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《西北农林科技大学》 2002年
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流域降雨侵蚀产沙与地貌形态特征耦合关系研究

崔灵周  
【摘要】: 小流域是我国生态环境恢复重建与水土流失综合治理的基本单元,其侵蚀产沙规律及发展趋势预报一直为土壤侵蚀与水土保持学界研究热点。地貌形态是影响小流域侵蚀产沙的主要下垫面因素之一,其量化参数一般继承坡面地貌特征量化方法(如坡度、坡长因子)而采用平均坡度、平均坡长及沟壑密度等参数,这些参数仅是对流域地貌形态的概化和单因子表达,没有真正反映流域地貌形态复杂的本质特征和相互联系。本文依据流域地貌形态所具有的显著分形特征,从模拟实验出发,利用分形理论和方法,结合高精度摄影测量和GIS技术,对流域模型侵蚀产沙时空变异特征、地貌形态发育过程及其相应的分形特征、流域模型侵蚀产沙与地貌形态耦合关系进行了深入研究,并以具有11年降雨泥沙径流观测资料的岔巴沟流域为例进行了验证研究,为实现从单坡面侵蚀产沙模拟、预报向流域侵蚀产沙模拟、预报转化过程中地貌形态参数的提取提供了理论和方法,为黄土高原小流域水土流失综合治理提供了科学实践依据。本文取得如下研究结果: 1.流域模型侵蚀产沙时序变化特征 次降雨平均输沙率随流域模型发育过程表现出明显的时段性,即发育初期时段(第一场到第五场降雨)、发育活跃时段(第六场到第十八场降雨)和发育相对稳定时段(第十九场到第二十五场降雨)。在发育初期时段,流域模型侵蚀产沙呈现较为明显的由杂乱无序化向有序化发展,不同雨强的次降雨径流含沙量和径流输沙率随降雨历时变化呈现乘幂关系;在发育活跃时段,流域模型侵蚀产沙进一步呈现出规律化和有序性,其中发育活跃时段前期(第六场至第十四场降雨)不同雨强的次降雨径流含沙量和径流输沙率随降雨历时变化为乘幂关系(第六场和第十一场的径流含沙量随降雨历时变化表现为指数关系),发育活跃时段后期(第十五场至第十八场降雨)不同雨强的次降雨径流含沙量和径流输沙率随降雨历时变化为指数关系;在发育相对稳定时段,不同雨强次降雨径流含沙量与径流输沙率随降雨历时的动态变化为二次多项式关系。 2.流域模型侵蚀产沙空间变化特征 侵蚀产沙的活跃部位随流域模型发育过程呈现由流域模型下部逐渐向上部发展特征,其中流域模型下中部为发育初期时段和发育活跃时段侵蚀产沙的活跃部位,流域模型上部是发育稳定时段侵蚀产沙的活跃部位。主沟在流域模型侵蚀产沙过程中居于主导地位,主沟的产沙量占流域模型总产沙量比例保持在48.7-66.6%之间,在主沟的泥沙沉积量所占流域模型总泥沙沉积量的比例也保持在64.9%-99.4%之间。 3.流域模型地貌形态发育过程 沟谷扩展和下切是流域模型地貌形态发育 的主要形式,沟谷扩展发育主要发生在发育活跃时段,主沟所占沟谷总面积比例在 流域模型沟谷扩展发育过程中保持在60%以上:主支沟下切发育在发育初期和发育 活跃时段前期表现最为剧烈,其横剖面为V字形,在发育初期和稳定时期时段呈现 浅U字形和底部较为平坦的梯形,主沟的横剖面发育明显优先于各支沟。 4.流域模型地貌形态的分形特征及其与侵蚀产沙耦合关系 流域模型不同 发育时段的地貌形态在各自无标度区内均表现出很好分形特征,地貌形态信息维数 Di随流域模型地貌发育呈现先增大后减小的变化趋势,流域模型侵蚀产沙与地貌形 态特征在时序和空间上表现出较强的同步性和相关性,流域模型次降雨相对输沙率 .Sr与地貌形态信息维数Di表现为乘幂关系。 5.岔巴沟流域水沙特性及地貌形态分形特征 岔巴沟流域及各支流域次降 雨输沙模数Ms分别与洪峰流量模数Q。及径流深h呈现较强的正相关性,其多元回归 结果呈现明显的空间变异性。岔巴沟流域及各支流域的地貌形态在各自的无标度区 间内均表现出较好的分形特征,其地貌形态信息维数Di分别为0.9661(杜家沟岔)、 0.9419(西庄)、0.8935(三]11口)、0.8308(驼耳巷)、0.8140(蛇家沟)、0.6368(黑 矾沟)、0.5821(水旺沟)。 6.岔巴沟流域降雨侵蚀产沙与地貌形态耦合关系模型 利用岔巴沟流域的杜 家沟岔(96k。勺、三)I旧(21kmz)、驼耳巷(5.74km勺、黑矾沟(0.133kmz)和水旺 沟(0.107km勺五个小流域的地貌形态信息维数Di和 116场侵蚀性降雨的水沙资料, 建立了岔巴沟流域次降雨输沙模数Ms与洪峰流量模数Q卜径流深h和地貌信息维数 Di 的多元回归统计模型。通过西庄(49kin勺和蛇家沟(4厂2 km勺两个支流域 57 场降雨的水沙资料和地貌形态信息维数Di的验证研究。该模型提高了用单一水沙关 系预报次降雨输沙模数的精度和可靠性,表明用地貌形态信息维数Di反映流域地貌 形态对侵蚀产沙影响是合适的。 7.流域地貌形态特征分形量化研究 提出了流域地貌形态信息维数Di的的 计算模型和具体方法,该参数是基于分形理论和方法对流域地貌形态总体特征的综 合量化,揭示了流域地貌复杂的量化本质,克服了现有量化参数(如坡度、坡长、 平均坡度和沟壑密度等)仅能概化地貌形态单因子及其线状特征的不足之处,实现 了地貌形态量化研究从简单坡面向复杂流域地貌的重大转变?
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