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區域水土流失過程模型與應用 版權信息
- ISBN：9787030729323
- 條形碼：9787030729323 ; 978-7-03-072932-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
區域水土流失過程模型與應用 本書特色
為全國、省區和流域水土流失監測、調查制圖和評價提供參考
區域水土流失過程模型與應用 內容簡介
本書從區域水土流失過程及其影響因子出發，利用地面調查、野外試驗、遙感觀測和GIS空間分析等方法進行水土流失及其環境因子調查和分析，構建區域水土流失過程數學模型。以ArcGIS Engine組件為基礎，在微軟的.NET Framework 4.0下，用C#語言設計與開發區域水土流失過程模型系統，完成大中尺度流域（區域）水土流失過程模擬與分析，并在典型流域進行應用，分析大中尺度流域水土流失過程中徑流泥沙變化規律和徑流泥沙對降雨、土地利用/覆被變化的響應。在此基礎上，對大中尺度流域次暴雨條件下土壤侵蝕與泥沙沉積過程模型與模擬進行探索。 本書可為全國、省區和流域水土流失監測、調查制圖和評價提供參考，也可供從事水土流失、土壤侵蝕和水土保持等方面的研究者和高校師生閱讀參考。
區域水土流失過程模型與應用 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 國外研究現狀 1
1.2 國內研究現狀 4
1.3 存在問題 5
第2章 區域水土流失過程及其影響因子 7
2.1 水土流失的多尺度特征 7
2.2 區域水土流失過程描述 8
2.3 區域水土流失過程影響因子 10
2.4 主要因子的測試與提取 13
2.5 水土流失因子數據庫 16
第3章 區域水土流失模型參數的獲取與處理 20
3.1 區域概況 20
3.2 基礎數據及處理方法 25
第4章 大中尺度流域水沙過程數學模型的構建 38
4.1 模型的總體框架 38
4.2 單元模型的構建 39
第5章 大中尺度流域水沙過程模型系統的設計與開發 49
5.1 系統框架設計及邏輯結構 49
5.2 系統模型設計 51
5.3 關鍵技術開發 52
5.4 功能展示 52
5.5 模型的測試與運行 59
第6章 模型在孤山川流域的驗證 62
6.1 研究區概況 62
6.2 孤山川流域徑流泥沙模擬結果和精度分析 65
第7章 耤河示范區徑流泥沙變化規律分析 73
7.1 降雨對徑流泥沙變化的影響 74
7.2 相同降雨不同土地利用/覆被條件下徑流泥沙的變化 77
第8章 延河流域徑流泥沙變化規律及對土地利用變化的響應 88
8.1 研究區概況 88
8.2 延河流域土地利用變化及驅動力分析 92
8.3 延河流域徑流泥沙時空變化分析 105
8.4 延河流域水沙變化對土地利用變化的響應 117
第9章 “7.26”洪水大理河流域泥沙來源反演分析 120
9.1 流域概況 120
9.2 “7.26”洪水大理河泥沙來源反演 122
第10章 流域次暴雨條件下土壤侵蝕與泥沙沉積過程模擬 128
10.1 基礎數據 129
10.2 流域土壤侵蝕/沉積數學模型的構建 134
10.3 地形對土壤侵蝕/沉積影響的模擬 139
10.4 流域次暴雨土壤侵蝕/沉積模型系統的開發 142
10.5 流域次暴雨土壤侵蝕/沉積過程模擬結果與分析 152
10.6 結論 165
參考文獻 167
前言
第1章 緒論 1
1.1 國外研究現狀 1
1.2 國內研究現狀 4
1.3 存在問題 5
第2章 區域水土流失過程及其影響因子 7
2.1 水土流失的多尺度特征 7
2.2 區域水土流失過程描述 8
2.3 區域水土流失過程影響因子 10
2.4 主要因子的測試與提取 13
2.5 水土流失因子數據庫 16
第3章 區域水土流失模型參數的獲取與處理 20
3.1 區域概況 20
3.2 基礎數據及處理方法 25
第4章 大中尺度流域水沙過程數學模型的構建 38
4.1 模型的總體框架 38
4.2 單元模型的構建 39
第5章 大中尺度流域水沙過程模型系統的設計與開發 49
5.1 系統框架設計及邏輯結構 49
5.2 系統模型設計 51
5.3 關鍵技術開發 52
5.4 功能展示 52
5.5 模型的測試與運行 59
第6章 模型在孤山川流域的驗證 62
6.1 研究區概況 62
6.2 孤山川流域徑流泥沙模擬結果和精度分析 65
第7章 耤河示范區徑流泥沙變化規律分析 73
7.1 降雨對徑流泥沙變化的影響 74
7.2 相同降雨不同土地利用/覆被條件下徑流泥沙的變化 77
第8章 延河流域徑流泥沙變化規律及對土地利用變化的響應 88
8.1 研究區概況 88
8.2 延河流域土地利用變化及驅動力分析 92
8.3 延河流域徑流泥沙時空變化分析 105
8.4 延河流域水沙變化對土地利用變化的響應 117
第9章 “7.26”洪水大理河流域泥沙來源反演分析 120
9.1 流域概況 120
9.2 “7.26”洪水大理河泥沙來源反演 122
第10章 流域次暴雨條件下土壤侵蝕與泥沙沉積過程模擬 128
10.1 基礎數據 129
10.2 流域土壤侵蝕/沉積數學模型的構建 134
10.3 地形對土壤侵蝕/沉積影響的模擬 139
10.4 流域次暴雨土壤侵蝕/沉積模型系統的開發 142
10.5 流域次暴雨土壤侵蝕/沉積過程模擬結果與分析 152
10.6 結論 165
參考文獻 167
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區域水土流失過程模型與應用 節選
第1章緒論 水土流失是世界性的環境問題，是土地退化的主要形式之一。水土流失發生在地表物質遷移轉換*為強烈的土壤圈，是現代表層系統過程的主要物質運移過程。由于該過程與地表環境因子具有廣泛密切的發生學和空間聯系，同時也直接參與了土壤和地表松散物質、地表徑流及土壤有機碳等物質的運移，水土流失過程是地表覆蓋變化的原因之一，因而對區域甚至全球環境造成影響。所以關于水土流失的研究，除受到土壤學（微觀侵蝕學）、地貌學（侵蝕地貌形態變化）等傳統學科重視外，全球變化和地球系統科學也日益重視區域尺度的水土流失。同時，國家、流域機構和省區水土流失治理與生態環境建設的宏觀決策，依法對全國和區域水土流失狀況的定期普查與公告等，均需要區域水土流失信息的支持。自20世紀90年代以來，為了滿足水土保持宏觀決策的需求，也為了認識水土流失對環境的影響，分析評估全球變化與區域水土流失關系，國內外對區域水土流失研究均給予了高度重視［1-5］。區域水土流失模型的建立與應用，是區域水土流失監測與評價的重要內容，是國家水土保持普查和宏觀規劃決策的需要，也是全球變化背景下水土保持科學研究的需要［6］。 1.1國外研究現狀 水土流失已有研究可以概括為五個方面：一是實用化的水土流失調查制圖;二是利用遙感和GIS技術方法與坡面侵蝕模型結合，實現對區域水土流失的評價；三是基于坡面侵蝕模型，利用時空尺度轉換方法，完成大區域水土流失評價和預報；四是基于遙感和GIS數據與方法，開發區域水土流失模型；五是基于分布式模型的流域產流產沙量估算。 （1）利用調查的方法進行土壤侵蝕評價 美國農業部自然資源保護局的土壤侵蝕調查方法富有特色，它建立了一個全美土壤侵蝕監測預報網絡系統，在全美布設80萬個抽樣點，定期進行一定數量的抽樣調查，結合通用土壤流失方程（universal soil loss equation，USLE）進行全美的土壤侵蝕評價［7］。這種方法的基礎有三個方面：一是完善的基礎數據支持（用以計算USLE各因子值）；二是土壤侵蝕定量計算工具；三是一批訓練有素的工作人員。 （2）基于GIS和坡面模型的流域（區域）土壤侵蝕評價 20世紀90年代初有人將USLE和RUSLE(revised universal soil loss equation)、WEPP（water erosion prediction project）與GIS結合進行區域尺度水土流失預報［8，9］。澳大利亞學者以RUSLE為基礎，利用覆蓋全澳大利亞的較粗分辨率或較小比例尺數據，完成了澳大利亞大陸片蝕、細溝侵蝕的定量評價和制圖［10］。這種方法將坡面模型直接應用于區域尺度，對空間尺度問題尚未給予足夠的重視。同時，模型與GIS是一種松散式的集成和結合，因而既不能完全發揮模型本來的優勢，也不能完全發揮GIS的優勢。例如，對徑流、泥沙物質的匯集和傳輸計算等，基本上沒有良好的方法處理。 （3）考慮尺度變換的區域侵蝕評價 在全球變化與陸地生態系統(global change and terrestrial ecosystem，GCTE)研究項目中，來自世界各地的土壤侵蝕科學家對現有的土壤侵蝕模型進行了分析比較和評價，力圖理解多種空間尺度土壤侵蝕過程之間的聯系，并找到一種尺度轉換的方法［11-15］。有關研究對水土流失的尺度問題進行了探索［16-18］，取得了一些進展，但理論和方法均尚未成熟。 （4）區域水土流失模型的探索 土壤侵蝕危險性評價更多關注全球和區域尺度［19-21］。之后，Kirkby等在地中海地區荒漠化和土地利用（Mediterranean desertification and land use，MEDLUS）研究中，提出了區域水土流失模型。模型基于土壤侵蝕過程，可計算尺度達5000km2的流域［22，23］。作者認為該方法可被推廣應用到全球尺度（分辨率為1000m）。同樣在MEDLUS項目中，荷蘭科學家de Jong等對區域尺度基于GIS的分布式土壤侵蝕模型進行了有益的探索［2］。該模型將整個土壤侵蝕過程概化為徑流和輸沙兩個階段，模擬區域尺度的土壤侵蝕過程并輸出土壤侵蝕圖。研究者對土壤侵蝕的多尺度特征和區域水土流失的空間變異性、區域尺度上土壤侵蝕與土地利用和氣候變化的關系也進行了初步討論［24-27］。但至今未能建立起像USLE那樣實用的模型。 （5）基于分布式模型的流域產流產沙量估算 比較成熟的方法是利用SWAT模型［28］（soil and water assessment tool）模擬流域徑流過程和輸沙量，并在多個國家不同研究區得到應用［29-32］。但模型對降雨較少、產流產沙量小以及短期徑流量的情景模擬結果較差， 更不適合單一事件的洪水過程的模擬。比利時魯汶大學在USLE基礎上研發的分布式土壤侵蝕模型WatEm/SEDEM模型［33］（water and tillage erosion model and sediment delivery model）。該模型結構相對簡單，但卻能夠分析土壤侵蝕各因素對土壤侵蝕作用的空間分布，同時考慮了土地利用格局對土壤流失的攔截作用和泥沙的運移過程，可用于模擬年均土壤侵蝕率和沉積強度。雖然該模型在許多國家得到成功應用，但其主要不足之處在于不能模擬徑流。另外，英國利茲大學 Kirkby 等［34］研制開發了 PESERA(Pan-European soil erosion risk assessment) 模型，該模型是一個具有物理基礎的分布式、長時段、大尺度土壤侵蝕模型，可以輸出月侵蝕強度和月徑流總量，已被廣泛用于歐洲土壤侵蝕風險評估。但是該模型在坡面的泥沙供給總是在足量的假定條件下，不考慮河道匯流，輸沙及泥沙淤積等過程，其模擬精度受到限制。 1.2國內研究現狀 與區域水土流失模型直接相關的研究可概括為國家和區域水土流失調查制圖、區域水土流失因子分析、區域水土流失定量評價和區域水土流失模型探索四個方面。 （1）區域水土流失調查與制圖 國內從20世紀50年代起多次組織全國和區域性的土壤侵蝕調查［35，36］。80年代和90年代末期，水利部先后兩次組織進行了全國土壤侵蝕的遙感調查與制圖［37］，在當時的技術水平、數據積累條件下，基本查清并公告了全國土壤侵蝕基本狀況，為全國水土流失治理提供了比較系統的數據支持。一是查清了全國土壤侵蝕的基本狀況，為國家水土保持宏觀規劃和決策提供了支持；二是朱顯謨院士提出土壤侵蝕分類［38］和分區系統［39］，對以后的土壤侵蝕學科發展形成了深遠的影響；三是根據植被覆蓋度和地面坡度兩個指標，完成對土壤侵蝕強度的評價，形成了富有中國特色的水土保持遙感普查制度［40］。目前，大區域土壤侵蝕的調查制圖基本上是利用這種方法完成對土壤侵蝕強度的評價。該方法簡單實用、可操作性較強。但其中也存在一些問題，主要是難以直接反映氣候、土壤和治理措施等要素對侵蝕的復雜影響，因而對土壤侵蝕的評價不是很全面；而且半手工操作方式受作業人員主觀因素影響較大，不便進行質量檢驗；同時由于是一個定性的侵蝕強度等級評價，難以實現對水土流失的定量評價和預報。因此，在改進和完善已有的調查評價方法基礎上探索新的方法勢在必行。 （2）區域水土流失因子分析 區域水土流失因子分析，對區域水土流失因子進行了比較系統的研究，包括降雨侵蝕力的研究［41， 42］，全國徑流輸沙時空特征分析［43-45］，土壤可蝕性K值的測試和全國范圍內土壤可蝕性及其地理分布特征分析［46， 47］，全國和黃土高原土壤抗沖性研究［48-51］，全國水土流失評價地形因子提取和分析［52］，以及植被因子研究［53］等。進一步研究的重點應該是，系統整理和集成這些研究和資料，將其應用于區域水土流失模型中，同時就其與水土流失的定量關系做出深入研究。 （3）區域水土流失定量評價 我國區域水土流失定量評價始于20世紀80年代。國家水土保持宏觀決策，需要對全國水土流失進行宏觀評價，為此，卜兆宏等［54］根據USLE的基本形式，通過實測方法得出適合我國的有關參數，開發了水土流失遙感定量快速監測方法，并在南方的福建、江西、江蘇和北方的山東等地推廣應用。傅伯杰等［55］利用USLE完成了中等流域（延河）土壤侵蝕評價。楊艷生［56］根據USLE的評價思想，通過將USLE中的坡面指標引申為區域指標，對長江三峽地區的水土流失進行宏觀的研究，建立該區的水土流失預測方程，但是其中沒有充分考慮到各個因子隨尺度變化的響應過程。 （4）區域水土流失模型探索 有一類方法是利用已有區域水土流失因子，建立區域水土流失模型［57-59］。此類方法是對區域尺度水土流失定量評價的有益嘗試。但這類與國外有關研究相似，對空間尺度考慮不足，同時均未直接對區域水土流失過程進行描述。第二類方法是根據區域水土流失過程，在GIS環境下開發的模型［60-66］，對區域土壤侵蝕模型開發具有重要參考價值。但由于區域尺度上問題比較復雜，也受到對尺度問題認識上的限制等，至今也沒有成熟、實用的模型。第三類方法是對徑流過程進行描述的分布式水文模型研究成果［67， 68］，對區域水土流失模型開發具有重要參考價值。 1.3存在問題 區域水土流失模型研究目前仍存在以下五方面問題：①目前的土壤侵蝕模型，主要集中在坡面及小流域，對大中流域的研究較少。②借鑒國外土壤侵蝕產沙模型時，有兩個問題重視不夠：一是地形地貌條件，國外模型基本上只適用于緩坡地的侵蝕環境，不適應于像黃河流域黃土高原類的陡坡地侵蝕環境；二是產流機制，國外不少物理成因模型是在蓄滿產流條件下建立的，而在引進這些模型中，往往將其直接應用于我國以超滲產流機制為主的地區，由此也就難以保證模擬精度，難以推廣應用。③對區域尺度土壤侵蝕過程缺乏清晰明了的認識和理解，限制了區域土壤侵蝕定量評價和模型開發研究的進步。④在不同區域，影響土壤侵蝕的因子不同，它們的組合以及組合力度也不同，因此，在現有情況下建立大中尺度流域的單個模型預測的準確性受到限制。⑤侵蝕模型與GIS結合，大多還只是一種松散式的結合，致使遙感和GIS的優勢不能得到充分發揮。 因此，本書以土壤侵蝕學、泥沙動力學、水力學和地貌學等為理論基礎，分析區域（流域）產流產沙、水沙物質傳輸機理，利用RS、GIS等技術，開發大中尺度流域（區域）水土流失過程模型，用以分析大中尺度流域徑流泥沙時空分布特征，揭示多因素變化下大中尺度流域水沙變化規律，為認識大中尺度流域水沙變化提供理論支撐，也為該區域開展生態環境建設提供科學依據。其研究成果將促進土壤侵蝕學、泥沙動力學、水文學和GIS等交叉學科的發展。
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