基于高精度DEM的水蚀发育过程中黄土微地形变化特征

发布时间：2017-11-07 11:35

  本文关键词：基于高精度DEM的水蚀发育过程中黄土微地形变化特征

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【摘要】：地表微地形是影响土壤侵蚀变化的重要因子之一,也影响着地表径流及泥沙输移。探讨微观尺度(2cm%s2cm)上地表微地形在土壤侵蚀过程中的演变规律及其对坡面产流量和产沙量的影响,可为进一步理解土壤侵蚀过程并建立土壤侵蚀模型提供理论参考。为此,本文以黄土高原常见的水土保持农业耕作措施(人工锄耕、人工掏挖、等高耕作和直线坡)坡面为研究对象,通过不同雨强(60mm/h、90mm/h)和坡度(5°、10°、20°)条件下进行分段人工模拟降雨实验,基于高精度激光扫描仪获取的地表微地形的高程数据,运用地统计学、GIS和分形等理论方法对地表微地形在水蚀发育(溅蚀、片蚀、细沟侵蚀)过程中的演化规律、空间分布特征及其对产流产沙量的影响进行了较为系统的研究。主要结论如下:(1)经典统计特征分析表明:各耕作措施的经典统计分析均具有正态分布特征,可用半方差函数模型来模拟真实地表微地形。各耕作措施均具有弱变异性,且具有坡度效应,不同耕作措施之间空间变异性表现为Cv等高耕作Cv人工掏挖Cv人工锄耕Cv直线坡。结果表明,降雨对地表微地形具有一定的削弱夷平作用,其中等高耕作微地形坡面具有较强的空间变异性,对降雨侵蚀具有更高的抑制作用。(2)半方差函数模型分析:水蚀发育过程中,各耕作措施均可用半方差函数模型进行模拟真实地表微地形,且所对应的半方差拟合模型参数可用于点云数据在ArcGIS中进行Kriging插值。不同雨强和坡度条件下,不同耕作措施地表微地形均具有中等以上的空间自相关性。空间自相关性主要受结构性因子(如耕作方式、坡度)的影响较大。另外,地表微地形的变程受降雨强度和坡度影响较大,变程越大,地表微地形坡面连续性越差,具有较强空间变异性。因此,地表微地形坡面初始糙度越大,其连续性较差,空间变异性越强。(3)各向异性分析:水蚀发育过程中,不同耕作措施的各向异性受降雨的影响较显著,具有坡度效应,各向异性较强。因此地表微地形坡面初始糙度越大,其各向异性较强。(4)分形维数分析:水蚀发育过程中,各耕作措施地表微地形的分形维数具有:D直线坡D人工锄耕D人工掏挖D等高耕作的规律。分形维数越大,空间结构越复杂,空间变异性越强。因此,不同耕作措施下地表微地形的空间变异性表现为等高耕作人工掏挖人工锄耕直线坡,且地表微地形坡面空间分布特征受降雨和坡度的影响较大。(5)微地形因子分析表明:降雨对微坡度的影响较明显,降雨使坡面的整体形态更趋于平缓;与直线坡面相比,不同耕作措施的微坡度变化的大小依次为等高耕作人工掏挖人工锄耕;初始坡度越大、降雨强度越大,微坡度的变化也越明显。与直线坡相比,人工锄耕、人工掏挖、等高耕作三种措施的微坡向主要集中在东南坡和北坡上,尤以等高耕作耕作措施坡面最为突出。降雨对各耕作措施微坡向的影响大小依次为直线坡等高耕作人工掏挖人工锄耕,且随着降雨强度的增大,微坡向的变化量增大。地形起伏度、地表切割深度和汇流累积量决定降雨过程中地表微地形坡面空间分布状态,相应的值越大,空间变异性较强。等高耕作错的空间变异性较强,其对水蚀发育的抑制作用较强。(6)地表微地形在水蚀发育过程中高程变化特征:除了直线坡的耕作措施对水蚀均具有抑制作用,等高耕作减小幅度最大,等高耕作措施的抑制作用最强。且地表微地形的高程减小幅度随着坡度和雨强的增大而增大。(7)地表微地形对溅蚀量和产流产沙量的影响:在溅蚀阶段,净溅蚀量具有Tsp直线坡0Tsp人工锄耕Tsp人工掏挖Tsp等高耕作的规律,且其总溅蚀量为等高耕作人工掏挖人工锄耕直线坡。这表明具有初始糙度的耕作坡面对溅蚀的抑制作用比直线坡大;在片蚀阶段,不同耕作措施的产流产沙量随雨强和坡度的增大而增大,且与坡度呈现出对数函数关系;在细沟侵蚀阶段,不同耕作措施下的产流产沙量随雨强和坡度的增大而增大,且与降雨历时分别具有正负对数函数(y=±aln(t),R20.5)关系。在片蚀和细沟侵蚀阶段,产流量和产沙量呈现直线坡人工锄耕人工掏挖等高耕作的变化趋势,这说明初始糙度越大其产流产沙量越小,且等高耕作为最理想的水土保持耕作措施。本文利用降雨前后扫描数据kriging插值生成的M-DEM相减得到的M-△DEM进行半方差函数、各向异性、分形维数等理论方法研究其空间异质性,表明等高耕作的坡面微地形的空间异质性最强,空间结构分布最为复杂,并且其在水蚀发育过程中对溅蚀量及产流产沙量均最小。这说明等高耕作措施为黄土高原坡耕地最理想的水土保持耕作措施。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S157

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本文编号：1152263