本文關鍵詞： 黃土區(qū) 坡溝-流域系統(tǒng) 植被格局 徑流侵蝕能量 分形理論 耦合模型　出處：《西安理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：植被是防治水土流失的主要措施,植被覆蓋度是衡量植被水土保持作用的主要指標之一,而大量的研究表明,植被的景觀格局也是影響植被水土保持功效的關鍵因素。在黃土區(qū)退耕還林還草生態(tài)建設背景下,植被覆蓋及其格局對流域水土流失的控制作用及其發(fā)展趨勢的研究具有重要的理論意義和實用價值。本研究以黃土高原大理河流域為研究對象,運用景觀生態(tài)學等多學科理論和方法,通過坡溝物理模型試驗和原位觀測,結合“3S”分析技術和運用分形理論,系統(tǒng)分析了植被格局對坡溝-流域侵蝕產(chǎn)沙過程的影響機理。首先,通過室內(nèi)模型試驗,揭示了植被格局對坡溝系統(tǒng)侵蝕動力的調(diào)節(jié)機制;其次,建立了基于柵格數(shù)據(jù)的數(shù)字植被模型,改進了數(shù)盒維數(shù)、面積維數(shù)和分形布朗運動維數(shù)等分形維數(shù)的計算方法,實現(xiàn)了對流域植被格局的分形量化:再次,以次降雨侵蝕能量分析計算為基礎,發(fā)展了月、年等時間尺度的徑流侵蝕功率計算方法;最后,建立了基于不同時空尺度植被格局分形量化參數(shù)和侵蝕動力因子的流域侵蝕產(chǎn)沙響應模型。本文取得的主要研究成果如下:(1)植被覆蓋度相同而植被布局不同,坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙差異顯著。相同覆蓋度下的不同植被格局的蓄水減沙效益大小依次為:坡面中下部下部中上部上部,在本試驗條件下,將草帶種植在距坡頂4.0m時的減沙效果最佳,減水7.4%,減沙62.9%;隨著降雨延續(xù),徑流量峰值不斷增加,而產(chǎn)沙量峰值不斷減小,初始產(chǎn)流時間和徑流峰值出現(xiàn)時間不斷提前:徑流量趨于穩(wěn)定的時間縮短;第2次和第3次降雨產(chǎn)生的徑流量的均值分別比第1次降雨增加5.4～37.2%、1.8～21.8%,產(chǎn)沙量的均值分別比第1次降雨減少42.0～82.4%、72.3～92.3%,初始產(chǎn)流時間分別比第1次降雨提前了 0.5～12.5 min、2.0-8.0 min;坡面植被帶對徑流量的削減比例平均約為5.0%,而泥沙平均消減比例約為33.0%。(2)揭示了植被格局對坡溝系統(tǒng)侵蝕動力的調(diào)節(jié)機制。植被通過降低徑流的剪切力來降低徑流沖刷對坡面土壤的分離能力:不同植被格局下徑流剪切力τ的降低程度差異較大;坡面徑流剪切力均隨著草帶與坡頂距離的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢;在草帶布置距坡頂2m和6m時,徑流剪切力最小;單位徑流功率隨著草帶與坡頂之間距離的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。坡溝系統(tǒng)坡面上的徑流能耗基本不變,在進入溝道后徑流能耗呈先增大后減小再增大的趨勢,同時溝道的徑流能耗為坡面的2.69倍。(3)改進了基于分形理論的流域植被格局量化模型,并開發(fā)了相關軟件,提高了植被參數(shù)估算侵蝕強度的有效性�；贜DVI時間序列數(shù)據(jù)集重建方法,利用最大值合成法(MVC)生成了研究區(qū)歸一化植被指數(shù)NDVI數(shù)據(jù)集和植被覆蓋度VC數(shù)據(jù)集;改進了數(shù)盒維數(shù)、面積維數(shù)和分形布朗運動維數(shù)等不同分形維數(shù)的計算方法,實現(xiàn)了流域植被空間分布特征的量化。大理河流域及其上游青陽岔流域、中游小理河流域、下游岔巴溝流域的植被分布,在各自的無標度區(qū)間內(nèi)均表現(xiàn)出較好的分形特征;流域歸一化植被指數(shù)NDVI和植被覆蓋度VC分布的分形布朗運動維數(shù)的線性擬合的相關系數(shù)均在0.90以上,最高可達0.98,可見將分形維數(shù)作為表征流域植被格局的量化指標的有效性。(4)大理河流域年降雨量減少趨勢不顯著(P0.05),但是年徑流量和產(chǎn)沙量顯現(xiàn)持續(xù)減少趨勢,主要是由于植被覆蓋增加所致。應用修正通用土壤流失方程計算得到1985、1996、2000、2005、2010年大理河流域的平均侵蝕模數(shù)分別為14960.11、20444.67、21290.22、11762.96、18638.51 t/(km2 · a),在極強烈侵蝕和劇烈侵蝕之間變化,其中2000年平均侵蝕模數(shù)最大;流域微度侵蝕區(qū)主要分布在沿河及上游流域,強烈侵蝕面積和極強烈侵蝕面積分布廣泛,且隨著年代的增加,極強烈侵蝕的面積比例由32.56%升至45.79%。年降雨量系列M-K趨勢檢驗結果表明,大理河流域的年降雨量變化不大,無明顯的增加或減少趨勢;流域典型水文站長序列水沙資料分析結果表明,大理河流域各水文站的年徑流量和年輸沙量整體上呈現(xiàn)明顯減少趨勢,其中2000-2010年李家河和綏德站輸沙量分別只占多年平均的86.30%,74.20%;流域的基流量隨著年代的增加呈明顯下降趨勢。(5)揭示了流域徑流侵蝕功率與流域侵蝕模數(shù)之間的多時空尺度高度相關性。在次降雨洪水能量特征分析計算的基礎上,發(fā)展了月、年等時間尺度徑流侵蝕功率的計算方法,實現(xiàn)了對不同空間尺度流域月、年尺度徑流侵蝕功率特征的計算與分析。結果表明,月、年尺度徑流侵蝕功率,均與輸沙模數(shù)表現(xiàn)出了較好的相關關系,與以徑流量為參數(shù)的計算成果相比,確定性系數(shù)最大從0.64提高到了 0.91,提高了計算結果的精確度。(6)建立了基于不同時空尺度植被格局分形量化參數(shù)和侵蝕動力因子的流域侵蝕產(chǎn)沙響應模型。以黃土高原大理河流域為研究對象,運用非線性數(shù)學模型方法,建立了基于植被格局分形量化參數(shù)和月尺度降雨侵蝕動力的流域侵蝕產(chǎn)沙耦合關系模型;基于該耦合關系模型誤差比較,選取了分形布朗運動維數(shù)作為植被格局分形量化參數(shù)指標,并加以驗證;研究表明,引入了被格局分形量化參數(shù)和侵蝕動力參數(shù)的流域侵蝕產(chǎn)沙模型,比采用單一變量的產(chǎn)沙模型精度更高,能更好地定量描述流域水沙耦合關系,模型的建立和方法的提出具有一定的合理性和可靠性,對其它侵蝕產(chǎn)沙模型的構建有一定的借鑒意義。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S157

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本文編號：1504749