多尺度土壤侵蚀评价指数的技术与方法

针对不同尺度开展土地利用与土壤侵蚀的综合研究是自然地理学研究的前沿领域和热点问题。多尺度土 壤侵蚀评价指数作为新近提出的土壤侵蚀模型, 在跨尺度土地利用与土壤侵蚀的研究中具有良好应用前景。本文 基于多尺度土壤侵蚀评价指数计算公式及其因子内涵, 应用尺度转换的思想, 阐述了降雨侵蚀力、土壤可蚀性、作 物覆盖与管理因子、地形因子等不同评价因子在坡面、小流域、流域不同尺度上的计算方法与GIS 实现技术, 以期 服务于多尺度土地利用与土壤侵蚀研究的深入和多尺度土壤侵蚀评价指数的发展。     

基于改进型多流向算法的地形指数空间尺度变化分析

地形指数ln(α/tanβ)是流域径流源面积和地下水水位空间分布特征的近似表征,是地形特征参数化的重要指标。基于改进后的地形指数多流向计算方法,在0.5×0.5°的区域气候模式尺度框架下,探讨了地形离散和平滑效应分别对地形指数尺度变化的影响程度;研究了地形指数在100和1000m栅格尺度上的相关性,给出两者在空间尺度上的转换关系;分析区域尺度和全球尺度下地形指数尺度转换的差异及原因。研究结果可以增强地形信息在大尺度水文模型及陆面水文过程中的适用能力。     

雅鲁藏布江流域降水时空变化特征

雅鲁藏布江流域是全球气候变化的敏感区,该流域降水变化对青藏高原的水系统、生态系统和山地灾害系统的演变具有重要影响。本文通过流域水文分析,将雅鲁藏布江流域的三大水资源区细分为9个分区。基于雅鲁藏布江流域1979—2018年降水数据,综合分析了雅鲁藏布江流域及9个分区的年、干湿季、月降水量以及日、小时尺度极端降水的时空变化特征,探讨了降水和典型大尺度大气环流因子的相关性。结果表明：① 1979—2018年间,在流域尺度上,各时间尺度降水整体上均呈上升趋势。其中,年降水量上升趋势最大,为2.5 mm·a^-1;年、干湿季降水量以及典型小时尺度极端降水（Rx3hour、Rx12hour）均在95%信度水平下显著上升。在水资源分区尺度上,各分区不同时间尺度降水的变化趋势呈现更明显的非一致性,所有分区除小时尺度极端降水均呈上升趋势外,其余时间尺度降水的趋势变化方向各异。② 雅鲁藏布江流域降水存在明显的空间分异性,且降水空间分异性会随着降水指标时间尺度的缩短而增强。各时间尺度降水整体上均呈现出自东部向西部逐渐减少的趋势,流域东南部（分区Ⅲ-2）始终是高值中心,流域中西部（分区Ⅰ-2、Ⅱ-1）存在区域性高值中心。③ 北半球副热带高压和北半球极涡对雅鲁藏布江流域降水变化具有显著影响。研究结果有助于掌握当地降水的多尺度变化特征,可为雅鲁藏布江流域和青藏高原地区的水循环研究、水资源开发利用和山洪灾害防治等提供科学基础。     

延河流域土地利用/覆被变化模型的尺度转换方法

采用延河流域和安塞县2000和2006年的土地利用/覆被遥感影像,结合实地调研获取的2000-2006年该区域生态建设尤其是退耕还林还草数据,分别在流域尺度和县域尺度上,采用主成分分析法对延河流域及位于延河流域上中游的安塞县土地利用/覆被变化及其驱动力进行了分析,建立了耕地面积变化的驱动力模型.研究表明,在这两个尺度上,影响耕地面积变化的关键因素都是总人口和农作物播种面积.以此为基础,基于不同尺度上共同驱动力因子之间的相互关系,建立了不同尺度上耕地变化模型的尺度转换方法.对于不同尺度的土地利用/覆被变化模型,无论其模型形式的复杂程度如何,只要不同尺度上的关键驱动因子相同或存在明确的定量关系,就可以基于关键驱动力因子的定量关系进行不同尺度上土地利用/覆被模型的尺度转换.研究成果为土地利用/土地覆被变化的尺度转换方法研究提供了新思路.     

多尺度土地利用与土壤侵蚀

土地利用能够通过改变一系列的自然现象和生态过程影响土壤侵蚀,尺度不同,土地利用与土壤侵蚀的作用机制也会发生变化。本文针对坡面尺度、小流域／流域尺度和区域尺度,综述了不同尺度上土地利用对土壤侵蚀的影响研究。其中,在坡面尺度上,土地利用与土壤侵蚀的研究主要包括土地利用方式和土地管理措施对土壤侵蚀的影响,相应尺度上的模型有USLE／RUSLE、WEPP等;在小流域／流域尺度上,土地利用与土壤侵蚀的研究主要涉及土地利用结构和土地利用格局对土壤侵蚀的影响,相关的模型有LISEM、AGNPS、EUROSEM和SEDEM等;在区域尺度上土壤侵蚀评价研究主要是通过尺度上推和宏观因子评价的方法进行。多尺度土地利用与土壤侵蚀研究作为自然地理学研究中的热点问题,在进一步的研究中需要关注多尺度综合与尺度转换、土地利用政策效应、土地利用格局与土壤流失过程等方面的研究内容。     

城市河岸带土地利用和景观格局变化的生态环境效应研究——以北京市典型再生水补水河流河岸带为例

以北京市典型再生水利用河流(清河、北小河、坝河和通惠河)及其流域为主要研究对象,利用1989年、2000年和2008年3期Landsat TM数据,借助于土地利用类型特征参数、景观聚集度、景观斑块密度等指标,在流域和河岸带尺度上,分析1989～2008年研究区土地利用变化的多尺度时空分异特征及其变化轨迹.基于流域尺度的分析结果表明,土地利用类型面积的变化主要为城乡建设用地增加和林地减少;与1989～2000年间相比,2000～2008年的研究区土地利用变化率相对减小.基于河岸带尺度的分析结果表明,1989～2008年期间,因城市化发展导致沟渠、库塘等水域面积减小;耕地主要分布在100～500m河岸缓冲带范围内;城乡建设用地主要集中分布在500～800m河岸缓冲带范围内,城乡建设用地由1989～2000年间的分散扩张转变为2000～2008年间的有序优化整合,扩张范围趋向远离河道的河岸缓冲带区域;2000～2008年间,新增林地密集分布在100～200m和700～800m河岸缓冲带区域.内河流域生态廊道功能主要体现在沿河道200m的河岸缓冲带范围内,以再生水为补充水源的高度人工化的城市内河流域生态廊道效应在增强.     

黄土丘陵地形谷脊线展布特征

地理对象的空间展布格局特征是区域地貌研究的核心问题.其中,把握地物的组织结构及尺度范围特征是认识其空间展布格局的根本.选取黄土丘陵沟壑区韭园沟流域为实验样区,以流域地形特征线为切入点,采用空隙度系列分析方法,在5 m分辨率DEM上研究黄土地貌发育中期小流域内,地形谷脊线的空间展布格局特征.在东-西、南-北两个方向的探测结果表明:韭园沟流域谷、脊线均具有自组织、多尺度、自相似的格局特点,但各向异性特征不明显.在两个方向上均具有三个特征尺度范围:在东西方向上尺度范围分别为540 m、2 100 m、4 845 m;南北方向上尺度范围分别为1 215 m、2 810 m、5 700 m.该研究结果初步揭示了黄土地貌流域系统骨架线的空间展布格局特征,为区域地貌研究时分析尺度的选取,提供了可借鉴的思路与方法.     

基于RV指数的道路网络干扰效应空间分异研究——以云南省纵向岭谷区为例

不同尺度下道路网络干扰效应空间分布差异研究及其驱动因子识别,对进一步研究道路网络引起的生态系统演变具有重要意义.利用表示道路网络干扰效应的RV(Roadless Volume)指数.以云南省纵向岭谷区为案例区.在不同尺度上分析了道路网络干扰效应的空间分布差异.结果表明,云南省纵向岭谷区道路网络干扰效应总体呈现中部高、两边低的趋势:地州及县域尺度上,干扰效应主要集中在昆瑞公路沿线的地州及县市;流域内部分区尺度上,各个流域的中下游地区干扰效应较强;流域尺度上,红河流域相比其他流域干扰效应强.进一步的相关性分析表明,道路网络干扰效应受生态承载力、道路密度和海拔高度等因素的驱动.     

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。     

地形分析在流域水文建模中的应用进展

数字地形分析和流域水文学是地理学领域的重点研究内容,地形要素对流域内地表水循环的产流、汇流等过程以及水资源的时空动态分布具有重要影响。随着遥感与地理信息系统技术的不断发展,地形分析在流域水文建模中的应用得以深化和扩展。该文旨在对水文建模中地形分析的应用进展与趋势进行梳理和分析,从流域水文建模的基本原理和任务出发,回顾了水文模型的分类系统、演化进程以及地形分析在水文建模中的应用情况。综述显示,随着水文模型在驱动机理和响应尺度上的发展,地形分析在其中发挥了越来越关键的作用,尤其在支撑水文过程、增强系统耦合和细化响应尺度等方面贡献明显。同时,流域水文建模的现实需求也促进了地形分析在拓展模型、丰富理论和改进算法等方面的发展与完善。     

黄土丘陵区小流域土地利用变化对生态环境的影响：以延安市羊圈沟？…

选择黄土丘陵沟壑区的羊圈沟流域,应用地理信息系统和野外采样技术,从小流域,坡面和单一土地利用类型三个尺度层次研究土地利用变化对流域土壤侵蚀,土壤养分和土壤水分的影响。结果发现：１９９６年比１９８４年该流域坡耕地减少４３％,林地增加了４２％,草地增加了５％,土壤侵蚀量减少了２４％。     

太湖流域浙西区不同土地类型的面源污染产出

以太湖流域浙西水利分区为研究区,采用Arcgis的水文分析模块,对浙西区进行流域划分,选取以单一农业用地为主的子流域,利用GIS叠加分析方法,获取各子流域的降水、径流深度、土地利用结构信息,分析研究区主要土地利用类型与径流量的统计关系,建立该区年尺度的径流估算模型。基于林地、耕地为主的子流域水质监测数据,结合径流估算模型,分析占该区90%土地利用面积的林地、耕地与径流污染物浓度的定量关系,研究结果显示,该研究区以林地为主的流域径流各水环境指标为：COD浓度为2.95 mg/l,BOD浓度为1.080 mg/l,总氮浓度为0.715 mg/l,总磷浓度为0.039 mg/l;耕地为主的流域径流水环境指标为：COD浓度为5.721mg/l,BOD浓度为3.097 mg/l,总氮浓度为2.092 mg/l,总磷浓度为0.166 mg/l。这一研究结果适合应用于太湖流域上游山区、丘陵地区年尺度面源污染估算。     

基于ArcGIS和SWAT的山区、平原区复合地貌流域划分方法研究

流域划分是研究区域水量平衡的基础和前提。山区和大平原区流域划分的技术已较为成熟,但在山区、平原区复合的复杂地形地貌特征区域,流域划分方法仍处于探索阶段。该地区陆面水文循环过程复杂,地表水和地下水相互补给关系密切,单以山区流域划分技术平原区流域划分技术无法完整的划分出研究区所在的全流域,进而导致流域内水文循环体系不完整。选择典型代表内蒙古河套灌区流域为例,综合山区山脊线、天然河流和灌域边界来进行流域划分,提出了采用修正系数处理平原灌区小地形起伏,依据灌溉排水系统重新划定子流域和结合土地利用图确定山区、平原复合地貌区边界的综合处理技术。划分结果表明,研究区河网拟合度高,水文循环单元符合用水管理特点,复合地貌区山区流域面积占总流域面积的58.1%。在以全流域尺度计算区域内水量平衡时,山区流域面积不能忽略。该方法的成功应用为灌区流域内的供水用水平衡及农业施肥对下游污染研究提供基础。同时也为其它具有相似地貌类型的地区流域划分提供思路和参考。     

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     

基于遥感技术和GIS的小流域土地利用/覆被变化分析

根据贵州省平坝县克酬流域1973年MSS影像数据,1989、1995、2000年Landsat TM影像数据,利用RS和GIS信息获取技术、空间分析技术和数理统计方法,分析了该流域土地利用的数量变化和空间变化特征,明确了土地利用变化的主要类型和方向,并探讨了土地利用变化和地形因子的关系。结果显示,该流域土地利用以农田和灌草用地为主,1973~2000年林地和灌草地减少,农田、水域、村镇、交通用地增加,林地转化为灌草、灌草转化为农田及农田转化为村镇居民点和公路用地是研究区主要土地利用变化类型。研究区土地利用空间分布与海拔高程、坡度等地形因子有密切关系。1973~2000年农田、林地和灌草分布的海拔高程和坡度均呈增加趋势,这和上述土地利用类型间的转化规律相一致。     

水文循环模拟中下垫面参数化方法综述

针对水文循环模拟中地形、土地利用覆被等流域下垫面参数化方法众多,且模拟效果相差较大的现状。本文首先根据水文循环模拟中产汇流原理,对常用水文循环模拟中产汇流模拟方法进行汇总和分类;在此基础上,对产流模拟中的降水径流相关系数法、蓄满产流和超渗产流等及汇流模拟中的等流时线、单位线、圣维南方程、马斯京根法等主要模拟方法中地形、土地利用覆被和土壤类型参数化方法进行分析和讨论;根据其中流域地形、土地利用覆被和土壤类型参数化方法对机理过程的描述程度,将其分为无明确表示类、率定型参数类、确定型参数类、物理过程表达类;进而阐明不同参数化方法中流域地形、土地利用覆被和土壤类型对水文循环模拟结果的响应和贡献。最后回归模型本质,阐述水文循环模拟中流域下垫面参数化方法中存在经验关系对复杂机理简单表述的合理性和物理机理过程描述的欠缺性问题,并预估未来水文循环模拟中下垫面参数化方法朝着简洁实用化和复杂机理化两个方向发展。     

深圳市地形对土地利用动态的影响

基于RS和GIS的技术支持,以深圳市为案例,利用多时段土地利用数据和地形数据,分析土地利用变化的时空分异,研究城市地域地形对土地利用动态的影响。分析表明,土地利用在空间上的变化引起其垂直重心的变化,耕地重心降低,林地和建设用地重心上升。深圳市地形对土地利用动态有明显的制约作用,主要表现为:随着高程和坡度的升高,土地利用动态度大致呈降低趋势。随着城市化的加深,同一高程带和坡度带上土地利用动态度呈加大趋势。土地利用动态度的情景分析指出,在自然景观时期、农业景观成熟期和后城市化时期,土地利用在高程带和坡度带上都比较稳定,动态度低;在这三个时期之间是农业化时期和快速城市化时期,土地利用动态度高。     

新疆三工河绿洲土地利用变化系统动力学仿真

从小区域(乡域)尺度出发,综合考虑人口、经济、技术、市场等主要人文因素对绿洲土地利用变化的驱动作用,建立系统动力学（SD）模型,并以天山北麓三工河流域为例,用1978—1998年的实际数据验证了模型的适用性和可靠性,在此基础上,模拟和分析了三种发展模式下本区域1998—2050年土地利用变化过程,结果表明：SD方法对于乡域尺度的土地利用变化研究是适宜的;三种模式下土地利用变化规律表现出明显的差异性,人口、经济、技术、市场等因素对本区域土地利用变化具有显著驱动作用。     

中国东北地区侵蚀产沙尺度效应的空间分异

对中国东北地区侵蚀产沙尺度效应的空间变化进行了探讨。基于气候、下垫面的一致性和流域的完整性,对整个研究区域进行了分区研究。结果表明,尺度效应同时受到地形、坡度、土地利用和地表覆盖物质等因素的影响,不同分区因素因素组合不同,其产沙模数随流域面积的变化趋势亦不相同,可以分为三类:(1) 产沙模数随流域面积增大而增大;(2) 产沙模数随流域面积的增大基本保持不变;(3) 产沙模数随流域面积的增大而减小。基于各分区尺度效应,进行了不同标准面积下产沙模数图的校正,并使用空间插值方法,编制不同标准面积下产沙模数图。     

TOPMODEL中地形指数ln(α/tanβ)的新算法

TOPMODEL中地形指数ln(α/tanβ)被用来近似表征流域径流源面积和地下水水位的空间分布特征,目前广泛使用的计算地形指数的方法为多流向算法(FD8算法).本文首先介绍了多流向算法的基本原理,并基于此对流动累积分配中的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,同时改进了传统的地形指数中单位等高线汇流面积α的计算方法,增强了多流向算法对DEM中异常栅格的处理能力.改进后的地形指数新算法在两个不同流域和不同分辨率DEM上与传统多流向算法进行了对比分析.结果表明新算法在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中其计算结果更准确.这种地形指数新算法的提出对于流域水文过程机理分析及陆面过程定量化研究具有一定的现实意义.