黄土坡耕地微地形地表水文连通性特征研究

发布时间：2020-07-11 13:51

【摘要】：坡耕地是黄土高原地区主要的农业耕作场所,也是土壤侵蚀最容易发生的场所,而坡耕地土壤侵蚀一直以来严重制约着黄土高原地区农业和经济可持续发展。坡耕地水文连通性能够影响泥沙沉降和径流运移,进而影响土壤侵蚀的进一步发育与演化,因而是理解径流空间变化和土壤侵蚀的主要因子。目前,有关坡耕地水文连通性的研究几乎都集中在流域尺度,而针对微地形尺度下的研究甚少,影响了人们对于微地形在水文连通中重要作用的认知。为了深刻理解微地形尺度下的坡面径流产流过程和机制,分析径流和泥沙源汇区的变化过程,表达径流过程的复杂性以及地表糙度和坡度的效应,本文基于人工降雨模拟试验,以等高耕作(CT)和人工掏挖(AD)的微地形坡面为研究对象,结合GIS技术探究了60 mm/h和90 mm/h雨强条件下5种不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)坡面的水文连通性结构特征和功能特征。主要结论如下:(1)点云数据的精度会影响微地形地表进行数值模拟,从而影响河流总长度、河网阈值、径流长度和地表糙度。微地形坡面点云数据抽稀的最佳精度是6 mm,用克里金差值方法建立高精度DEM,作为微地形地表水文连通性研究的重要数据基础。(2)河网阈值和河流总长度具有很强的相关性。最佳河网阈值为0.9,河网阈值和河流总长度拟合度大小依次为:AD90 mm/hCT90 mm/hAD60 mm/h。(3)径流长度可作为描述微地形坡面水文连通结构性的重要指标。径流长度的栅格数占比能够表达径流源区的形成。黄土耕作坡面的径流源区主要由较小(6-10 mm)径流长度值形成;随着降雨的持续,径流路径越来越多,彼此相互连通,形成一个个小面积的径流源区;小面积的径流源区通过径流路径不断汇聚成较大面积的径流源区,使水文连通面积越来越大。(4)坡度、雨强和地表糙度是影响坡面水文连通结构性的主要因素。坡度和雨强越大,径流长度越大,越有利于水文连通性的发展;地表糙度增加阻碍水文连通性的发展。耕作措施对水文连通结构性也有一定的影响:相同坡度和雨强条件下,AD比CT更有利于水文连通性发展。(5)简化水文曲线和相对地表连接函数能够生动地反映微地形坡面的水文连通功能性特征,表达径流的产流过程和产流机制。随着降雨次事件的依次发生,坡面的径流会迅速连通并产流,但当坡面的入渗速度和地表储水速度一致时,坡面的水文连通面积比和地表滞水会达到一个稳定状态。水文连通面积比(C)平均值从高到低依次为:AD90 mm/hCT90 mm/hAD60 mm/h。(6)坡度和雨强是影响坡面水文连通功能性的主要因素。坡度和雨强越大,简化水文曲线中C达到峰值时对应的累积降水量和相对地表连接函数中C达到峰值时对应的DS/DSmax值越小,简化水文曲线和相对地表连接函数的拟合度越大。耕作措施对水文连通功能性也有一定的影响:相同坡度和雨强条件下,AD比CT更有利于水文连通性发展。本论文利用GIS技术探究我国黄土高原坡耕地微地形尺度水文连通性可以有效发展水文中微观尺度(毫米级的格网单元)向中尺度(坡面、地块)和宏观尺度(流域)的尺度转换技术,提高坡面和流域尺度水文连通性模型模拟精度,促进黄土高原地区水土资源可持续管理的科学决策。
【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】：2018
【分类号】：S157;P333
【图文】：

技术流程,微地形

图 2-1 技术流程图Figure 2-1 Schematic diagram of technical route表数值模拟细致的反映出地表微地形的空间起伏变化，故本文基于三维扫描仪获得不同雨强、耕作措施、坡度下微地形地表侵蚀阶段下的微地形DEM，作为本论文的数据基础。文连通结构性特征研究IS的 3D分析和水文分析功能获取地表糙度和径流长度，通比，比较径流长度与地表糙度、雨强、坡度的关系，实现条件下微地形水文连通结构性特征研究。文连通功能性特征研究降雨模拟实验的产流产沙数据计算径流系数、降雨量、地

等高耕作,微地形,降雨器

第二章研究内容与方法 11图2-2 微地形（等高耕作和人工掏挖）Figure 2-2 Microtopography (CT and AD)2.4.2 降雨器实验用降雨器为黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室研制的下喷式降雨设备，在室内完成所有人工模拟降雨试验。降雨器高度为 16m，降雨均匀度＞80%，可保证所有雨滴到达侵蚀槽前达到终点速度，使得模拟降雨能够复制自然降雨的雨滴大小和分布（Shen et al. 2016）。在正式降雨实验前要调试降雨器，并采用 30 mm/h 的雨强对侵蚀槽进行 30min的预降雨，以保持土壤湿度，固结土壤表面的疏松土粒，减少地表的空间变异性。试验雨强设为 60 mm/h和 90 mm/h。2.4.3 扫描仪采用三维激光扫描仪（拓普康GLS1500，垂直误差小于0.003 m）获得地表高程点云数据

水文曲线,函数,储水量,地表

图 2-3 简化水文曲线与相对地表连接函数Figure 2-3 Simplified hydrograph and relative surfaceconnection function（2）地表储水量相对地表连接函数中入渗量和地表储水量计算公式如下（Apples et al. 2011; Philip2003; Wang et al. 2015）：（公式 2-2）式中，R 为径流系数(在数值上等于 C)， p 为雨强(mm / h)， P 为累积降雨量(mm3)，I 为累积入渗量(mm3)， DS 为地表储水量(mm3)。其中，（公式 2-3）(1)()DSPIfpiR = pKtSi =+2

【参考文献】