基于GIS的流域地貌多重分形特征与侵蚀产沙关系研究

摘要

由于流域地貌形态的多样性及空间组合的复杂性,其科学准确量化成为建立具有广泛适用性的流域水土流失预报模型所亟待解决的关键问题之一。本文依据多重分形等相关理论、结合GIS技术和室内模拟试验,提出了基于数字高程模型DEM的流域三维地貌多重分形特征量化模型及实现方法,揭示了小流域模型、大理河及杏子河流域三维地貌多重分形谱参数的动态变化及空间分布特征,探讨了大理河流域不同空间尺度子流域地貌奇异指数变化范围的差异性,建立了基于地貌多重分形信息熵的流域地貌多重分形特征与次降雨侵蚀产沙耦合关系模型,取得了如下主要研究成果：(1)基于数字高程模型DEM的流域三维地貌多重分形特征量化模型和实现方法该量化模型包括三个子模型,即流域三维地貌特征概率测度子模型、阶距q估算子模型和多重分形谱测算子模型,此模型为实现流域地貌多重分形特征的直接量化提供了可靠保证。(2)小流域模型地貌多重分形谱及各参数动态变化特征依据地貌信息熵可将历经25模拟降雨的小流域模型地貌发育划分为幼年期和壮年期两个阶段,不同阶段小流域模型地貌地貌多重分形谱曲线形状基本相似,均呈向右的钩状；随着小流域模型地貌的不断发育,地貌多重分形谱奇异指数分布范围Δα均呈现增长趋势,多重分形谱曲线高差Δf则表现出递减趋势,其中壮年期二者的变化幅度明显比幼年期小；同时,小流域模型地貌奇异指数分布范围Δα与沟谷密度、平均坡度等6个传统地貌量化参数呈极显著相关。(3)大理河及杏子河流域地貌多重分形特征空间分异规律大理河、杏子河各子流域地貌的多重分形谱f(α)随地貌奇异指数α增大呈先增加后减小的变化趋势,但多重分形谱f(α)和地貌奇异指数α的极值、变化范围在各子流域均有所不同。大理河流域地貌奇异指数分布范围Δα平均值从上游到下游依次为：0.1304、0.1544和0.1584；左右岸分别为0.1431和0.1572；表明大理河流域地貌形态变化自上游向下游趋于复杂,右岸地貌复杂程度相对较大。杏子河流域地貌奇异指数分布范围Δα平均值从上游到下游依次为：0.1712、0.1617和0.1461；左右岸分别为0.1614和0.1557,表明杏子河流域地貌形态变化自上游向下游复杂性逐步减弱,左岸地貌复杂程度相对较大。(4)大理河流域地貌多重分形特征空间尺度效应大理河流域不同空间尺度的子流域三维地貌均具有多重分形特征,清阳岔、李家河和西庄子流域地貌奇异指数Δα随流域面积增大呈明显增长趋势,平均增幅分别为10.57％、5.26%和11.79%,其变化曲线可分别用极显著的对数和线性函数来定量表达,表明随着空间尺度增加改变,流域地貌的复杂性和不均匀性更为明显。(5)流域地貌多重分形信息熵与侵蚀产沙关系小流域模型地貌多重分形信息熵与次降雨相对输沙模数和径流模数关联度分别为0.8129和0.9050,明显高于其它传统地貌量化参数。地貌多重分形信息熵与次降雨输沙模数定量耦合关系表明,地貌对降雨侵蚀产沙的影响存在明显临界值,当地貌多重分形信息熵分别为2.6162和4.077时,小流域模型及野外典型流域岔巴沟次降雨侵蚀产沙出现峰值,成为其降雨侵蚀产沙的地貌临界点。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 立题依据

1.2 国内外研究进展

1.2.1 流域地貌特征量化方法研究

1.2.2 流域地貌特征与降雨侵蚀产沙关系研究

1.2.3 GIS在流域地貌特征量化中的应用研究

1.3 研究目标和内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 研究方法和技术路线

1.4.1 研究方法

1.4.2 技术路线

2 基于GIS的流域地貌多重分形特征量化模型及实现方法

2.1 分形理论概述

2.1.1 分形理论的提出背景

2.1.2 分维

2.1.3 自相似性和标度不变性

2.1.4 分形理论的发展及其在地貌学中的应用

2.1.5 分形理论的科学方法论意义

2.2 多重分形基本原理

2.2.1 基本概念

2.2.2 流域三维地貌特征多重分形计算模型

2.3 基于GIS的流域地貌多重分形特征量化实现方法

2.3.1 基于数字高程模型DEM的流域地貌三维空间数据创建

2.3.2 流域三维地貌特征多重分形量化的GIS实现

2.4 本章小结

3 流域地貌不同发育阶段多重分形特征模拟研究

3.1 小流域模型地貌发育过程模拟试验

3.1.1 小流域模型建立和试验条件设计

3.1.2 模拟试验主要数据的获取

3.1.3 小流域模型地貌发育阶段的界定

3.2 小流域模型不同发育阶段地貌多重分形特征

3.2.1 小流域模型不同阶段地貌数字高程模型DEM的建立

3.2.2 计算参数的选取

3.2.3 小流域模型幼年阶段地貌多重分形特征

3.2.4 小流域模型壮年期地貌多重分形特征

3.3 小流域模型地貌多重分形特征与传统地貌量化参数关系

3.3.1 不同发育阶段小流域模型传统地貌参数变化

3.3.2 地貌多重分形谱参数与传统地貌量化参数关系

3.4 本章小结

4 大理河及杏子河流域地貌多重分形特征空间分异研究

4.1 大理河流域地貌多重分形特征空间分异

4.1.1 大理河流域概况

4.1.2 研究子流域选取

4.1.3 研究子流域DEM创建及阶距q取值范围选取

4.1.4 大理河流域不同空间部位地貌多重分形特征

4.1.5 大理河流域地貌多重分形特征与传统地貌量化参数关系

4.2 杏子河流域地貌多重分形特征空间分异

4.2.1 杏子河概况

4.2.2 研究子流域选取

4.2.3 研究子流域DEM创建及阶距q取值范围选取

4.2.4 杏子河流域不同空间部位地貌多重分形特征

4.2.5 杏子河流域地貌多重分形特征与传统地貌量化参数关系

4.3 本章小结

5 大理河流域三维地貌多重分形特征尺度效应研究

5.1 流域地貌空间尺度划分

5.1.1 大理河上游清阳岔流域空间尺度划分

5.1.2 大理河中游李家河流域空间尺度划分

5.1.3 大理河下游西庄流域空间尺度划分

5.2 大理河上游青阳岔流域地貌多重分形特征的尺度效应

5.2.1 地貌多重分形线性区间分析

5.2.2 地貌多重分形谱及各参数的空间尺度效应

5.3 大理河中游李家河流域地貌多重分形特征的尺度效应

5.3.1 地貌多重分形的线性区间分析

5.3.2 地貌多重分形谱及各参数的空间尺度效应

5.4 大理河下游西庄流域地貌多重分形特征的尺度效应

5.4.1 地貌多重分形的线性区间分析

5.4.2 地貌多重分形谱及各参数的空间尺度效应

5.5 本章小结

6 流域地貌多重分形特征与降雨侵蚀产沙关系

6.1 流域地貌多重分形信息熵计算

6.1.1 信息熵概述

6.1.2 信息熵的定义

6.1.3 流域地貌多重分形信息熵的计算

6.2 小流域模型地貌多重分形信息熵与降雨侵蚀产沙关系

6.2.1 小流域模型地貌多重分形信息熵与降雨侵蚀产沙关联性分析

6.2.2 小流域模型径流侵蚀力与地貌多重分形信息熵响应关系

6.3 岔巴沟流域地貌多重分形信息熵与降雨侵蚀产沙关系

6.3.1 岔巴沟流域概况

6.3.2 研究子流域选取

6.3.3 岔巴沟流域地貌多重分形信息熵计算

6.3.4 岔巴沟流域地貌多重分形信息熵与次降雨输沙模数的定量耦合关系

6.4 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

附录

在校期间发表的学术论文

在校期间参加的科研项目情况