【摘要】：坡耕地是黃土高原地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)耕作場所,也是土壤侵蝕最容易發(fā)生的場所,而坡耕地土壤侵蝕一直以來嚴(yán)重制約著黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。坡耕地水文連通性能夠影響泥沙沉降和徑流運(yùn)移,進(jìn)而影響土壤侵蝕的進(jìn)一步發(fā)育與演化,因而是理解徑流空間變化和土壤侵蝕的主要因子。目前,有關(guān)坡耕地水文連通性的研究幾乎都集中在流域尺度,而針對(duì)微地形尺度下的研究甚少,影響了人們對(duì)于微地形在水文連通中重要作用的認(rèn)知。為了深刻理解微地形尺度下的坡面徑流產(chǎn)流過程和機(jī)制,分析徑流和泥沙源匯區(qū)的變化過程,表達(dá)徑流過程的復(fù)雜性以及地表糙度和坡度的效應(yīng),本文基于人工降雨模擬試驗(yàn),以等高耕作(CT)和人工掏挖(AD)的微地形坡面為研究對(duì)象,結(jié)合GIS技術(shù)探究了60 mm/h和90 mm/h雨強(qiáng)條件下5種不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)坡面的水文連通性結(jié)構(gòu)特征和功能特征。主要結(jié)論如下:(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度會(huì)影響微地形地表進(jìn)行數(shù)值模擬,從而影響河流總長度、河網(wǎng)閾值、徑流長度和地表糙度。微地形坡面點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀的最佳精度是6 mm,用克里金差值方法建立高精度DEM,作為微地形地表水文連通性研究的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。(2)河網(wǎng)閾值和河流總長度具有很強(qiáng)的相關(guān)性。最佳河網(wǎng)閾值為0.9,河網(wǎng)閾值和河流總長度擬合度大小依次為:AD90 mm/hCT90 mm/hAD60 mm/h。(3)徑流長度可作為描述微地形坡面水文連通結(jié)構(gòu)性的重要指標(biāo)。徑流長度的柵格數(shù)占比能夠表達(dá)徑流源區(qū)的形成。黃土耕作坡面的徑流源區(qū)主要由較小(6-10 mm)徑流長度值形成;隨著降雨的持續(xù),徑流路徑越來越多,彼此相互連通,形成一個(gè)個(gè)小面積的徑流源區(qū);小面積的徑流源區(qū)通過徑流路徑不斷匯聚成較大面積的徑流源區(qū),使水文連通面積越來越大。(4)坡度、雨強(qiáng)和地表糙度是影響坡面水文連通結(jié)構(gòu)性的主要因素。坡度和雨強(qiáng)越大,徑流長度越大,越有利于水文連通性的發(fā)展;地表糙度增加阻礙水文連通性的發(fā)展。耕作措施對(duì)水文連通結(jié)構(gòu)性也有一定的影響:相同坡度和雨強(qiáng)條件下,AD比CT更有利于水文連通性發(fā)展。(5)簡化水文曲線和相對(duì)地表連接函數(shù)能夠生動(dòng)地反映微地形坡面的水文連通功能性特征,表達(dá)徑流的產(chǎn)流過程和產(chǎn)流機(jī)制。隨著降雨次事件的依次發(fā)生,坡面的徑流會(huì)迅速連通并產(chǎn)流,但當(dāng)坡面的入滲速度和地表儲(chǔ)水速度一致時(shí),坡面的水文連通面積比和地表滯水會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。水文連通面積比(C)平均值從高到低依次為:AD90 mm/hCT90 mm/hAD60 mm/h。(6)坡度和雨強(qiáng)是影響坡面水文連通功能性的主要因素。坡度和雨強(qiáng)越大,簡化水文曲線中C達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的累積降水量和相對(duì)地表連接函數(shù)中C達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的DS/DSmax值越小,簡化水文曲線和相對(duì)地表連接函數(shù)的擬合度越大。耕作措施對(duì)水文連通功能性也有一定的影響:相同坡度和雨強(qiáng)條件下,AD比CT更有利于水文連通性發(fā)展。本論文利用GIS技術(shù)探究我國黃土高原坡耕地微地形尺度水文連通性可以有效發(fā)展水文中微觀尺度(毫米級(jí)的格網(wǎng)單元)向中尺度(坡面、地塊)和宏觀尺度(流域)的尺度轉(zhuǎn)換技術(shù),提高坡面和流域尺度水文連通性模型模擬精度,促進(jìn)黃土高原地區(qū)水土資源可持續(xù)管理的科學(xué)決策。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S157;P333
【圖文】：

圖 2-1 技術(shù)流程圖Figure 2-1 Schematic diagram of technical route表數(shù)值模擬細(xì)致的反映出地表微地形的空間起伏變化，故本文基于三維掃描儀獲得不同雨強(qiáng)、耕作措施、坡度下微地形地表侵蝕階段下的微地形DEM，作為本論文的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文連通結(jié)構(gòu)性特征研究IS的 3D分析和水文分析功能獲取地表糙度和徑流長度，通比，比較徑流長度與地表糙度、雨強(qiáng)、坡度的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)條件下微地形水文連通結(jié)構(gòu)性特征研究。文連通功能性特征研究降雨模擬實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)計(jì)算徑流系數(shù)、降雨量、地

第二章 研究內(nèi)容與方法 11圖2-2 微地形（等高耕作和人工掏挖）Figure 2-2 Microtopography (CT and AD)2.4.2 降雨器實(shí)驗(yàn)用降雨器為黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的下噴式降雨設(shè)備，在室內(nèi)完成所有人工模擬降雨試驗(yàn)。降雨器高度為 16m，降雨均勻度＞80%，可保證所有雨滴到達(dá)侵蝕槽前達(dá)到終點(diǎn)速度，使得模擬降雨能夠復(fù)制自然降雨的雨滴大小和分布（Shen et al. 2016）。在正式降雨實(shí)驗(yàn)前要調(diào)試降雨器，并采用 30 mm/h 的雨強(qiáng)對(duì)侵蝕槽進(jìn)行 30min的預(yù)降雨，以保持土壤濕度，固結(jié)土壤表面的疏松土粒，減少地表的空間變異性。試驗(yàn)雨強(qiáng)設(shè)為 60 mm/h和 90 mm/h。2.4.3 掃描儀采用三維激光掃描儀（拓普康GLS1500，垂直誤差小于0.003 m）獲得地表高程點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖 2-3 簡化水文曲線與相對(duì)地表連接函數(shù)Figure 2-3 Simplified hydrograph and relative surfaceconnection function（2）地表儲(chǔ)水量相對(duì)地表連接函數(shù)中入滲量和地表儲(chǔ)水量計(jì)算公式如下（Apples et al. 2011; Philip2003; Wang et al. 2015）：（公式 2-2）式中，R 為徑流系數(shù)(在數(shù)值上等于 C)， p 為雨強(qiáng)(mm / h)， P 為累積降雨量(mm3)，I 為累積入滲量(mm3)， DS 為地表儲(chǔ)水量(mm3)。其中，（公式 2-3）(1)()DSPIfpiR = pKtSi =+2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2750491