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天水罗裕沟流域土壤侵蚀时空格局模拟研究

作　者: 马金辉
导　师: 李吉均
学　校: 兰州大学
专　业: 自然地理
关键词: 土壤侵蚀模型侵蚀模数时空格局兰州大学模拟研究模拟结果土地利用类型博士论文侵蚀量侵蚀强度
分类号: P512.3
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

天水市北郊的罗裕沟流域地处陇西黄土高原丘陵沟壑区和陇南山地的交互地带，其气候、地貌和土壤侵蚀特点在陇西黄土高原具有一定的代表性和特殊性，进行该流域土壤侵蚀时空格局的模拟研究，不仅有助于理解该区域生态水文和土壤侵蚀的过程与耦合机制，也对当地制订水土流失和生态重建规划具有一定的实践意义。本研究利用罗裕沟近20年的观察资料，在GIS平台上，采用了统计和空间分析技术，基于USLE框架的经验模型和基于物理基础的WEPP模型，模拟了罗裕沟流域土壤侵蚀的时空格局，探讨了不同因子的参数赋值方法及其对模拟结果的影响，分析了罗裕沟土壤侵蚀时空格局的原因，提出了罗裕沟流域生态恢复和水土流失治理的参考方案。主要结论如下：1．本研究根据流体力学原理提出了适合本区域的降雨侵蚀力指标——降水动能，经过在径流场、小流域和中流域三种不同空间尺度，逐次、逐日和逐年三种不同时间尺度下与输沙量的相关分析，证明本研究提出的降雨侵蚀力指标比传统降雨侵蚀力指标更为有效，降雨动能是本区域土壤侵蚀的基本驱动因子；2．基于流域内降水量随地理位置和海拔高度而变化的特征，插值生成流域内汛期逐月的降水动能场。通过计算月尺度下流域内逐点降水动能与沟口输沙率的相关系数，来表示逐点降水动能对沟口输沙的相对敏感性，表明逐点侵蚀敏感性的空间格局与野外观察的、USLE和WEPP模拟的侵蚀强度空间格局相一致；3．将流域内各个空间单元看作流域输沙的有限源区，利用最优化算法建立了月尺度下逐点降水动能与沟口输沙率的非线性规划方程，依此方程中降水动能系数与降水动能乘积的累积值生成流域输沙贡献率分布图，显示输沙贡献最大的区域仍在流域中游，且主要是山坡上坡位置，这与其他方法得出的结论有所差别；4．在使用USLE及其改造版时，应用GIS可以快速实现地形坡度坡长因子的计算和区域土壤侵蚀的评估。将USLE模型中的降水因子改为本研究提出的降水动能后，可以提高模拟精度；5．从DEM中利用多种地形指标识别出沟沿线；基于将沟沿线作为侵蚀前地形表面的假设，计算获得沟谷逐点的深度，将其作为地质时期沟谷侵蚀强度的指标，该方法比单纯的沟谷密度法更好地表现了侵蚀强度的空间差异；6．WEPP模型能对常规侵蚀事件提供一个较好的预测结果，对强暴雨事件的模拟不够稳定，但当将逐事件模拟结果按年综合后，其结果和实测结果有一定的可比性，WEPP模型可用于罗裕沟流域多年降雨侵蚀时空格局的研究；7．模拟所用DEM的分辨率越高，模拟结果的空间分辨率提高，但在较大流域模拟时却存在很多困难。试验发现，22.5m的分辨率可以满足中等流域WEPP模型的应用需要。流域划分方案及从DEM中所获取沟系的详细程度影响着沟口输沙的模拟结果；8．沟道参数对模拟结果尤其对流域产沙、产水的影响很大，但不同级别的沟道对产水、产沙的敏感性不同，在桥子东沟流域1～3级支、毛沟的沟道参数对流域输沙的影响最为明显；9．WEPP模型对土壤的有效水文传导率非常敏感，在由土壤质地计算的有效水文传导率的基础上，根据土壤结构和土地利用情况，对有效水文传导率的调整可使模拟精度提高；10．罗裕沟流域土壤侵蚀的年际变化存在阶段性、周期性、弱趋势性和突变性4大特征。该流域土壤侵蚀存在三个明显不同的发展阶段，阶段性反映其存在一个6-8年的长周期，在高侵蚀高变幅阶段，侵蚀模数呈现出准三年周期特点；流域主要的侵蚀过程集中在6、7、8三个月，且主要发生于汛期少数几天的极端暴雨事件中；11．罗裕沟流域土壤侵蚀的空间分布具有很强的规律性。高侵蚀区出现在流域左岸中下游地区的谷坡区，其次出现在流域右岸的杂色土沟谷及其毛沟的谷坡上。在河流左岸基岩与黄土／杂色土区的交互地带存在一明显的强侵蚀带。高侵蚀区往往也是侵蚀时间变化的高敏感区。土地利用和地形坡度是控制罗裕沟流域土壤侵蚀空间格局的基本要素，而土壤等其它因素的作用则相对较小。12．根据国家退耕还林政策和罗裕沟流域土地利用现状，设计了三个土地利用优化结构条件下的情景模式，WEPP模拟表明，坡度大于25°基岩沟坡和坡度15～25°杂色土谷坡上的退耕还林对防治水土流失的效果非常明显。该土地利用的设计方案可作为罗裕沟退耕还林和生态恢复规划的参考。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
图目录  15-18
表目录  18-20
第1章导言  20-33
  1.1 研究背景  20-21
  1.2 研究进展  21-28
    1.2.1 国际研究进展  21-25
    1.2.2 国内研究进展  25-28
  1.3 研究目标、研究内容和技术路线  28-33
    1.3.1 研究目标  28
    1.3.2 研究内容  28-29
    1.3.3 主要技术路线  29-33
第2章土壤侵蚀和土壤侵蚀建模  33-58
  2.1 土壤侵蚀过程  33-35
    2.1.1 溅蚀  34
    2.1.2 面蚀  34
    2.1.3 细沟侵蚀  34-35
    2.1.4 沟蚀  35
  2.2 土壤侵蚀测定方法  35-37
    2.2.1 侵蚀小区测定法  35-36
    2.2.2 水文测站法  36
    2.2.3 测量学方法  36
    2.2.4 原子示综法  36-37
    2.2.5 遥感技术法  37
  2.3 土壤侵蚀影响因素  37-43
    2.3.1 降雨与土壤侵蚀  37-38
    2.3.2 土壤与土壤侵蚀  38-40
    2.3.3 地形与土壤侵蚀  40-42
    2.3.4 植被与土壤侵蚀  42-43
  2.4 土壤侵蚀模型概述  43-45
  2.5 土壤侵蚀经验模型  45-46
    2.5.1 通用土壤流失方程 USLE  45-46
    2.5.2 神经网络模型  46
  2.6 土壤侵蚀过程模型  46-51
    2.6.1 次雨量坡面(田块)过程模型  47-48
    2.6.2 次雨量流域过程模型  48-49
    2.6.3 连续坡面(田块)过程模型  49-50
    2.6.4 连续流域过程模型  50-51
    2.6.5 概率过程模型  51
  2.7 GIS和土壤侵蚀模型的结合  51-52
  2.8 土壤侵蚀模型评价  52-54
  2.9 小结  54-58
第3章研究区概况  58-80
  3.1 概况  58-59
  3.2 地质与水文地质  59-60
  3.3 地貌  60-62
  3.4 土壤  62-65
  3.5 气候与水文  65-69
    3.5.1 雨量站情况  65-66
    3.5.2 降水量  66
    3.5.3 流量和输沙量  66-67
    3.5.4 其他气候资料  67
    3.5.5 罗裕沟气候特征  67-69
  3.6 社会经济  69
  3.7 土地利用  69-76
    3.7.1 土地利用数据的获取方法  69-70
    3.7.2 土地利用分类方案  70
    3.7.3 土地利用的遥感图像解译  70-71
    3.7.4 罗裕沟土地利用现状及变化  71-76
  3.8 植物种类  76-77
  3.9 土壤侵蚀与水保措施  77-79
    3.9.1 土壤侵蚀情况  77-78
    3.9.2 水保措施  78-79
  3.10 小结  79-80
第4章基于统计技术的罗裕沟土壤侵蚀时空格局研究  80-116
  4.1 罗裕沟土壤侵蚀时间格局研究  80-88
    4.1.1 罗裕沟输沙量的年际变化特征  80-85
    4.1.2 罗裕沟输沙的月际变化特征  85-86
    4.1.3 罗裕沟日尺度下的侵蚀变化特征  86-87
    4.1.4 罗裕沟时尺度的侵蚀变化特征  87-88
  4.2 罗裕沟降雨侵蚀力研究  88-96
    4.2.1 降雨侵蚀力研究方法  90-91
    4.2.2 降雨特征值和输沙率的相关分析  91-96
  4.3 基于相关系数的罗裕沟土壤侵蚀空间格局研究  96-104
    4.3.1 原理和算法  96-97
    4.3.2 数据处理流程和处理方法  97-99
    4.3.3 结果处理和解释  99-104
  4.4 基于规划方程的罗裕沟土壤侵蚀空间格局研究  104-111
    4.4.1 非线性规划数学模型  105
    4.4.2 模拟方法  105-107
    4.4.3 模拟结果和解释  107-111
  4.5 小结  111-116
第5章基于USLE模拟罗裕沟流域土壤侵蚀的空间格局  116-129
  5.1 USLE模型的研究现状  116-118
  5.2 USLE模型中参数的取值方法  118-122
    5.2.1 坡度坡长因子 LS值的计算  118-120
    5.2.2 降雨侵蚀力 R值的计算  120
    5.2.3 土壤可蚀性指标 K值的计算  120-121
    5.2.4 管理措施 C值的设定  121-122
  5.3 模拟结果及分析  122-127
    5.3.1 数据处理方法  122-123
    5.3.2 结果解释  123-127
  5.4 小结  127-129
第6章基于 DEM分析罗裕沟土壤侵蚀的空间格局  129-141
  6.1 罗裕沟流域沟谷密度分析  129-130
  6.2 流域沟谷的识别  130-136
    6.2.1 基于地形位置指数的沟道识别  130-134
    6.2.2 基于地表水平曲率的沟道识别  134-136
  6.3 切割深度的计算和分析  136-138
  6.4 小结  138-141
第7章基于 WEPP模拟罗裕沟土壤侵蚀的时空格局  141-216
  7.1 模型的基本特征和原理  142-155
    7.1.1 WEPP模型的基本特征和构成  142-146
    7.1.2 WEPP模型的基本原理  146-152
    7.1.3 坡面划分及其在GIS中的实现  152-154
    7.1.4 WEPP模拟结果的空间化处理及意义  154-155
  7.2 模型的输入参数及设定  155-170
    7.2.1 气候参数  155-162
    7.2.2 植物和管理参数  162-168
    7.2.3 地形数据  168
    7.2.4 沟道参数  168-170
  7.3 模拟的参数率定  170-185
    7.3.1 参数率定原则和方法  170-171
    7.3.2 罗裕沟流域 WEPP模型的参数率定  171-183
    7.3.3 模拟结果  183-185
  7.4 基于模拟结果的罗裕沟土壤侵蚀空间格局分析  185-191
    7.4.1 桥子东、西沟土壤侵蚀的空间格局  186-188
    7.4.2 罗裕沟土壤侵蚀的空间格局  188-191
  7.5 基于模拟结果的罗裕沟土壤侵蚀时间格局分析  191-196
    7.5.1 罗裕沟本地侵蚀的时间格局  191-193
    7.5.2 罗裕沟离地侵蚀的时间格局  193-196
  7.6 基于模拟结果的罗裕沟土壤侵蚀影响因素分析  196-204
    7.6.1 地质、地貌和地形影响分析  196-199
    7.6.2 土壤类型影响分析  199-201
    7.6.3 地表覆盖/土地利用影响分析  201-203
    7.6.4 各因子综合影响分析  203-204
  7.7 不同土地利用情景下罗裕沟土壤侵蚀的模拟分析  204-211
    7.7.1 土地利用情景设计  205-207
    7.7.2 土地利用情景下土壤侵蚀的模拟分析  207-211
  7.8 小结  211-216
第8章结论和展望  216-223
  8.1 主要成果和结论  216-220
    8.1.1 降雨侵蚀力研究  216-217
    8.1.2 基于统计和非线性规划的土壤侵蚀研究  217
    8.1.3 基于 USLE经验模型的土壤侵蚀研究  217-218
    8.1.4 基于沟谷深度的土壤侵蚀空间格局分析  218
    8.1.5 基于 WEPP物理基础模型的土壤侵蚀研究  218-219
    8.1.6 罗裕沟流域土壤侵蚀的时空规律  219-220
  8.2 存在的问题和展望  220-223
    8.2.1 参数率定问题  220
    8.2.2 沟谷侵蚀问题  220-221
    8.2.3 尺度问题  221
    8.2.4 侵蚀模型与 GIS的结合问题  221-223
致谢  223-226
附录  226-233
  附录1: 罗裕沟各年逐日侵蚀模数变化图  226-229
  附录2: 计算相关系数场的程序  229-231
  附录3: 计算 TPI并实现标准化的AML程序  231
  附录4: 计算切割深度的程序  231-233

天水罗裕沟流域土壤侵蚀时空格局模拟研究

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