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区域水土流失过程模型与应用 版权信息
- ISBN：9787030729323
- 条形码：9787030729323 ; 978-7-03-072932-3
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
区域水土流失过程模型与应用 本书特色
为全国、省区和流域水土流失监测、调查制图和评价提供参考
区域水土流失过程模型与应用 内容简介
本书从区域水土流失过程及其影响因子出发，利用地面调查、野外试验、遥感观测和GIS空间分析等方法进行水土流失及其环境因子调查和分析，构建区域水土流失过程数学模型。以ArcGIS Engine组件为基础，在微软的.NET Framework 4.0下，用C#语言设计与开发区域水土流失过程模型系统，完成大中尺度流域（区域）水土流失过程模拟与分析，并在典型流域进行应用，分析大中尺度流域水土流失过程中径流泥沙变化规律和径流泥沙对降雨、土地利用/覆被变化的响应。在此基础上，对大中尺度流域次暴雨条件下土壤侵蚀与泥沙沉积过程模型与模拟进行探索。 本书可为全国、省区和流域水土流失监测、调查制图和评价提供参考，也可供从事水土流失、土壤侵蚀和水土保持等方面的研究者和高校师生阅读参考。
区域水土流失过程模型与应用 目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 国外研究现状 1
1.2 国内研究现状 4
1.3 存在问题 5
第2章 区域水土流失过程及其影响因子 7
2.1 水土流失的多尺度特征 7
2.2 区域水土流失过程描述 8
2.3 区域水土流失过程影响因子 10
2.4 主要因子的测试与提取 13
2.5 水土流失因子数据库 16
第3章 区域水土流失模型参数的获取与处理 20
3.1 区域概况 20
3.2 基础数据及处理方法 25
第4章 大中尺度流域水沙过程数学模型的构建 38
4.1 模型的总体框架 38
4.2 单元模型的构建 39
第5章 大中尺度流域水沙过程模型系统的设计与开发 49
5.1 系统框架设计及逻辑结构 49
5.2 系统模型设计 51
5.3 关键技术开发 52
5.4 功能展示 52
5.5 模型的测试与运行 59
第6章 模型在孤山川流域的验证 62
6.1 研究区概况 62
6.2 孤山川流域径流泥沙模拟结果和精度分析 65
第7章 耤河示范区径流泥沙变化规律分析 73
7.1 降雨对径流泥沙变化的影响 74
7.2 相同降雨不同土地利用/覆被条件下径流泥沙的变化 77
第8章 延河流域径流泥沙变化规律及对土地利用变化的响应 88
8.1 研究区概况 88
8.2 延河流域土地利用变化及驱动力分析 92
8.3 延河流域径流泥沙时空变化分析 105
8.4 延河流域水沙变化对土地利用变化的响应 117
第9章 “7.26”洪水大理河流域泥沙来源反演分析 120
9.1 流域概况 120
9.2 “7.26”洪水大理河泥沙来源反演 122
第10章 流域次暴雨条件下土壤侵蚀与泥沙沉积过程模拟 128
10.1 基础数据 129
10.2 流域土壤侵蚀/沉积数学模型的构建 134
10.3 地形对土壤侵蚀/沉积影响的模拟 139
10.4 流域次暴雨土壤侵蚀/沉积模型系统的开发 142
10.5 流域次暴雨土壤侵蚀/沉积过程模拟结果与分析 152
10.6 结论 165
参考文献 167
前言
第1章 绪论 1
1.1 国外研究现状 1
1.2 国内研究现状 4
1.3 存在问题 5
第2章 区域水土流失过程及其影响因子 7
2.1 水土流失的多尺度特征 7
2.2 区域水土流失过程描述 8
2.3 区域水土流失过程影响因子 10
2.4 主要因子的测试与提取 13
2.5 水土流失因子数据库 16
第3章 区域水土流失模型参数的获取与处理 20
3.1 区域概况 20
3.2 基础数据及处理方法 25
第4章 大中尺度流域水沙过程数学模型的构建 38
4.1 模型的总体框架 38
4.2 单元模型的构建 39
第5章 大中尺度流域水沙过程模型系统的设计与开发 49
5.1 系统框架设计及逻辑结构 49
5.2 系统模型设计 51
5.3 关键技术开发 52
5.4 功能展示 52
5.5 模型的测试与运行 59
第6章 模型在孤山川流域的验证 62
6.1 研究区概况 62
6.2 孤山川流域径流泥沙模拟结果和精度分析 65
第7章 耤河示范区径流泥沙变化规律分析 73
7.1 降雨对径流泥沙变化的影响 74
7.2 相同降雨不同土地利用/覆被条件下径流泥沙的变化 77
第8章 延河流域径流泥沙变化规律及对土地利用变化的响应 88
8.1 研究区概况 88
8.2 延河流域土地利用变化及驱动力分析 92
8.3 延河流域径流泥沙时空变化分析 105
8.4 延河流域水沙变化对土地利用变化的响应 117
第9章 “7.26”洪水大理河流域泥沙来源反演分析 120
9.1 流域概况 120
9.2 “7.26”洪水大理河泥沙来源反演 122
第10章 流域次暴雨条件下土壤侵蚀与泥沙沉积过程模拟 128
10.1 基础数据 129
10.2 流域土壤侵蚀/沉积数学模型的构建 134
10.3 地形对土壤侵蚀/沉积影响的模拟 139
10.4 流域次暴雨土壤侵蚀/沉积模型系统的开发 142
10.5 流域次暴雨土壤侵蚀/沉积过程模拟结果与分析 152
10.6 结论 165
参考文献 167
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区域水土流失过程模型与应用 节选
第1章绪论 水土流失是世界性的环境问题，是土地退化的主要形式之一。水土流失发生在地表物质迁移转换*为强烈的土壤圈，是现代表层系统过程的主要物质运移过程。由于该过程与地表环境因子具有广泛密切的发生学和空间联系，同时也直接参与了土壤和地表松散物质、地表径流及土壤有机碳等物质的运移，水土流失过程是地表覆盖变化的原因之一，因而对区域甚至全球环境造成影响。所以关于水土流失的研究，除受到土壤学（微观侵蚀学）、地貌学（侵蚀地貌形态变化）等传统学科重视外，全球变化和地球系统科学也日益重视区域尺度的水土流失。同时，国家、流域机构和省区水土流失治理与生态环境建设的宏观决策，依法对全国和区域水土流失状况的定期普查与公告等，均需要区域水土流失信息的支持。自20世纪90年代以来，为了满足水土保持宏观决策的需求，也为了认识水土流失对环境的影响，分析评估全球变化与区域水土流失关系，国内外对区域水土流失研究均给予了高度重视［1-5］。区域水土流失模型的建立与应用，是区域水土流失监测与评价的重要内容，是国家水土保持普查和宏观规划决策的需要，也是全球变化背景下水土保持科学研究的需要［6］。 1.1国外研究现状 水土流失已有研究可以概括为五个方面：一是实用化的水土流失调查制图;二是利用遥感和GIS技术方法与坡面侵蚀模型结合，实现对区域水土流失的评价；三是基于坡面侵蚀模型，利用时空尺度转换方法，完成大区域水土流失评价和预报；四是基于遥感和GIS数据与方法，开发区域水土流失模型；五是基于分布式模型的流域产流产沙量估算。 （1）利用调查的方法进行土壤侵蚀评价 美国农业部自然资源保护局的土壤侵蚀调查方法富有特色，它建立了一个全美土壤侵蚀监测预报网络系统，在全美布设80万个抽样点，定期进行一定数量的抽样调查，结合通用土壤流失方程（universal soil loss equation，USLE）进行全美的土壤侵蚀评价［7］。这种方法的基础有三个方面：一是完善的基础数据支持（用以计算USLE各因子值）；二是土壤侵蚀定量计算工具；三是一批训练有素的工作人员。 （2）基于GIS和坡面模型的流域（区域）土壤侵蚀评价 20世纪90年代初有人将USLE和RUSLE(revised universal soil loss equation)、WEPP（water erosion prediction project）与GIS结合进行区域尺度水土流失预报［8，9］。澳大利亚学者以RUSLE为基础，利用覆盖全澳大利亚的较粗分辨率或较小比例尺数据，完成了澳大利亚大陆片蚀、细沟侵蚀的定量评价和制图［10］。这种方法将坡面模型直接应用于区域尺度，对空间尺度问题尚未给予足够的重视。同时，模型与GIS是一种松散式的集成和结合，因而既不能完全发挥模型本来的优势，也不能完全发挥GIS的优势。例如，对径流、泥沙物质的汇集和传输计算等，基本上没有良好的方法处理。 （3）考虑尺度变换的区域侵蚀评价 在全球变化与陆地生态系统(global change and terrestrial ecosystem，GCTE)研究项目中，来自世界各地的土壤侵蚀科学家对现有的土壤侵蚀模型进行了分析比较和评价，力图理解多种空间尺度土壤侵蚀过程之间的联系，并找到一种尺度转换的方法［11-15］。有关研究对水土流失的尺度问题进行了探索［16-18］，取得了一些进展，但理论和方法均尚未成熟。 （4）区域水土流失模型的探索 土壤侵蚀危险性评价更多关注全球和区域尺度［19-21］。之后，Kirkby等在地中海地区荒漠化和土地利用（Mediterranean desertification and land use，MEDLUS）研究中，提出了区域水土流失模型。模型基于土壤侵蚀过程，可计算尺度达5000km2的流域［22，23］。作者认为该方法可被推广应用到全球尺度（分辨率为1000m）。同样在MEDLUS项目中，荷兰科学家de Jong等对区域尺度基于GIS的分布式土壤侵蚀模型进行了有益的探索［2］。该模型将整个土壤侵蚀过程概化为径流和输沙两个阶段，模拟区域尺度的土壤侵蚀过程并输出土壤侵蚀图。研究者对土壤侵蚀的多尺度特征和区域水土流失的空间变异性、区域尺度上土壤侵蚀与土地利用和气候变化的关系也进行了初步讨论［24-27］。但至今未能建立起像USLE那样实用的模型。 （5）基于分布式模型的流域产流产沙量估算 比较成熟的方法是利用SWAT模型［28］（soil and water assessment tool）模拟流域径流过程和输沙量，并在多个国家不同研究区得到应用［29-32］。但模型对降雨较少、产流产沙量小以及短期径流量的情景模拟结果较差， 更不适合单一事件的洪水过程的模拟。比利时鲁汶大学在USLE基础上研发的分布式土壤侵蚀模型WatEm/SEDEM模型［33］（water and tillage erosion model and sediment delivery model）。该模型结构相对简单，但却能够分析土壤侵蚀各因素对土壤侵蚀作用的空间分布，同时考虑了土地利用格局对土壤流失的拦截作用和泥沙的运移过程，可用于模拟年均土壤侵蚀率和沉积强度。虽然该模型在许多国家得到成功应用，但其主要不足之处在于不能模拟径流。另外，英国利兹大学 Kirkby 等［34］研制开发了 PESERA(Pan-European soil erosion risk assessment) 模型，该模型是一个具有物理基础的分布式、长时段、大尺度土壤侵蚀模型，可以输出月侵蚀强度和月径流总量，已被广泛用于欧洲土壤侵蚀风险评估。但是该模型在坡面的泥沙供给总是在足量的假定条件下，不考虑河道汇流，输沙及泥沙淤积等过程，其模拟精度受到限制。 1.2国内研究现状 与区域水土流失模型直接相关的研究可概括为国家和区域水土流失调查制图、区域水土流失因子分析、区域水土流失定量评价和区域水土流失模型探索四个方面。 （1）区域水土流失调查与制图 国内从20世纪50年代起多次组织全国和区域性的土壤侵蚀调查［35，36］。80年代和90年代末期，水利部先后两次组织进行了全国土壤侵蚀的遥感调查与制图［37］，在当时的技术水平、数据积累条件下，基本查清并公告了全国土壤侵蚀基本状况，为全国水土流失治理提供了比较系统的数据支持。一是查清了全国土壤侵蚀的基本状况，为国家水土保持宏观规划和决策提供了支持；二是朱显谟院士提出土壤侵蚀分类［38］和分区系统［39］，对以后的土壤侵蚀学科发展形成了深远的影响；三是根据植被覆盖度和地面坡度两个指标，完成对土壤侵蚀强度的评价，形成了富有中国特色的水土保持遥感普查制度［40］。目前，大区域土壤侵蚀的调查制图基本上是利用这种方法完成对土壤侵蚀强度的评价。该方法简单实用、可操作性较强。但其中也存在一些问题，主要是难以直接反映气候、土壤和治理措施等要素对侵蚀的复杂影响，因而对土壤侵蚀的评价不是很全面；而且半手工操作方式受作业人员主观因素影响较大，不便进行质量检验；同时由于是一个定性的侵蚀强度等级评价，难以实现对水土流失的定量评价和预报。因此，在改进和完善已有的调查评价方法基础上探索新的方法势在必行。 （2）区域水土流失因子分析 区域水土流失因子分析，对区域水土流失因子进行了比较系统的研究，包括降雨侵蚀力的研究［41， 42］，全国径流输沙时空特征分析［43-45］，土壤可蚀性K值的测试和全国范围内土壤可蚀性及其地理分布特征分析［46， 47］，全国和黄土高原土壤抗冲性研究［48-51］，全国水土流失评价地形因子提取和分析［52］，以及植被因子研究［53］等。进一步研究的重点应该是，系统整理和集成这些研究和资料，将其应用于区域水土流失模型中，同时就其与水土流失的定量关系做出深入研究。 （3）区域水土流失定量评价 我国区域水土流失定量评价始于20世纪80年代。国家水土保持宏观决策，需要对全国水土流失进行宏观评价，为此，卜兆宏等［54］根据USLE的基本形式，通过实测方法得出适合我国的有关参数，开发了水土流失遥感定量快速监测方法，并在南方的福建、江西、江苏和北方的山东等地推广应用。傅伯杰等［55］利用USLE完成了中等流域（延河）土壤侵蚀评价。杨艳生［56］根据USLE的评价思想，通过将USLE中的坡面指标引申为区域指标，对长江三峡地区的水土流失进行宏观的研究，建立该区的水土流失预测方程，但是其中没有充分考虑到各个因子随尺度变化的响应过程。 （4）区域水土流失模型探索 有一类方法是利用已有区域水土流失因子，建立区域水土流失模型［57-59］。此类方法是对区域尺度水土流失定量评价的有益尝试。但这类与国外有关研究相似，对空间尺度考虑不足，同时均未直接对区域水土流失过程进行描述。第二类方法是根据区域水土流失过程，在GIS环境下开发的模型［60-66］，对区域土壤侵蚀模型开发具有重要参考价值。但由于区域尺度上问题比较复杂，也受到对尺度问题认识上的限制等，至今也没有成熟、实用的模型。第三类方法是对径流过程进行描述的分布式水文模型研究成果［67， 68］，对区域水土流失模型开发具有重要参考价值。 1.3存在问题 区域水土流失模型研究目前仍存在以下五方面问题：①目前的土壤侵蚀模型，主要集中在坡面及小流域，对大中流域的研究较少。②借鉴国外土壤侵蚀产沙模型时，有两个问题重视不够：一是地形地貌条件，国外模型基本上只适用于缓坡地的侵蚀环境，不适应于像黄河流域黄土高原类的陡坡地侵蚀环境；二是产流机制，国外不少物理成因模型是在蓄满产流条件下建立的，而在引进这些模型中，往往将其直接应用于我国以超渗产流机制为主的地区，由此也就难以保证模拟精度，难以推广应用。③对区域尺度土壤侵蚀过程缺乏清晰明了的认识和理解，限制了区域土壤侵蚀定量评价和模型开发研究的进步。④在不同区域，影响土壤侵蚀的因子不同，它们的组合以及组合力度也不同，因此，在现有情况下建立大中尺度流域的单个模型预测的准确性受到限制。⑤侵蚀模型与GIS结合，大多还只是一种松散式的结合，致使遥感和GIS的优势不能得到充分发挥。 因此，本书以土壤侵蚀学、泥沙动力学、水力学和地貌学等为理论基础，分析区域（流域）产流产沙、水沙物质传输机理，利用RS、GIS等技术，开发大中尺度流域（区域）水土流失过程模型，用以分析大中尺度流域径流泥沙时空分布特征，揭示多因素变化下大中尺度流域水沙变化规律，为认识大中尺度流域水沙变化提供理论支撑，也为该区域开展生态环境建设提供科学依据。其研究成果将促进土壤侵蚀学、泥沙动力学、水文学和GIS等交叉学科的发展。
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