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基于分形理论和信息熵的渭河流域生态环境状况研究

作　者: 周安康
导　师: 严宝文
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 多重分形地貌信息熵生态环境状况渭河流域
分类号: P333
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

渭河是黄河第一大支流，其生态环境的健康状况直接关系到渭河流域社会经济的可持续发展。近年来，渭河流域生态环境状况恶化严重，这将制约和阻碍着区域社会经济的健康发展，因此有必要探讨一种新的方法定量去研究渭河流域生态环境状况的变化，为渭河流域的生态环境治理提出行之有效的措施，以保障渭河的健康生命，促进渭河流社会经济的可持续发展。运用分形理论研究了渭河流域干流和支流主要水文测站径流序列的波动特征，主要运用多重分形非趋势波动分析方法计算和分析了1日、连续多日以及月径流序列的多重分形波动特征，也探讨了渭河流域南北侧亚流域地貌信息与流域侵蚀产沙以及流域径流过程多重分形波动强度的关系，在此基础上讨论了渭河和泾河流域典型时段日径流过程多重分形波动特征与林地、草地和耕地面积变化的关系，并分析得到了渭河流域径流波动的重要影响因素，主要得到以下几个结论：（1）所选取的渭河干流林和支流部分水文测站1日、连续多日以及月径流过程均具有明显的多重分形性。因此，用单一分形来描述1日、连续多日以及月径流过程的分形特性是不够的。（2）通过综合分析，可以认为1日径流序列、连续3日、连续7日、连续15日径流序列更易受到影响因素（降水、蒸发、入渗、森林植被、用水等）的影响，其反映水文现象周期性变化的能力较差，因此波动性大，多重分形性明显，而年径流的变化相对平稳。（3）通过对渭河流域南北侧亚流域的地貌信息熵和流域面积分析发现，南侧支流流域的地貌发育较北侧成熟，北侧流域地貌大多处于壮年期，水流下切的侵蚀程度大，这与北侧支流流域的产沙较大相吻合。但南侧流域主要支流的流域面积相对北侧较小，影响径流波动的因素较少，因素间的相互作用抵消的也少，因而其径流过程的波动程度较大，与对南北侧支流径流过程的多重分形波动程度的分析结果相一致。（4）植被覆盖率与河川径流的关系，与流域所处气候区及地形、地质、土壤等环境条件有关。不同的地形地质情况，导致植被覆盖率对径流过程的影响存在差异。通过建立渭河流域和泾河流域日径流过程多重分形参数与流域生态环境状况的关系，尝试获得评判研究区域生态环境状况的分形学量化指标，研究表明：在渭河流域，森林覆盖率的提高并不导致径流波动的减小；耕地面积的扩大对应径流径流波动增强；而林草植被覆盖率越高，其径流波动越小。可见，林草植被覆盖率尤其是草地覆盖率可以作为评判渭河流域生态环境优劣的重要指标。即林草植被覆盖率高，生态环境优良，反之生态环境不佳。由此可知，本区实施退耕还林还草，对促使径流过程平稳化效果显著，同时可以明显减少北侧流域的侵蚀产沙对生态环境状况的破坏，保障渭河的健康生命，以促进渭河流域生态环境和社会经济的可持续发展。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 研究意义和目的  13-14
    1.2.1 研究意义  13-14
    1.2.2 研究目的  14
  1.3 国内外研究状况  14-20
    1.3.1 国外的研究现状  14-17
    1.3.2 国内的研究现状  17-19
    1.3.3 信息熵在河流地貌问题研究中的应用  19-20
  1.4 研究内容和技术路线  20-22
    1.4.1 研究内容  20-21
    1.4.2 研究方法  21
    1.4.3 研究的技术路线  21-22
第二章渭河流域概况  22-29
  2.1 干流概况及其水文特征  22-25
    2.1.1 地貌及水文地质特征  23
    2.1.2 水资源  23-24
    2.1.3 泥沙  24
    2.1.4 生态环境概况  24-25
    2.1.5 社会经济状况  25
  2.2 渭河支流概况  25-29
    2.2.1 葫芦河  25
    2.2.2 泾河  25-26
    2.2.3 北洛河  26-27
    2.2.4 黑河  27
    2.2.5 灞河  27-28
    2.2.6 石头河  28-29
第三章渭河干支流月径流序列单一分形分析  29-38
  3.1 分形理论基础  29-32
    3.1.1 分形的基本概念  29-30
    3.1.2 分形维数(Fractal Dimension)  30-31
    3.1.3 分形维数的类别  31-32
  3.2 GIS 技术在水文水资源中的应用  32
    3.2.1 GIS 技术  32
    3.2.2 Hawth ' s Analysis Tools扩展工具  32
  3.3 月径流分形维数  32-34
    3.3.1 数据预处理  32-33
    3.3.2 干支流月径流分维数  33-34
  3.4 干支流月径流关联维数  34-36
    3.4.1 基本原理  34-36
    3.4.2 计算结果与分析  36
  3.5 本章小结  36-38
第四章渭河流域不同尺度日径流序列多重分形特征  38-58
  4.1 多重分形  38-42
    4.1.1 基本原理  38-40
    4.1.2 多重分形非趋势波动分析方法  40-42
  4.2 渭河干支流日径流多重分形特征  42-47
    4.2.1 干流日径流多重分形特征  42-46
    4.2.2 支流日径流多重分形特征  46-47
  4.3 径流序列多重分形强度分析  47-54
    4.3.1 日径流序列多重分形强度  48-51
    4.3.2 多重分形奇异谱拟合  51-54
  4.4 径流序列波动性分析  54-55
    4.4.1 干流上下游站  54
    4.4.2 支流站  54-55
  4.5 不同尺度径流序列波动性的变化  55-56
  4.6 本章小结  56-58
第五章渭河流域干支流月径流过程多重分形特征  58-69
  5.1 干流月径流波动性比较分析  58-60
  5.2 干支流月径流波动性比较分析  60-64
    5.2.1 干支流波动性比较分分析  60-62
    5.2.2 北岸支流月径流波动性比较分析  62
    5.2.3 南山支流月径流波动性比较分析  62-63
    5.2.4 南北岸支流月径流波动性分析  63-64
  5.3 渭河北岸和南岸地形差异性对径流波动性的影响  64-65
    5.3.1 地貌信息熵原理  64-65
    5.3.2 地貌信息资料收集  65
    5.3.3 南北地貌信息差异对径流波动性的影响  65
  5.4 本章小结  65-69
第六章径流过程多重分形性与生态环境状况的关系  69-79
  6.1 渭河径流波动性与林草耕地  69-73
    6.1.1 典型时段径流波动波动性与林草耕地  69-70
    6.1.2 径流波动性与林地  70-71
    6.1.3 径流波动性与林草地  71-72
    6.1.4 径流波动性与林草耕地  72-73
  6.2 泾河径流波动性与林草耕地  73-78
    6.2.1 不同时段径流多重分形波动特征  73-74
    6.2.2 径流波动性与林草耕地面积的关系  74-78
  6.3 本章小结  78-79
第七章结论与建议  79-82
  7.1 结论  79-80
  7.2 建议  80-82
参考文献  82-87
致谢  87-88
作者简介  88-89
附录  89-101

基于分形理论和信息熵的渭河流域生态环境状况研究

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