基于DEM的地貌实体单元自动提取方法

我国传统地貌基本形态类型分类强调地貌单元的完整性,界线划分沿地貌实体边界而非规则统计单元,目前尚缺乏地貌实体单元的有效自动提取方法。针对这一难点,本文提出一种基于DEM的地貌实体单元数字提取方法。利用坡度分级,并搜索相邻栅格单元、计算坡度级别内相互连通栅格的面积,建立坡度、面积阈值综合判别规则进行山地平原的自动划分;利用地形倒置、水文淹没分析,将山体划分的二维判别规则扩展到实际三维地形中,并结合地形结构线提取算法进行山体界线自动提取、确定山地地貌实体单元。结果表明,该方法符合我国传统地貌分类体系,能够较好实现山地/平原的自动划分和山体界线的数字提取。     

分布式时变增益流域水循环模拟

针对分布式水文模拟的问题,结合河西走廊黑河流域实际资料条件,提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型 (DTVGM)。DTVGM将单元时变增益水文非线性模型(TVGM)拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型,基于水量平衡方程和蓄泄方程建立土壤水产流模型,并应用运动波方法建立分级网格汇流模型。最后,以黑河干流山区流域为例应用DTVGM开展了实例研究,设计开发了模型系统。研究区域被划分为38 277个网格单元 (网格大小为500 m×500 m),在此基础上将流域划分为456级带状汇流区域。考虑到黑河干流山区的寒区特点,模型耦合了融雪径流模型。模拟结果表明,DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征,同时具有水文系统分析适应能力强的优点,能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件获得比较好的分布式水文模拟效率,在黑河干流山区的应用能够较好地满足水资源管理的要求。     

石羊河流域的水资源

石羊河流域分为径流形成区(山区)和散失区(平原区),由河流联接成为统一的水资源系统和完整的生态单元。全流域出山地表水资源15.82亿立方米,平原区纯地下水天然资源1.54亿立方米,合计7.36亿立方米。地表径流主要形成于高山区,面积占30%的高山区(3400米以上),产流量占74%。山区河流有连续丰、枯水年,丰水年持续期为10年,枯水年持续期达20年。本流域山前平原地区的地表水、地下水相互制约,相互转化,水资源主要来自山区,地下水是地表水的渗漏,泉水是出露的地下水。水资源转化为重复利用和提高利用率创造了条件,但不能增加数量。     

基于CART决策树的双尺度流域单元地貌分类研究——以北回归线(云南段)地区为例

针对当前单一地貌划分单元造成的分类结果破碎或漏分问题,该文引入双尺度流域单元划分方法,即采用两种不同大小流域单元的组合作为地貌划分基本单元,以提高地貌划分的细分性和完整性。以30 m ASTER GDEM数据为数据源,基于最佳地形因子组合(高程、地势起伏度、坡度、坡度变率、光照模拟值)、双尺度流域单元、CART决策树算法,实现了北回归线(云南段)地区平原(2类)和山地(7类)共9类地貌的划分,双尺度流域单元划分的最佳流量阈值分别为500、2000。通过平均值、标准差、Moran′s I和人工判读结果对分类结果进行检验,发现基于CART决策树的双尺度流域单元地貌分类方法在北回归线(云南段)地区总体精度可达82.1%,Kappa系数为0.793,总体能够准确识别出研究区的地貌类型空间分布特征,是地貌类型划分的一种可行方法。     

近50 a来黑河流域水资源问题与流域集成管理

 基于黑河流域器测水文等资料,分析了近50 a来黑河流域水资源形成区——上游山区水资源变化的历史背景和趋势、平原绿洲-荒漠耗水区3个循环带水资源时空变化及区域耗水特征,以及水资源管理政策变化下的流域中下游水环境问题和社会经济系统水循环过程中的水问题,探讨了解决内陆河流域水问题的水资源集成管理和区域可持续发展对策。     

基于河链结构和LUCC的分布式流域水文模型及径流响应

为了定量评估土地利用/覆被变化的水文水资源效应,并考虑流域水文效应的空间差异,提出考虑土地利用/覆被变化的分布式流域水文模型。该模型基于Shreve河链概念对流域河网进行单元划分,基于中国科学院土地资源分类系统的一级类型,将流域划分为6种不同土地利用及覆被变化类型;在每一类土地利用及覆被变化面积上,分别考虑蒸发和下渗的差异,并利用蓄满-超渗耦合产流模型计算该面积上的地表径流量和地面以下径流量;利用地貌汇流模型和线性水库模型将每类面积上的地表径流量和地面以下径流量演算至流域出口断面,从而得到流域的水文过程。模型参数包括流域地貌特征参数、产流参数和汇流参数,前者可以根据地理信息系统技术和遥感技术获得,而后者则需要根据流域的水文资料通过最优化方法求得。利用大理河流域1981—1990年的逐日降雨、蒸发及流量资料对该模型进行了参数率定和检验,率定期1981—1987年的水量平衡系数为0.993,年径流深合格率为100.0%;检验期1988—1990年的水量平衡系数为1.230,径流深合格率为66.667%,计算结果表明该模型在大理河流域具有良好的适应性。并以2000年大理河流域的土地利用/覆被状况为基准,计算得到流域的基准径流深为30.36 mm,并对大理河流域未来土地利用情况进行情景分析,为充分发挥小流域(或单元)水土保持措施带来的各种效益提供参考依据。     

分布式流域水文模型水量过程模拟——以黄河河源区为例

文章分析了分布式水文模型、遥感和地理信息系统技术在流域径流模拟过程中的结合点,采用数字网格技术,以流域水量变化对地表土地覆被和气候变化响应过程为目的,讨论利用分布式水文模型研究下垫面和气候变化下流域水量响应过程的一般方法,并以黄河河源区为实例进行验证。     

基于DEM的黄土高原面积高程积分研究

面积高程积分(Hypsometric Integral,HI)是通过统计流域地表的高程组合信息,从而揭示流域地貌形态与发育特征的重要指标。本文以1:10000比例尺5 m分辨率DEM数据分析流域面积高程积分计算时的影响因素,以SRTM数字高程模型数据为基本信息源,研究黄土高原重点水土流失区的面积高程积分空间分异特征。研究工作首先讨论并总结了面积高程积分的地学含义,明确了DEM分辨率以及分析面积对于面积高程积分计算的影响,并分析各地貌对象面积高程积分的相关性;然后,面向黄土高原重点水土流失区,采用面向多尺度分割的方法,基于小流域面积高程积分,实现了黄土高原重点水土流失区地貌分区。研究结果表明,DEM分辨率对于小流域面积高程积分计算影响较小,当小流域面积阈值达到10 km2时,面积高程积分趋于稳定;各地貌对象中,流域面—正地形—沟沿线、山顶点—山脊线—流域边界这两组组内面积高程积分值相关性非常强;基于面积高程积分的地貌分区,与黄土高原地区水土流失分区图和输沙模数分区图具有相当程度的耦合关系,并细化了原有分区结果。     

河套灌区地下水资源合理开发利用研究

河套灌区地下水资源非常宝贵,对生态环境具有重要意义,地下水合理开发有助于灌区水资源可持续利用。文中通过对灌区地下水补给量、地下水适宜开采量以及整个灌区的水土资源平衡进行分析,提出地下水合理开发利用模式。由于黄河流域水资源供需矛盾加剧,国家对黄河水资源实行全流域统一管理,河套灌区未来引黄水量将在现有基础上减少20%,灌区用水矛盾将更加突出。灌区地下水位浅,有限的地下水日益受到重视,地下水合理开发将对灌区水资源可持续利用产生重要影响。因此,有必要对灌区地下水补给量、地下水适宜开采量以及整个灌区的水土资源平衡进行分析,提出地下水合理开发利用模式。     

中南半岛五国水资源分区研究

在全球变化与“一带一路”倡议的背景下,中南半岛水资源及未来社会不同情景下的水资源特征广受关注,但该区域缺乏基础的水资源系统性研究,急需开展相应的工作。本文通过对前人研究的梳理与总结,利用基于GIS的流域地形划分方法对中南半岛水资源进行分区。研究结果表明：① 中南半岛水资源区可划分为7个水资源一级区、17个水资源二级区和138个水资源三级区。其中7个水资源一级区均为国际流域,中南半岛流域管理需要各国的协力配合与统筹规划。② 水资源三级分区中山区单元有87个,面积约为115.412 万km²,占陆地总面积的60%。平原单元51个,面积约为77.915 万km²,占陆地总面积的40%。山区与平原面积之比为1.48,山区单元主要集中在流域的中上游,平原单元主要集中在流域下游以及沿海地区。研究结果可以服务于中南半岛五国水资源评价与水资源开发利用,为区域内国际河流的科学调控与利益共享提供有效参考。     

贵州喀斯特水文地貌模型及其应用初步研究

借鉴常态流域地貌数学模型的思想方法,在贵州喀斯特开放流域中建立水文地貌数学模型,以研究亚热带剥蚀区喀斯特地貌的水文形态结构及其建造过程,并应用于分析贵州一些特殊的喀斯特水文地貌现象。     

大尺度分布式水文模型数字流域 提取方法研究

构建大尺度分布式水文模型是当前大气水文模型耦合研究的一项重要内容。本文介绍一 种根据1km DEM 生成更大网格尺度DEM 数据, 同时可以保持流域河网信息并减缓高程、坡度 等地貌参数信息量衰减速度的有效方法———ZB算法。利用该方法和常规的网格平均法生成黄河 唐乃亥以上流域的5km、10km、15km 和20km 两套DEM 数据, 分别提取高程、坡度、地形指数、河 网密度、主河道长度、流域面积等流域特征参数, 并与1km DEM 提取的上述参数进行比较, 对两 种方法作出评价。结果显示, 随着网格尺度的增大, ZB 算法获得的DEM 数据可以保持河网的连 续性, 提取出合理的流域范围, 减缓地形信息量的衰减速度。该方法满足构建大尺度分布式水文 模型提取数字流域的需要。     

黄河中游地区流域产沙中的地貌临界现象

地貌现象的演化常常存在着由量变到质变的临界条件.地貌临界是地貌学研究的重要理论问题之一.本文利用黄河中游地区近60个水文测站资料,探讨了流域产沙量随降雨、植被和流域面积变化过程中的地貌临界现象.结果表明,流域产沙量与年降雨量之间关系遵循Langbein-Schumm曲线,最大产沙量大致出现在年降雨量400mm左右的半干旱草原区,即无定河以北的皇甫川、孤山川、佳芦河流域.同时,由沙黄土、砒砂岩流域向基岩山地流域过渡,流域产沙量峰值趋于减小,而峰值出现所需要的降雨量渐趋增大,显示出不同自然地理地带和地域最大产沙区位置和产沙强度的不同.流域产沙量与植被之间呈现为相当好的非线性负相关关系.流域产沙量随植被变化存在着二个临界值,一是当流域植被覆盖度等于30%时,另一是当植被覆盖度等于70%时.这一现象以往只是在试验小区或试验流域见到,本研究表明,类似的现象在天然河流流域也存在.受流域上下游不同生物气候及下垫面特性的控制,流域产沙量随流域面积的增大呈现出复杂多样的变化,可以是增加,也可以是减少.然而,对于大多数复合流域来说,随着流域面积的增大,流域产沙量一开始趋于增加,当流域面积接近1000 km2左右时,流域产沙量达到最大,而当流域超过1000 km2以后,流域产沙量反而趋于减少,呈现出明显的地貌临界现象.     

流域地形景观系统的复杂网络描述

人工作用下流域地形景观系统研究是流域地貌水文研究的重要内容。该文采用复杂网络理论研究黄土高原丘陵沟壑区小流域系统,借助数字地形分析方法从DEM数据中提取网络要素,建立流域地形景观复杂网络模型;选取度、平均路径长度、集聚系数等指标,分析得到网络具有小世界特征,网络中度-度关联性呈现负相关性,负地形中沟谷网络呈现无标度特征;地理尺度对流域地形景观网络拓扑结构影响不大,在人工作用下的地形景观网络呈现平均度减小、集聚系数增大;网络中关键节点的变化影响着网络拓扑结构,改变了小流域系统的地貌水文特征。复杂网络理论为研究流域地形景观系统演化提供了一种新方法。     

地表水地下水耦合模型在大型山丘平原交错区的研发与应用

大型山丘平原交错区复杂的自然地理和人类活动特征增加了水文循环研究和水资源评价、管理的难度,地表水地下水耦合模型作为流域/区域水文循环模拟的重要工具,为解决这类大型区域诸多水文水资源问题提供了便利。针对目前地表水地下水耦合模型难以兼顾精度和效率的问题,论文提出了一种新型半松散耦合机制,将三维有限差分地下水流数值模型嵌入半分布式水文模型MODCYCLE,摒弃了目前流行的水文响应单元(HRU)与地下水网格单元空间和信息转换方式,通过建立子流域—网格单元的空间关联和地表水文—地下水流之间的实时信息交互,实现大型山丘平原交错区的地表水地下水耦合模拟。在三江平原构建了模型并开展应用研究。校验评估显示,模型达到了良好的模拟效果,具备了水文循环现状模拟和预测未来的能力。最后,利用该模型输出分析了三江平原2002—2014年的地表水地下水转化关系。结果表明,降水量和农业灌溉量的增加导致全区域土壤水蓄量年均增加6.51亿m³,但却使地表水和地下水储量分别减少0.99亿m³/a和3.03亿m³/a,降水量的增加并没有通过产流和入渗补给改善因用水急剧增加引起的地表水、地下水衰减的趋势;不同分区的降水入渗补给系数和基流指数差异显著,是多种自然和人为因素综合作用的结果。相关成果可为类似地区水文循环研究和水资源评价工作提供参考。     

基于地形特征的流域水文相似性

流域地形控制着地表径流的路径和累积水量的空间分布。地形指数ln(a/tanβ)反映了径流在流域中任一点的累积趋势以及重力使径流顺坡移动的趋势,流域地形可以用地形指数的空间分布来表示。地形指数可用作水文相似性指数,即具有相同地形指数的点对降雨具有相同的水文响应。TOPMODEL利用地形指数频率分布计算流域径流过程,可以认为:具有相同地形指数频率分布的流域具有水文相似性。分析认为长江流域上游的沿渡河流域与香溪河流域具有水文相似性,利用香溪河流域率定的模型参数计算的沿渡河流域径流过程,与实测过程拟合较好     

河北省中南部农田孢粉组合特征

河北省中南部82 个农田表土花粉组合研究表明：农田花粉组合不仅有农作物花粉类型,也有临近山区的植物成分。山区农田乔木花粉含量与浓度高于平原,对平原的影响随距离增加而降低,距太行山0～50 km 松属花粉含量为20%～30%,50～100 km 为10%～20%,100～150 km 增至20%～30%,海滨区降至16%以下,平原中部含量增加可能与焚风效应有关;山区至平原乔木花粉含量空间上的变化,可能类似于历史时期人类活动介入森林区后时间上的变化。山区和平原灌木花粉含量较低,但主要成分不同,山区以胡颓子科、榛属、虎榛子较常见,平原区蔷薇科、葡萄科花粉相对较多。平原区草本花粉含量高出山区,其中藜科花粉由山区向平原逐渐增高,可能反映人类活动不断增强的特征。山区中华卷柏含量高于平原,但平原区高达7%。中华卷柏不易被风搬运,推测平原区农田的中华卷柏可能是平原沉积时由河流从山区搬运而来。相同类型农业单元乔木、灌木花粉和蕨类百分比山区一般高于平原,草本低于平原;不同类型农业单元乔木、草本百分比平原区相近,山区差异较大。山区乔木花粉含量差异主要受草本类型影响,平原区草本花粉组合差异主要是农作物花粉(人工禾本科、十字花科) 含量的差异;不同农业单元孢粉浓度差异主要为草本花粉浓度不同。     

北京市耕地功能空间差异及其演变

城市化对耕地及其功能具有深刻影响,这在大都市郊区尤为明显。立足北京市,构建耕地功能评价指标体系,运用极差标准化法处理数据,采用层次分析法确定指标权重,最后运用加权求和法得出功能值。研究表明：① 在北京各区县,2004-2011 年间单位面积耕地的生产、生态、文化和社会功能几乎均增强,空间差异表现为生产和社会功能远郊平原区高于远郊山区和近郊区,生态功能远郊平原区高于远郊山区,文化功能近郊区高于远郊区。② 北京远郊平原区的粮食、蔬菜和瓜类生产功能均较强,但农业污染较严重。受距市中心距离影响,近郊区耕地文化功能需求量较大,远郊区供给量较大。③ 2004-2011 年间绝大部分区县单位面积耕地的总功能增强,受地形和市中心经济辐射影响,远郊平原区高于远郊山区和近郊区。④ 根据耕地总功能组成比重,把北京市耕地分为四种类型：生产型（远郊平原区）、生态型（近郊区）、文化型（丰台区和门头沟区）与社会型（远郊山区）.     

新疆玛纳斯河流域生态经济功能区划研究

水在干旱区维护生态和发展经济中起决定性作用,而水资源的形成、转化和消耗,主要取决于大地貌类型。本文以大地貌类型为单元,将玛纳斯河流域划分为3个生态经济功能区;即南部天山草原森林牧林矿产区,对应为径流形成和水源涵养区;中部玛纳斯河平原农业和城镇绿洲区,对应为径流消耗和转化区;北部古尔班通古特沙漠生态保育沙产业区,对应为少流和无流区。在3个一级区划内,再根据中地貌条件、生态系统类型、产业结构及发展经济和保护生态环境的措施划分二级区,共分为9个。分别论述了各区的生态环境与社会经济特征,有针对性的提出各区生态与经济协调发展的对策,为分区治理提供了科学依据。并提出只有把玛纳斯河流域作为一个完整的生态经济系统,实行以水资源合理利用为核心,以山区的综合治理为基础,以发展绿洲经济为支撑,以防治荒漠化的扩大为保障,才能使其良性互动,实现和谐和持续发展。     

太行山区牛叫河小流域土地可持续利用模式探讨

太行山区小流域综合开发治理是促进山区生态建设和保障山前平原城市密集带发展的重大课题。科学划分小流域土地利用功能区,进而形成合理的土地利用模式是推进太行山区小流域开发治理的关键举措。本文以位于太行山东坡的牛叫河小流域为例,界定了生态功能区划的基本程序,建立了包括恒定和波动两类指标的区划指标体系,提出了以模糊聚类为主体的区划方法。将牛叫河小流域划分为分水岭区、沟坡区和沟道区三种土地利用功能类型,相应的土地利用模式为:分水岭区地形平缓,通过改良土壤,可开展农作物种植,统筹安排农林牧业生产;沟坡区地形坡度较大、土地贫瘠,水土流失严重,宜以林为主,并需采取综合保持性措施;沟道区土地平坦,应突破单纯的种植业模式,以获得更高的经济和社会效益。