基于LISEM模型模拟的地形因素对黄土高原小流域径流侵蚀的影响研究.pdf

北京师范大学硕士学位论文基于L I S E M模型模拟的地形因素对黄土高原小流域径流侵蚀的影响研究摘 要流域水文和土壤侵蚀是一个多尺度、多因素的复合过程， 现有的流域水文和侵蚀模拟 研究往往局限 在某一尺度内，不同尺度研究结果的推绎是一个难点，尤其不同因素在各尺度下水文效应的祸合关系，是流域水土流失跨尺度研究中首先应该解决的问题本研究为 了克服实地观测资料对进一步研究的限制，提出了用较强物理过程为基础的分布式土壤侵蚀模型模拟结果代替实测资料进行研究的虚拟试验方法， 对黄土高原残坂沟壑区典型小流 域中地形因子对径流和土壤侵蚀的影响及其尺度效应进行了初步的 探讨，为了排除其他因素的干扰，对地形以外因子进行了匀质化处理主要结论如下:. 对于流域地貌描述的地形因子的分析表明，黄土残源沟壑区小流域处于地貌发育的幼年期，且处于侵蚀加剧的阶段 依靠汇流特征作为河网提取的手段在小流域尺度内，结果不可靠，甚至会得到错误的结论 反映地貌起伏崎岖的因 子中，可以 分解出反映不同分析窗口 起伏状态的部分，不同指标反映了不同尺度下的地表起伏 对流域径流量的回归分析显示，流域面积是决定流域径流的决定性因子，其它地形指标作用不强;对侵蚀量的回归分析表明，反映微地貌起伏的平均坡度和更大尺度起伏的高程回归残差均值有较大影响，而流域趋势坡度的作用不大。

在不同尺度分析中， 相关系数和回归方程都显示了各地形指标的重要性有所变化，但由 于尺度间隔和样本量的限制并没有稳定的变化规律， 但可说明 尺度效应的确存在，而且表象复杂下一步的研究中如果能够在样本数量和尺度跨度两方面进行改进，可能会有明显的尺度变异规律出现关 键词: 土壤侵蚀;小 流域; 地 貌; 尺度; L I S E M北京师范大学硕士学位论文E f f e c t s o f T o p o g r a p h i c f a c t o r s o n r u n o f f a n d s o i l e r o s i o n i n s m a l l L o e s s P l a t e a u c a t c h me n t - 一 一w i t h t h e s u p p o r t o f L I S E M mo d e l i n gABS TRACTWa t e r e r o s i o n i s o n e o f t h e m o s t a c t i v e p r o c e s s e s i n s o i l g e n e s i s a n d d y n a m i c s .T h e h y d r o l o g y a n d e r o s i o n i s a m u l t i - s c a l e d p r o g r e s s , c o n t r o l l e d b y m a n y l a n d u s e , s o i ls u r f a c e a n d t o p o g r a p h i c f a c t o r s . T h e s c a l i n g p r o b l e m s h a v e b e e n p a i d a l o t o f a t t e n t i o n s i n t e r n s o f t e r r a i n f a c t o r s . C u r r e n t r e s e a r c h i s a l w a y s l i m i t e d b y t h e d i ff i c u l t i e s o f fi e l d m e a s u r e m e n t a n dt h e c o m p l e x i t y o f i n t e r a c t i o n a m o n g t h e s e f a c t o r s . S o a n e w m e t h o d i s b r o u g h t f o r w a r d h e r e i nt h i s p a p e r , w h e r e m o d e l e d r e s u l t s o f p r o c e s s - b a s e d s o i l e r o s i o n m o d e l h a v e b e e n u s e d t oe s t a b l i s h t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e r o s i o n a n d t e r r a i n f a c t o r s i n s t e a d o f f i e l d m e a s u r e m e n t s .I n t h i s s t u d y , a p h y s ic a l l y p r o c e s s - b a s e d m o d e l L I S E M ( 下 h e L i m b u r g S o il E r o s i o n M o d e l )i s u s e d o n 8 9 s m a l l L o e s s P l a t e a u c a t c h m e n t s . I n o r d e r t o m a r k t h e a f f e c t i o n o f t e r r a i n , a l l o t h e rf a c t o r s a r e s e t h o m o g e n e o u s . B a s in r e l i e f , b a s i n a r e a , d r a i n a g e d e n s it y , b o x fr a c t a l v a l u e , s h a p ef a c t o r , a v e r a g e s l o p e , t r e n d s l o p e a n d i t s a v e r a g e v a r i a t i o n i s c a l c u l a t e d f o r e a c h c a t c h m e n t .A s t h e c a lc u l a t i o n o f t o p o g r a p h i c i n d e x e s i s c o n c e rn e d , i t c a n b e c o n c l u d e d t h e m e t h o d o fd r a i n a g e n e t w o r k e x t r a c t i o n i s n o t q u i t e s u i t a b l e f o r t o p o g r a p h i c d e s c r i p t io n ; t h e i n d e x e s o fs u r f a c e r e l i e f c a n c a r r y i n f o r m a t i o n o f d i ff e r e n t s c a l e d s c o p e .T h e r e s u l t s h o w s t r e n d s l o p e g r a d i e n t p l a y s a u n i m p o rt a n t r o l e i n d r a i n a g e e r o s i o n , w h i l e i t sa v e r a g e v a r i a t i o n i s a u s e f u l i n d e x in e r o s io n p r e d i c t i o n a s w e l l a s a v e r a g e s l o p e w h i c h r e fl e c t st h e r e l i e f o f g r o u d s u r f a c e .I n r e s p e c t o f s c a l e p r o b l e m , c o r r e l a t i o n s b e t w e e n t o p o g r a p h i c i n d e x e s a n d t h e m o d e l e dr e s u l t s o f t o t a l ru n o ff a n d s o i l l o s s h a v e s o m e c h a n g e w h e n t h e a r e a o f t h e c a t c h m e n t s c h a n g e . S ow e c a n i n f e r t h a t t h e f u n c t i o n o f t e r r a i n f a c t o r s d i ff e r s i n d i ff e r e n t s p a t i a l s c a l e s in t e r m s o fh y d r o l o g i c a l a n d e r o s i o n p r o c e s s e s .K e y w o r d s : s o i l e r o s i o n ; r u n o ff ; L I S E M; s c a l e ; t e r r a i n ; r e l i e f ; s m a l l c a t c h m e n t北京师范大学硕士学位论文1 . 概述1 . 1 . 研究背景在世界范围内， 土壤退化都是威胁人类生存的现实威胁之一。

根据全球土壤退化评价 ( G l o b a l A s s e s s m e n t o f S o il D e g r a d a t io n ) 报 告， 土 壤 侵 蚀是 最 重 要的 土 壤 退 化 形 式， 全 球 土壤 退化有5 6 % 是由 土壤水 蚀造成 P l ， 水土 保持自 然而然 就成 为了 水文 模 拟的 重 要 应用之一在我国， 黄土高原气候干早， 植被覆盖度低， 成为水土流失最严重的地区 这里， 水 土保持在土地利用规划，自 然资 源管理等的决策中， 就成为不能不考虑的因素 土壤流水侵蚀是一个复杂的物理过程， 受气候、 土壤、 地形、 植被以 及人类活动等多 方面的综合影 响， 同时， 生态水文系统的各个因子之间存在着复杂的时空尺度祸合效应， 这些都为水保 工作带来了很大的复杂性， 在实际工作中， 小流域为单元进行综合治理即有可行性， 而且 己 经取得了 一定的成果 可以说， 小流域水沙关系空间变异规律是建立黄土高原流域土壤侵蚀预报模型 和评价 水土保 持效益的 基础[ 2 ]， . 2 . 研究进展1 .2 . 1 . 流域地貌形态对侵蚀产沙量影响的研究地形地貌决定着地面物质与能量的形成和再分配，是影响水土流失的 重要因素之一，流域地貌形态既是现代地表侵蚀切割状况的指征， 又是影响流域侵蚀产沙的重要因素 之一， 因而从Hort on 1 9 4 2 年的 经典 研究开始， 流域地貌形 态及其对流域水文泥沙的 影响， 一直是国内 外流域系统研究的 重要内 容之一。

在自 然界， 地貌形态特征严格地受流域气候、岩性、植被、地貌发育阶段等流域特性的控制国外各种水土流失预报模型，无论是基于观测数据的经验统计模型，还是基于过程的物理模型，都是在坡面或小流域等小尺 度范围内 对水土流失的 研究基础上发展起来的， 这就决定了 其采用的地形指标局限于坡面 或沟道 在我国，黄河中游地。