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基于DEM的小流域次降雨土壤侵蚀模型研究与应用

李辉  
【摘要】: 土壤侵蚀是当今世界面临的主要问题之一。土壤侵蚀使生态环境恶化、土地生产力下降、耕地减少、污染水质、江河、湖泊淤塞、威胁城市和乡村防洪安全、加剧旱涝风沙等灾害。它使人类赖以生存并越来越短缺的土地资源遭受退化和损失。土壤侵蚀模型作为了解土壤侵蚀过程与强度、指导人们合理利用土地资源、管理和维持人类长期生存环境的重要技术工具,受到世界各国的普遍重视。按照模型的建模手段和方法,土壤侵蚀模型一般分为经验统计模型和物理过程模型。由于经验模型适用范围有限,因而限制了其推广应用;而物理模型反映了侵蚀的各个过程,具有较强的适应范围,是目前模型发展的趋势。由于侵蚀过程存在空间上的变异,所以物理模型通常是分布式的。尤其是进人到90年代以后,地理信息技术有了长足的发展,遥感(RS)和地理信息系统(GIS)的广泛应用,为数据的提取、贮存、处理和计算,提供了灵活、方便的手段,大大推动了分布式模型的发展及应用。 我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一,土壤侵蚀面积占全国总土地面积38.2%。每年因此流失的土壤达50亿吨以上、损失的土地面积6.67万公顷以上,大量氮、磷、钾肥料和多种微量元素随之付诸东流。目前国内用于预报土壤侵蚀的模型以经验模型为主,分布式模型不是很常见,而且土壤侵蚀模型的研究主要集中在北方的黄土高原地区,而广大南方地区也是我国水蚀最严重的区域之一,还未公开见到分布式土壤侵蚀模型的发表。因此迫切需要结合RS, GIS技术,构建适合于我国南方地区的分布式土壤侵蚀模型。 本文在分析国内外分布式土壤侵蚀模型研究现状与存在问题的基础上,以土壤侵蚀力学、水力学、地貌学、泥沙运动学等学科的理论为基础,结合现代空间信息技术,初步研制开发了适合我国南方流域的、以次降雨为基础的、基于DEM的分布式土壤侵蚀模型。本文还讨论了模型参数率定的方法并利用实测数据对模型进行了率定和验证,最后使用该模型研究了躁口水流域的土壤侵蚀状况。本文的主要研究成果如下: 1.基于DEM的流域参数提取。本文讨论了DEM中提取流域参数的方法,介绍了使用D8方法提取流向矩阵以及流量累积矩阵以及提取水系和流域边界的方法。本文研究了DEM预处理方法,并提出了基于三方向搜索的预处理算法。通过与ArcHydro中DEM处理方法比较后,结果表明,本文提出的方法在提取水系时能够消除在平坦区域出现的“平行线”现象;并且本文方法对DEM高程值的累计修改量也小于ArcHydro方法。对研究区水系提取的结果表明,该方法在水系提取精度上也要优于ArcHydro方法。 2.分布式水文模拟研究。分布式土壤侵蚀模型一般都是建立在分布式水文模型基础之上的。本文探讨了研究区产流机制,研究了降雨、植被截留和土壤入渗等水文过程,并利用运动波和扩散波对次降雨产生的洪水逐栅格进行演进,获取各个栅格的水力要素,为侵蚀产沙模块提供基础。本文在研究不同坡度下运动波和扩散波的不同模拟精度基础上,提出了根据坡度来确定洪水演算模式的方法。本文采取了分级汇流的模式,对流域洪水从距离流域出口点最远处的分水岭开始,由远及近地进行分级演进模拟。通过研究,本文提出了一种有效存储分级汇流栅格拓扑结构的存储方式,该方法简单易行,能够准确地对流域进行分级演算,并且具有较高效率。 3.侵蚀产沙模拟研究。在国外和国内黄土高原土壤侵蚀研究成果的基础上,本文分析了雨滴溅蚀、片蚀和细沟侵蚀等坡面侵蚀过程,及对坡面径流的搬运能力,并分别进行模拟。从而得到每个栅格的侵蚀和产沙量。然后利用泥沙连续方程和分级汇沙原理将各个栅格产沙量演算到流域出口,得到整个流域的次降雨产沙量。 4.模型参数率定。运用计算机程序对流域洪水进行准确、快速地模拟的一个重要前提就是优化模型的参数,使计算结果更加准确。本文介绍了常用的参数优化方法,并根据分布式模型自身的特点,选用人机结合的方法对研究区的参数进行率定。 5.模型验证与应用。本文以鄱阳湖流域修水水系上游的躁口水流域为研究对象,利用实测历史数据对模型进行验证。统计结果表明,该模型对流域产流产沙的模拟结果是可信的。在模型验证的基础上,使用模型来研究该流域的一场降雨引起的土壤侵蚀,结果表明坡度15%的坡耕地是主要泥沙来源。


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