黄土人工掏挖坡耕地地表微地形侵蚀分形特征研究

发布时间：2018-10-12 21:22

【摘要】：在毫米级尺度上研究微地形土壤侵蚀的演变规律及其对坡面产流和产沙量的影响,为进一步认识土壤侵蚀机理,构建土壤侵蚀预测模型提供了理论参考。分形理论的广泛应用,使得用分形维数值可以表征地表微地形的综合特征。通过预测径流泥沙的变化趋势及变化周期,对监测持续降雨对水土保持和土壤侵蚀的影响具有重要意义。为此,本文以黄土高原常见的水土保持农业耕作坡面(人工掏挖)为研究对象,通过90 mm/h雨强对5种坡度(5°、10°、15°、20°、25°)的人工掏挖耕作坡进行分段人工模拟降雨实验。基于高精度三维激光扫描仪获取微地形点云数据,运用半变异函数分析法、重标度极差分析法(R/S)分析法和盒维数法研究降雨侵蚀对微地形的影响,并计算地表分形维数值。同时对水蚀发育过程中径流产沙量的变化进行了较为系统的研究。主要结论如下:(1)半变异函数模型分析:水蚀发育过程中,通过半变异函数模型模拟真实地表微地形,所得到的模型参数值可用于Arcgis中点云数据生成DEM过程中的Kriging插值。不同坡度下,人工掏挖耕作坡面具有很强的空间自相关性特征,空间自相关性主要受结构性因素(如坡度)的影响。另外,90 mm/h雨强人工掏挖耕作坡的半变异函数最优拟合模型为高斯模型,平均变程为4.900 m,为未来同等条件下的研究提供合适的尺度参考值。人工掏挖耕作坡是一个持久性表面,具有积极的空间自相关性特征。同侵蚀阶段下,坡度增大,分形维数增大,空间变异性增强。各坡度下,溅蚀、片蚀、细沟侵蚀阶段使得地表糙度减小,降雨半小时使得地表糙度略微增大。(2)半变异函数分析法、R/S分析法和盒维数法用于计算微地形地表分形维数值,半变异函数分析法为最优方法,其结果具有可靠性。(3)各向异性分析:水蚀发育过程中,坡耕地微地形表面存在各向异性且具有明显的异质性特征,各向异性受坡度的影响,随着坡度的增大而增强。(4)径流产沙量变化特征分析:人工掏挖耕作坡面,坡度越大,越快产流。通过R/S分析法分析其径流序列,表明5种坡度下的径流序列都具有正的长程相关性,未来一段时间内,径流量将随着降雨历时的增加而呈增加趋势,但该趋势持续性较弱。通过Morlet小波分析法分析径流序列,结果表明径流序列的主周期为29分钟。径流量和降雨历时呈现对数关系,径流量预测方程的通式为S=alnt+b。通过R/S分析法分析产沙量序列,产沙量序列具有正的长程相关性,未来一段时间内,产沙量将随着降雨历时的增加而呈减少趋势,且该持续性较强。通过Morlet分析法分析,相较径流序列,产沙量序列并没出现稳定的周期,同时部分坡面存在30分钟以上的长周期,需要更长的时间序列去验证。产沙量和降雨历时呈现对数关系,产沙量预测方程的通式为V=alnt+b。R/S分析法和Morlet小波分析法的相互结合,有利于监测降雨对农业生产和水土保持的影响。本文利用降雨前后高精度点云数据进行半变异函数分析、R/S分析和盒维数分析,用地表分形维数值的变化来表征降雨侵蚀对地表微地形的影响,半变异函数分析法为最优方法。通过R/S分析法和Morlet小波分析法分别预测径流泥沙的未来变化趋势和变化周期,对研究持续降雨对水土保持的影响具有重要意义。
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【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】：2017
【分类号】：S157

【参考文献】