物秸秆还田和增加养地作物种植面积来增加土壤有机质的含量。     

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。     

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。     

延安燕沟流域次降雨泥沙来源分析

延安燕沟流域属于水土流失治理的重点区,退耕还林（草）措施引起的生态环境改善和经济发展带动的山区道路建设压力对本地区侵蚀环境和侵蚀动力机制产生了巨大影响,坡面水土流失与道路水土流失对比关系发生了新变化。在坡面侵蚀得到初步治理的新环境下,道路侵蚀则上升为主要地位。依据燕沟流域2005年7月2日的5年一遇暴雨引起的不同土地利用类型下的侵蚀产沙监测结果,结合流域卡121站测得的流域产沙总量,分析各土地利用类型产沙量对流域总产沙量的贡献,并依据流域土地利用的演变,反演林草植被恢复与道路建设对流域泥沙来源的作用。研究结果表明：在次降雨条件下,道路的产沙强度为支道山路500t／km^2、干道山路3163t／km^2、运油道路1万3500t／km^2,而农、林、草地的产沙强度为6．184t／km^2;道路产沙强度远大于农、林、草地的产沙强度：占流域面积1％的道路产沙量占总产沙量的42．3％,占流域面积70．5％的草地、灌木林地产沙量仅占流域的26．7％。退耕还林（草）措施使流域坡面产沙量大为降低,流域产沙量减少41．2％,但由于道路产沙量增加,抵消了减沙效益的58．0％,因此,黄土丘陵区植被恢复后,应将水土流失治理重点放在防止道路侵蚀方面。     

黄土高原燕沟流域生态环境建设模式及效益研究

简要介绍了燕沟流域自1998年以来生态系统恢复的生态农业建设模式、植被恢复重建措施等,并对生态建设中社会经济以及生态环境效益进行了分析。结果表明燕沟流域综合治理措施配置和生态农业建设模式选择合理,为黄土高原的生态农业建设提供了科学依据和示范样板。     

黄土丘陵区燕沟流域水土流失治理的水沙效应

黄土高原大规模的生态恢复必将对水土流失区的生态环境产生深刻影响,其流域尺度的水文效应对理解生态环境响应尤其重要。通过对延安燕沟流域1998-2010年的生态系统恢复进程及其流域水沙变化过程耦合分析表明:燕沟流域治理后径流泥沙发生了深刻变化,尽管流域总径流仍随降雨波动,但洪水径流显著减少,径流中泥沙含量迅速减少,总输沙进一步减少。这种变化趋势与流域进行的治理措施、治理阶段吻合;梯田、坝地等工程措施使得流域径流显著减少,林草植被恢复使得径流减少的同时,径流含沙率减少幅度更大。工程措施配以植被措施基本可以做到泥不出沟。因此,黄土丘陵区治理流域应该生物措施与工程措施并重,达到控制水土流失的目的。     

黄土高原坡改梯综合效益分析——以燕沟流域为例

 退耕坡地是近年来黄土高原整治生态环境和控制水土流失的关键措施,但对于如何退耕,学术界存在多种不同观点,实践方面存在多种不同模式。以延安燕沟流域坡改梯为例,利用2005年延安站的逐日气象数据和燕沟流域地貌、土壤及土地利用等资料,借助WIN-YIELD软件,对不同地形坡度条件下坡改梯在作物增产、保水减沙效益以及燕沟流域坡改梯实践效果进行模拟、对比和实证分析。结果表明:地形坡度越大,坡改梯作物增产、保水和减沙效益越显著;坡度小于5°的坡耕地可以不进行梯田改造,坡度大于15°的坡耕地应及早实施坡改梯或退耕还林(草)。     

次降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征

采用室内人工模拟降雨试验,设计试验坡度为10°、15°、20°、25°,降雨强度为90和120 mm/h,坡长为5和7m,研究不同降雨条件下降雨过程中侵蚀泥沙分形维数的变化特征。结果表明:1)侵蚀泥沙分形维数与黏粒、粉粒体积分数呈极显著正相关,与砂粒体积分数呈极显著负相关;2)侵蚀泥沙分形维数随降雨强度增强有减小趋势,受坡度、坡长影响变化规律不明显,在5 m坡长条件下,侵蚀泥沙分形维数随着降雨历时的延长有先降低后升高趋势,7 m坡长条件下,10°、15°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数随降雨历时变化规律不明显,而在20°、25°坡度情况下,侵蚀泥沙分形维数有随降雨历时增大趋势;3)坡度为10°的条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显小于细沟出现前,在坡度为15°、20°、25°条件下,细沟出现后侵蚀泥沙分形维数明显高于细沟出现前。     

降雨侵蚀力与东北黑土区典型小流域侵蚀沟发育关系研究

降雨是东北黑土区侵蚀沟发育主要动力因素,土壤、地形、地貌等下垫面因素地域性分异造成降雨对黑土区侵蚀沟发育的影响具有一定差异性,降雨侵蚀力是衡量降雨侵蚀能力的重要指标,与侵蚀沟的发育密切相关,选取3个典型小流域为研究对象,利用差分GPS实地测量获取侵蚀沟2013年雨季发育数据,计算各流域2013年雨季降雨侵蚀力,分析不同流域降雨侵蚀力与侵蚀沟发育的关系。研究发现,降雨侵蚀力对光荣、吉兴流域侵蚀沟发育影响显著,对光荣流域侵蚀沟发育影响相对较弱,平均1 MJ·mm/(hm2·h)降雨侵蚀力造成光荣、吉兴、五一流域侵蚀沟长度增加0.001、0.013、0.025 m,侵蚀沟面积增加0.037、0.02、0.334 m2,侵蚀沟体积增加0.078、0.144、0.154 m3。     

黄土丘陵区果园生态经济耦合评价——以燕沟流域为例

黄土丘陵区东南部是我国最适宜的苹果栽培区之一。1999年国家实施退耕还林政策以来,该地区通过退耕坡地和扩大优质苹果栽培面积,取得了生态和经济双效成果。为探究黄土丘陵区果园在水土保持和增加农民收入方面的双效功能,以延安燕沟流域为例,通过样地测量和构建评价模型,从果树树冠盖度、果园地表特征以及土壤侵蚀和果品经济收入等方面评价了果园的生态经济耦合状况。结果表明:(1)燕沟流域的果园主要分布在地形坡度大于15°的坡地上,占流域果园总面积的比重高达79.06%。果园收入已成为农民现金收入的主要来源,2006年来源于果园的收入占农民现金收入的比例高达59.49%。(2)果园与森林(有林地)在水土保持方面至少具有同等的功效。流域果园树冠平均盖度达0.81,果园鱼鳞坑面积及其可控制坡面面积占果园面积的比例达38.96%。(3)果园的生态经济耦合指数与年侵蚀性降雨量的变化趋势一致,侵蚀性降雨量越大,果园单位产出付出的土壤侵蚀代价越高;果园单产越高或苹果市场收购价格越高,其生态经济耦合指数越低,生态经济耦合程度越好。     

基于7Be示踪和细沟沟网分形维数研究坡面土壤侵蚀

本文试图结合7Be示踪和分形理论定量化描述降雨对坡面的侵蚀过程。7Be示踪结果显示,降雨初期,坡面细沟间侵蚀贡献率高,细沟侵蚀贡献率低,随着降雨的进行,细沟间侵蚀贡献率降低,而细沟侵蚀贡献率增大并处优势,在降雨后期,细沟间侵蚀贡献率又有增大的趋势。整个降雨过程坡面细沟沟网分形维数整体呈增大趋势,在细沟发育中前期增加快,后期增加变缓,中间有波动。细沟沟网分形维数与总侵蚀量和细沟侵蚀量均呈正相关,分维变与相对应总侵蚀量和细沟侵蚀量也均呈正相关,但与细沟侵蚀量的相关性最好,说明细沟沟网分形维数可表征细沟发育过程和坡面侵蚀强度的变化。     

天水市罗玉沟流域降雨量和降雨侵蚀力变化特征研究

为给流域水土流失风险评估和防治等提供可靠有效的参考依据,根据2016—2020年罗玉沟流域内的17个雨量站的日连续实测降雨数据,运用日降雨量数据进行了降雨侵蚀力风险评估,分析了该区域降雨量及降雨侵蚀力的变化规律。结果表明：罗玉沟流域降雨侵蚀力与降雨量关系呈现出较为显著的正向相关性,决定系数R²=0.852 1;罗玉沟流域及各雨量站的年内降雨侵蚀力和降水量分布不均,呈现单峰型趋势,8月是峰值拐点,过8月后逐渐下降;流域侵蚀性降雨量占总降雨量的比例总体呈上升趋势,且降雨量、侵蚀性雨量和降雨侵蚀力年际总体呈波动上升趋势,三者之间保持一定的相关性。     

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。