基于GeoCA的黄土模拟小流域沟谷水蚀过程模拟

摘要

黄土高原因其独特的地貌形态和气候特征，成为我国土壤侵蚀最严重的区域之一。沟谷侵蚀作为土壤侵蚀的常见类型之一，是黄土高原水土流失的主要原因，对黄土高原的地形塑造起着重要作用。前人从沟谷侵蚀的产生机理、影响因子、发育过程监测、侵蚀产沙预报模型等多个方面对沟谷侵蚀进行了较为全面的研究，但由于研究方法和技术手段的限制，对沟谷侵蚀时空过程的研究较少。地理元胞自动机（Geographical Cellular Automate，GeoCA）具有鲜明的时空耦合特征，适合地理空间系统的动态过程模拟，初步的研究表明地理元胞自动机可以较好地模拟黄土小流域的沟谷发育过程。
　　本研究针对沟谷的水蚀过程进行模拟，以沟谷水力侵蚀过程作为研究的理论基础，结合地理元胞自动机的方法，采用模拟小流域为实验数据，制定以动力学公式为主的转换规则，构建基于GeoCA的黄土模拟小流域沟谷水蚀模型。在此基础上，模拟并分析小流域的沟谷水蚀过程，以具体实例论证模型的有效性和模拟精度，并与现有研究方法进行对比。
　　论文的主要研究内容和结论如下:
　　1.构建基于GeoCA的黄土模拟小流域沟谷水蚀模型
　　本研究以沟谷水蚀过程与地理元胞自动机的基本理论为基础，设计以沟谷水蚀物理模型为基础的GeoCA转换规则，模型构建过程中转换规则的数学模型和表达方式为研究重点。依据DEM的汇流特征，模型仅考虑地面径流对侵蚀过程的影响;根据侵蚀强度的差异性，将沟谷水蚀过程划分为坡面侵蚀过程和沟谷侵蚀过程;鉴于沟谷水蚀过程的复杂性，模型将水蚀过程中的下切侵蚀过程坐为主要模拟过程。在此基础上，阐述模型的具体实现步骤，设计并实现基于GeoCA的黄土模拟小流域沟谷水蚀模型的算法。
　　2.沟谷水蚀模型的动态过程模拟
　　本研究以模拟小流域为实验数据进行沟谷水蚀模型的过程模拟，实验分为单期黄土小流域侵蚀过程模拟和多期黄土小流域侵蚀过程模拟，并对多期模拟结果与实测结果的进行对比分析。模拟结果表明，沟谷的形状不随侵蚀过程发生明显变化，高程值持续不断下降的趋势。误差主要集中在沟沿线附近，是模型未考虑横向侵蚀和溯源侵蚀过程所导致。
　　3.沟谷水蚀模型结果的验证
　　本研究为验证模型的模拟能力，将模拟结果与实测结果、数据挖掘沟谷模型的模拟结果进行对比。验证结果表明，模型模拟的沟长、沟宽、沟深与实测结果的误差均小于30％，发育程度和侵蚀体积均小于实测结果。相较于数据挖掘沟谷模型的模拟结果，本研究的模拟结果精度更高，在高程的变化方面更加接近侵蚀过程。
　　综上，本研究在沟谷水力侵蚀研究的理论基础上，结合地理元胞自动机的方法，构建沟谷水蚀模型，解决沟谷水蚀的动态模拟问题;本研究对不同地形条件下沟谷水力侵蚀强度的差异进行探究，根据侵蚀程度的差异性制定模型转换规则，从而提升沟谷水蚀过程的模拟精度。

目录

声明

论文说明

摘要

图目录

表目录

第1章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 沟谷侵蚀相关研究进展

1．2．2 基于地理元胞自动机的沟谷研究

1．2．3 总结

1．3 研究内容与论文组织

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．3．3 论文结构

第2章 研究数据与研究方法

2．1 实验样区与数据

2．2 研究方法与技术路线

2．2．1 研究方法

2．2．2 实验平台

2．2．3 技术路线

2．3 本章小结

第3章 基于GeoCA的沟谷水蚀模型构建

3．1 沟谷水蚀的基本特征

3．2 模型转换规则设计

3．2．1 参数选取

3．2．2 下渗规则

3．2．3 水流流向规则

3．2．4 水流流量规则

3．2．5 水流流速规则

3．2．6 泥沙输移规则

3．3 黄土模拟小流域沟谷水蚀模型构建

3．3．1 模型假设条件与参数设定

3．3．2 模型结构及实现

3．4 本章小结

第4章 基于GeoCA的沟谷水蚀模型评价

4．1 黄土模拟小流域沟谷水蚀过程分析

4．1．1 单期黄土小流域沟谷水蚀过程模拟

4．1．2 多期黄土小流域沟谷水蚀过程模拟

4．2 黄土模拟小流域沟谷水蚀模型验证

4．2．1 沟道形态对比分析

4．2．2 发育程度对比分析

4．2．3 侵蚀体积对比分析

4．3 黄土模拟小流域沟谷水蚀模型对比

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要工作及结论

5．2 存在的不足与研究展望

参考文献

致谢