基于DEM的黄土冲沟流向算法对土壤侵蚀模拟的影响

发布时间：2020-06-21 03:56

【摘要】：水土流失严重会造成土壤耕作层受损、生产力下降,这一过程产生的大量泥沙若汇入河道则可能致使产生河床上升、水利工程淤塞等问题甚至发生水旱灾害等威胁,水土保持研究以及水土流失的防治工作对生态环境、人类活动、社会经济发展等方面是必要的。土壤侵蚀研究的开展、深入对水土流失防治研究是具有示例意义的,而在土壤侵蚀研究中,土壤侵蚀模型作为定量研究模拟土壤侵蚀的重要方法和水土保持实践的指导工具,并随研究的拓宽不断发展和更新,成果十分显著。土壤侵蚀模型的土壤侵蚀模拟和预测与土壤可蚀性、坡度、坡长、降雨量、汇水面积、植被覆盖和作物管理等多个因素有关,但流向算法的不同是否会对土壤侵蚀模型的预测产生影响?在土壤侵蚀模拟中是否会产生土壤侵蚀、沉积在分布上和数值上的差异?如何定量化的比较与描述?需要更进一步的探究与研讨。黄土高原土壤侵蚀严重,是我国重点产沙区,冲沟发育繁多,特征明显。本研究选其作为研究对象,选取四种组合形态的黄土冲沟(树枝状冲沟、梳状冲沟、格状冲沟、平行状冲沟)构建数字高程模型(Digital Elevation Models,DEM),比较不同流向算法对土壤侵蚀预报模型(Unit Stream Power-based Erosion Deposition,USPED)在土壤侵蚀模拟结果中的相似性、土壤侵蚀与沉积特征值、土壤侵蚀与沉积面积比以及土壤侵蚀、沉积误分概率的影响。研究的主要内容及结论如下:(1)探究了多种流向算法下的不同组合形态冲沟对汇水面积的影响。总体而言,各个组合形态冲沟在多种流向算法下的河网分布在视觉上呈现大概一致的特征,但在汇水面积的数值上存在差异,区域的汇水面积数值较低时,D8算法(Determinstic eight-node)和Rho8算法(Random eight-node)产生细小且密集的平行流径,而Dinf算法和MFD算法(Multiple Flow Direction algorithm)更加均匀的分配流量。而单就各个形态的冲沟而言,流向算法的不同对汇水面积的结果有所差异,树枝状冲沟中Rho8算法与D8、Dinf、MFD算法差异最大,且Dinf算法和MFD算法相似性最高,梳状冲沟中流向算法对汇水面积的影响在相对差系数的计算中数值差异较小,但在汇水面积的相关关系上差异较大。同时,与树枝状冲沟相同,梳状冲沟、格状冲沟、平行状冲沟均表现出Rho8算法与其它三种流向算法的汇水面积结果差异较大,且Dinf算法和MFD算法的相似性最高,两种多流向算法的汇水面积结果相近也是算法机理的体现。总体而言,四种流向算法在不同组合形态冲沟中的汇水面积结果具有相似性,在本研究涉及到的黄土冲沟的汇水面积计算的流向算法上应尽量不选择Rho8算法。(2)基于USPED模型进行了不同流向算法下的土壤侵蚀模拟,不同形态的冲沟的土壤侵蚀与沉积预测的空间分布态势近乎一致,因汇流累积量结果受到流向算法间存在流径宽度、大小等不同因素作用,土壤侵蚀模拟态势在细小形态上存在差异,多种土壤侵蚀模拟结果的差异更多表现在土壤侵蚀量与沉积量的数值上。(3)黄土冲沟的土壤侵蚀模拟结果中,在不同样区都可以发现:土壤侵蚀面积大于沉积面积;D8算法模拟的土壤侵蚀面积和沉积面积之和最小,MFD算法土壤侵蚀面积与沉积面积之和最大;D8算法和Rho8算法的侵蚀面积占比和沉积面积占比相似,Dinf算法则和MFD算法相似;土壤侵蚀模拟均值为负且沉积均值大于侵蚀均值,冲沟的侵蚀比沉积强烈;土壤侵蚀模拟误分概率也表现出D8算法和Rho8算法数值较小,Dinf算法和MFD算法数值较小,Rho8算法与Dinf和MFD算法土壤侵蚀模拟误分概率数值上大于D8算法。(4)初步定量地分析了流向算法差异带来的土壤侵蚀模拟的影响。树枝状冲沟土壤侵蚀模拟结果:相似性上流向算法间总体差异较小,Rho8算法与其它三种算法的模拟结果相似性最低;土壤侵蚀误分概率中Rho8算法与Dinf和MFD流向算法的误分数值大于D8算法与该两种算法的数值;Dinf算法在土壤侵蚀模拟特征值统计中差异项较多,但整体相近。梳状冲沟多种流向算法的土壤侵蚀模拟结果差异较大,Rho8算法与三种流向算法相似性最低;MFD算法的模拟的土壤侵蚀均值差异较大;而在土壤侵蚀误分概率中Rho8算法与其它流向算法对比来看误分概率最高;格状冲沟土壤侵蚀模拟结果:四种流向算法的模拟结果在相似性上较好,土壤侵蚀模拟特征值、误分概率和面积占比的数值表现为D8算法和Rho8算法,Dinf算法和MFD算法两两相近的特征。平行状冲沟土壤侵蚀模拟结果:Rho8算法与D8算法相较,相似性较低于Dinf算法和MFD算法;MFD算法在土壤侵蚀模拟特征值上表现出与其它三种算法较多的差异项;土壤侵蚀误分概率和土壤侵蚀、沉积面积占比在单流向算法和多流向算法分别呈现两两相近的特征。总体而言,D8和Rho8算法,Dinf和MFD算法土壤侵蚀模拟结果两两相似;土壤侵蚀模拟特征值中Dinf算法和MFD算法分别出现较多差异项,不建议选择Rho8流向算法进行土壤侵蚀模拟。
【学位授予单位】：西华师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S157.1
【图文】：

黄土冲沟,DEM数据,梳状,冲沟

黄土冲沟DEM数据

技术路线图,技术路线

第 2 章研究概况和方法2.3 技术路线研究开展中主要涉及的软件有 ArcGIS、SAGAGIS、Origin2017、AdobePhotoshop、Microsoft Office 等，这些软件使用在研究数据的建立，研究对象流向算法和土壤侵蚀模型的模拟，流向算法间的相似性分析运算及其对土壤侵蚀模拟的影响，特征值的统计，计算结果的制图，论文撰写等各个环节，为研究的顺利开展并取得结果奠定基础，总体的技术路线如图 2-2 所示。

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