黃土人工掏挖坡耕地地表微地形侵蝕分形特征研究.pdf

1、在毫米級(jí)尺度上研究微地形土壤侵蝕的演變規(guī)律及其對(duì)坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙量的影響，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤侵蝕機(jī)理，構(gòu)建土壤侵蝕預(yù)測(cè)模型提供了理論參考。分形理論的廣泛應(yīng)用，使得用分形維數(shù)值可以表征地表微地形的綜合特征。通過(guò)預(yù)測(cè)徑流泥沙的變化趨勢(shì)及變化周期，對(duì)監(jiān)測(cè)持續(xù)降雨對(duì)水土保持和土壤侵蝕的影響具有重要意義。為此，本文以黃土高原常見(jiàn)的水土保持農(nóng)業(yè)耕作坡面（人工掏挖）為研究對(duì)象，通過(guò)90mm/h雨強(qiáng)對(duì)5種坡度(5°、10°、15°、20°、25°)的人工掏

2、挖耕作坡進(jìn)行分段人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)。基于高精度三維激光掃描儀獲取微地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用半變異函數(shù)分析法、重標(biāo)度極差分析法（R/S）分析法和盒維數(shù)法研究降雨侵蝕對(duì)微地形的影響，并計(jì)算地表分形維數(shù)值。同時(shí)對(duì)水蝕發(fā)育過(guò)程中徑流產(chǎn)沙量的變化進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。主要結(jié)論如下:
　　(1)半變異函數(shù)模型分析:水蝕發(fā)育過(guò)程中，通過(guò)半變異函數(shù)模型模擬真實(shí)地表微地形，所得到的模型參數(shù)值可用于Arcgis中點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM過(guò)程中的Kriging插值。

3、不同坡度下，人工掏挖耕作坡面具有很強(qiáng)的空間自相關(guān)性特征，空間自相關(guān)性主要受結(jié)構(gòu)性因素（如坡度）的影響。
　　另外，90mm/h雨強(qiáng)人工掏挖耕作坡的半變異函數(shù)最優(yōu)擬合模型為高斯模型，平均變程為4.900m，為未來(lái)同等條件下的研究提供合適的尺度參考值。人工掏挖耕作坡是一個(gè)持久性表面，具有積極的空間自相關(guān)性特征。同侵蝕階段下，坡度增大，分形維數(shù)增大，空間變異性增強(qiáng)。各坡度下，濺蝕、片蝕、細(xì)溝侵蝕階段使得地表糙度減小，降雨半小時(shí)使得地表糙

4、度略微增大。
　　(2)半變異函數(shù)分析法、R/S分析法和盒維數(shù)法用于計(jì)算微地形地表分形維數(shù)值，半變異函數(shù)分析法為最優(yōu)方法，其結(jié)果具有可靠性。
　　(3)各向異性分析:水蝕發(fā)育過(guò)程中，坡耕地微地形表面存在各向異性且具有明顯的異質(zhì)性特征，各向異性受坡度的影響，隨著坡度的增大而增強(qiáng)。
　　(4)徑流產(chǎn)沙量變化特征分析:人工掏挖耕作坡面，坡度越大，越快產(chǎn)流。通過(guò)R/S分析法分析其徑流序列，表明5種坡度下的徑流序列都具有正的長(zhǎng)程

5、相關(guān)性，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，徑流量將隨著降雨歷時(shí)的增加而呈增加趨勢(shì)，但該趨勢(shì)持續(xù)性較弱。通過(guò)Morlet小波分析法分析徑流序列，結(jié)果表明徑流序列的主周期為29分鐘。徑流量和降雨歷時(shí)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系，徑流量預(yù)測(cè)方程的通式為S=alnt+b。
　　通過(guò)R/S分析法分析產(chǎn)沙量序列，產(chǎn)沙量序列具有正的長(zhǎng)程相關(guān)性，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)沙量將隨著降雨歷時(shí)的增加而呈減少趨勢(shì)，且該持續(xù)性較強(qiáng)。通過(guò)Morlet分析法分析，相較徑流序列，產(chǎn)沙量序列并沒(méi)出現(xiàn)穩(wěn)定

6、的周期，同時(shí)部分坡面存在30分鐘以上的長(zhǎng)周期，需要更長(zhǎng)的時(shí)間序列去驗(yàn)證。產(chǎn)沙量和降雨歷時(shí)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系，產(chǎn)沙量預(yù)測(cè)方程的通式為V=alnt+b。
　　R/S分析法和Morlet小波分析法的相互結(jié)合，有利于監(jiān)測(cè)降雨對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水土保持的影響。
　　本文利用降雨前后高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行半變異函數(shù)分析、R/S分析和盒維數(shù)分析，用地表分形維數(shù)值的變化來(lái)表征降雨侵蝕對(duì)地表微地形的影響，半變異函數(shù)分析法為最優(yōu)方法。通過(guò)R/S分析法和Morl