本文關鍵詞：基于高精度DEM的水蝕發(fā)育過程中黃土微地形變化特征

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【摘要】：地表微地形是影響土壤侵蝕變化的重要因子之一,也影響著地表徑流及泥沙輸移。探討微觀尺度(2cm%s2cm)上地表微地形在土壤侵蝕過程中的演變規(guī)律及其對坡面產流量和產沙量的影響,可為進一步理解土壤侵蝕過程并建立土壤侵蝕模型提供理論參考。為此,本文以黃土高原常見的水土保持農業(yè)耕作措施(人工鋤耕、人工掏挖、等高耕作和直線坡)坡面為研究對象,通過不同雨強(60mm/h、90mm/h)和坡度(5°、10°、20°)條件下進行分段人工模擬降雨實驗,基于高精度激光掃描儀獲取的地表微地形的高程數(shù)據,運用地統(tǒng)計學、GIS和分形等理論方法對地表微地形在水蝕發(fā)育(濺蝕、片蝕、細溝侵蝕)過程中的演化規(guī)律、空間分布特征及其對產流產沙量的影響進行了較為系統(tǒng)的研究。主要結論如下:(1)經典統(tǒng)計特征分析表明:各耕作措施的經典統(tǒng)計分析均具有正態(tài)分布特征,可用半方差函數(shù)模型來模擬真實地表微地形。各耕作措施均具有弱變異性,且具有坡度效應,不同耕作措施之間空間變異性表現(xiàn)為Cv等高耕作Cv人工掏挖Cv人工鋤耕Cv直線坡。結果表明,降雨對地表微地形具有一定的削弱夷平作用,其中等高耕作微地形坡面具有較強的空間變異性,對降雨侵蝕具有更高的抑制作用。(2)半方差函數(shù)模型分析:水蝕發(fā)育過程中,各耕作措施均可用半方差函數(shù)模型進行模擬真實地表微地形,且所對應的半方差擬合模型參數(shù)可用于點云數(shù)據在ArcGIS中進行Kriging插值。不同雨強和坡度條件下,不同耕作措施地表微地形均具有中等以上的空間自相關性�？臻g自相關性主要受結構性因子(如耕作方式、坡度)的影響較大。另外,地表微地形的變程受降雨強度和坡度影響較大,變程越大,地表微地形坡面連續(xù)性越差,具有較強空間變異性。因此,地表微地形坡面初始糙度越大,其連續(xù)性較差,空間變異性越強。(3)各向異性分析:水蝕發(fā)育過程中,不同耕作措施的各向異性受降雨的影響較顯著,具有坡度效應,各向異性較強。因此地表微地形坡面初始糙度越大,其各向異性較強。(4)分形維數(shù)分析:水蝕發(fā)育過程中,各耕作措施地表微地形的分形維數(shù)具有:D直線坡D人工鋤耕D人工掏挖D等高耕作的規(guī)律。分形維數(shù)越大,空間結構越復雜,空間變異性越強。因此,不同耕作措施下地表微地形的空間變異性表現(xiàn)為等高耕作人工掏挖人工鋤耕直線坡,且地表微地形坡面空間分布特征受降雨和坡度的影響較大。(5)微地形因子分析表明:降雨對微坡度的影響較明顯,降雨使坡面的整體形態(tài)更趨于平緩;與直線坡面相比,不同耕作措施的微坡度變化的大小依次為等高耕作人工掏挖人工鋤耕;初始坡度越大、降雨強度越大,微坡度的變化也越明顯。與直線坡相比,人工鋤耕、人工掏挖、等高耕作三種措施的微坡向主要集中在東南坡和北坡上,尤以等高耕作耕作措施坡面最為突出。降雨對各耕作措施微坡向的影響大小依次為直線坡等高耕作人工掏挖人工鋤耕,且隨著降雨強度的增大,微坡向的變化量增大。地形起伏度、地表切割深度和匯流累積量決定降雨過程中地表微地形坡面空間分布狀態(tài),相應的值越大,空間變異性較強。等高耕作錯的空間變異性較強,其對水蝕發(fā)育的抑制作用較強。(6)地表微地形在水蝕發(fā)育過程中高程變化特征:除了直線坡的耕作措施對水蝕均具有抑制作用,等高耕作減小幅度最大,等高耕作措施的抑制作用最強。且地表微地形的高程減小幅度隨著坡度和雨強的增大而增大。(7)地表微地形對濺蝕量和產流產沙量的影響:在濺蝕階段,凈濺蝕量具有Tsp直線坡0Tsp人工鋤耕Tsp人工掏挖Tsp等高耕作的規(guī)律,且其總濺蝕量為等高耕作人工掏挖人工鋤耕直線坡。這表明具有初始糙度的耕作坡面對濺蝕的抑制作用比直線坡大;在片蝕階段,不同耕作措施的產流產沙量隨雨強和坡度的增大而增大,且與坡度呈現(xiàn)出對數(shù)函數(shù)關系;在細溝侵蝕階段,不同耕作措施下的產流產沙量隨雨強和坡度的增大而增大,且與降雨歷時分別具有正負對數(shù)函數(shù)(y=±aln(t),R20.5)關系。在片蝕和細溝侵蝕階段,產流量和產沙量呈現(xiàn)直線坡人工鋤耕人工掏挖等高耕作的變化趨勢,這說明初始糙度越大其產流產沙量越小,且等高耕作為最理想的水土保持耕作措施。本文利用降雨前后掃描數(shù)據kriging插值生成的M-DEM相減得到的M-△DEM進行半方差函數(shù)、各向異性、分形維數(shù)等理論方法研究其空間異質性,表明等高耕作的坡面微地形的空間異質性最強,空間結構分布最為復雜,并且其在水蝕發(fā)育過程中對濺蝕量及產流產沙量均最小。這說明等高耕作措施為黃土高原坡耕地最理想的水土保持耕作措施。
【學位授予單位】：西北農林科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S157

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本文編號：1152263