黄土丘陵沟壑区坡面水保措施及植被对流域尺度水沙关系的影响

根据黄土高原高含沙水流的特点,认为次暴雨的产沙模数和径流深可用线性正比关系式来表示,关系式中比例系数表示流域单位径流深的输沙能力、次暴雨过程中流量超过临界值后的稳定含沙量以及流域历次洪水的平均含沙量。在此模型基础上,以黄土丘陵沟壑区的王家沟的两个毗邻地貌相似的两条沟为研究区,其中一条沟为经治理而另一条则未治理。探讨各种坡面水土保持措施及植被对流域水沙关系的影响。结果表明,治理流域和非治理流域具有相同的水沙关系,被治理沟的植被等坡面措施在流域尺度上仅通过减水来减沙。这主要是因为植被等坡面措施不能显著改变沟道的输沙能力,且由于植被不能很好地控制沟谷侵蚀和重力侵蚀,使得水流进入沟道后又会获取充足的泥沙补充,达到和治理前相同的径流输沙能力。因此可以认为,在仅有植被和其它坡面治理措施的情况下,治理流域的减沙率可用减水率来估计。本文的实际计算表明,在多年平均尺度、年际尺度和次暴雨尺度这一方法都有较好的精度。

黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响

根据晋西离石试验站的观测结果和相关文献的数据,研究了黄土丘陵沟壑区植被对坡面小区、全坡面、小流域及中大流域4个空间尺度水沙关系的影响。对梁峁坡坡面小区言,由于植被提高了土壤抗蚀性,因此植被不仅通过减水来减沙,也通过改变水沙关系来减沙。但在全坡面尺度,土壤侵蚀以沟蚀为主,由于植被措施难以改变沟道的各种水利参数,也难以有效控制切沟沟壁的重力侵蚀,导致水流进入沟道后仍然可以获取充足的泥沙,因此认为植被不会改变全坡面尺度的水沙关系。同样对于各级流域,由于植被措施难以改变沟道的输沙能力和黄土丘陵沟壑区流域泥沙来源充沛的特点,因此植被措施也不会改变其水沙关系,植被的减沙效应仅通过减水来实现。对离石试验站的一对水土保持对比沟的研究表明,即使在沟道已有茂密植被生长的情况下,高含沙水流的输沙能力也没有改变,这使得两者的水沙关系统计上可以认为完全一致。由于大流域水沙关系主要取决于沟道或河道的特性,而植被等坡面措施很难改变沟道或河道特性,因此认为流域尺度越大,植被越难以改变其水沙关系。

一种遥感影像分类精度检验的新方法

遥感影像中属于某类别的特征向量服从正态分布,基于此理论,根据统计学原理,提出一种新的基于类别分布的分类精度检验方法,该方法与常规基于混淆矩阵的分类精度检验方法完全不同,不需检验数据,仅需要一定的样本数据来估计总体的分布,可直接利用监督分类的训练区进行,因此对监督分类而言工作量极小。该方法能够进行的关键是类别总体的分布能通过某一分布的假设检验,在这种情况下可方便地计算出该类别的生产者精度,同时根据类别均值向量对应的像元数目和均值向量在类别总体中出现的概率计算出类别总体的数目后,可计算出各类别的用户精度,然后根据各类别的用户精度和分类后各类别分布面积比例计算出分类总精度。最后以郑州市高密度建设用地分类的生产者精度数据的获取为例进行了实证研究。研究表明:对于总体分布与正态分布最接近的两个波段的分类结果,本方法的计算结果与常规方法的计算结果在统计意义上可以认为一致。

一种新的流域水沙关系模型及其在年际时间尺度的应用

根据陕西子洲试验站9个流域和山西离石试验站3个流域的观测数据,研究了黄土丘陵沟壑区次暴雨径流和产沙的关系。结果表明:在研究区,当流量超过某一临界值后,含沙量保持稳定,且次洪平均含沙量主要取决于大流量时段,故对于较大的洪水事件,其平均含沙量也趋于稳定,次暴雨和次暴雨过程两个时间尺度的水沙关系表现出很好的相似性。因此可用正比关系式来拟合较大洪水次暴雨径流深和产沙模数之间的关系。由于极端事件对研究区水土流失的重要性,使得该模型有很好的实用性。模型在年际时间尺度上的应用结果表明,对仅在次暴雨期间产流的地区,该模型可以很好地预测年产沙量,而对于常年流水的流域,在丰水年根据汛期径流量该模型也有较好的计算精度。

先验概率对最大似然法提取土地利用现状信息精度的影响

最大似然分类法是提取土地利用现状信息时常用的一种遥感分类技术,但研究者分类前无法确切知道各类别的先验概率,因此先验概率是最大似然分类法的主要难点之一。该文从理论上分析了先验概率对最大似然分类法分类结果生产者精度、使用者精度、总精度和kappa指数的影响,提出运用循环迭代法来消除先验概率对最大似然分类法分类结果的影响,并指出了循环迭代法能够进行的条件。最后以郑州市为例进行了实证研究。研究表明:运用循环迭代法进行最大似然法分类保证了错分损失最小,可提高遥感影像总分类精度,但对不同分布面积的类别的分类精度影响不一样:对于分布面积大于平均值的类别,一般会提高其生产者精度,但会使使用者精度降低,使得分类面积大于实际面积;分布面积小于平均值的类别,一般会提高其使用者精度,但会使生产者精度降低,使得分类面积小于实际面积。

一种新的土地覆盖类别面积估计方法及其在最大似然分类法中的应用

首先根据生产者精度和使用者精度的概念,提出生产者精度和使用者精度的条件概率表达式,然后根据概率乘积公式,推导出生产者精度和使用者精度之间的关系式。该关系式表明:①使用者精度和生产者精度的比值可作为类别真实面积与分类结果中类别面积的比值的估计;②利用使用者精度和生产者精度的比值可对遥感分类结果进行修正,产生更接近于真实值的土地覆盖类别面积值,且该方法的计算结果仅取决于使用者精度和生产者精度数据的可靠性,与分类算法的优劣无关。该方法可用于最大似然分类方法中先验概率的估计。对ErdasImagine软件所附带lanier.img文件的实验结果表明,各种分类结果包括一种对常规最大似然分类结果进行任意修改后的分类结果,利用文中提出方法修正后均产生了接近于真实值的类别面积比例。由于作为标准的精度检验方法,几乎所有的分类影像都会产生误差矩阵用于精度报告,这保证了该方法具有很好的应用价值,可以帮助土地利用/土地覆盖研究中获取更准确的土地利用/土地覆盖的面积数据。

利用众数滤波对监督分类训练样本纯化的研究

分析了当遥感分类类别存在光谱特征重叠时,以训练区数据估计类别总体特征发生偏差的原因和性质,提出运用众数滤波(Majority滤波)对训练区进行纯化.一个例子的研究表明,尤其在提取某一类或少数几类专题信息时,如果不关心其余专题信息的提取精度,Majority滤波是一种较好训练区纯化方式.

坡面水流速度与坡面含砂量的关系

通过组合不同坡度(10°、15°、20°、25°)、不同坡长(5、10m)、不同雨强(1.5、2mm/min)的室内纯净水模拟降雨试验,对坡面细沟侵蚀发生过程中的坡面流速的沿坡变化进行了研究,并讨论了流速与坡面含沙量的关系。试验结果显示:从坡顶至坡脚,坡面细沟流的速度逐渐增加;坡面流速主要受雨强和其流动距离影响,与坡度无关,并得到流速与雨强和距坡顶距离的关系式。坡面含沙量与坡度、雨强和坡面流速相关,而10m坡长所测的含沙量与5m坡长相近。将坡面流的能量分配为自身流动所需能量、剥蚀土壤消耗能量以及携带搬运土壤所需能量,在一定坡长内,径流的能量足以剥蚀并携带搬运坡面土壤,但超过此范围,虽然流动速度在增加,但是径流消耗于携带搬运泥沙的能量也增加,从而使坡面流的能量不足以支撑剥蚀土壤耗能,而坡面含沙量不会有显著的增加。

化学工业污水灌溉对土壤中砷分布的影响——以开封市化肥河为例

对开封市郊区化肥河沿岸及全郊区土壤进行典型采样调查 ,研究了化肥厂含砷废水灌溉对土壤中砷含量的影响。结果表明 :(1 )不同灌溉方式下砷在土壤中的含量变化规律是重污灌区水浇地和菜地高于污灌混灌区耕地和菜地 ;(2 )土壤中砷含量沿化肥河以排污口为界向下游逐渐增加 ,垂直于河流流向因距河远近、不同土地利用方式也表现出明显的规律性变化特征。

黄土丘陵沟壑区坡面土壤侵蚀的临界坡度

坡度是重要的地貌因子。采用岔巴沟径流场和王家沟径流场资料,首先研究坡度与最大30min雨强(I30)对土壤侵蚀影响,然后确定了主导侵蚀为溅蚀片蚀与主导侵蚀为细沟侵蚀之间的临界雨强,最后探讨了不同侵蚀类型下的临界坡度。结果表明:1.坡度与降雨强度存在明显的交互作用,随着坡度的增大,雨强对土壤侵蚀的影响增大;2.团山沟的溅蚀片蚀与细沟之间的临界I30为0.31mm/min,同时,该临界雨强不是一定值,受下垫面因素等影响而具有一定的波动范围;3.以溅蚀片蚀为主时,土壤侵蚀存在一个<31°的临界坡度,侵蚀模数随坡度的变化趋势与径流模数随坡度变化的趋势相同,从9°～31°土壤侵蚀模数随坡度增加是先增加后减小;以细沟侵蚀为主时,在9°～31°间土壤侵蚀不存在临界坡度,土壤侵蚀模数随坡度的变化趋势与径流含沙量随坡度变化的趋势相同,从9°～31°土壤侵蚀模数随坡度增加先逐渐增加后缓慢增加,临界坡度>31°。

基于NDVI的1982—2012年黄河流域多时间尺度植被覆盖变化

气候变化和人类活动引起黄河流域的植被覆盖发生了明显变化,需要从多时间尺度对这一变化的时空差异进行研究,目的是对比植被覆盖变化在不同时间尺度上的异同,确定某一时间尺度的趋势性变化是否具有代表性。基于GIMMS和MODIS 2种处理后的NDVI数据集,通过趋势性检验、相关分析和统计等方法,分析了黄河流域植被覆盖在不同时间尺度下的空间特征,以及不同时间尺度植被覆盖的趋势性变化,并探讨了不同时间尺度间植被覆盖趋势性变化的关系。结果表明:1)黄河流域NDVI的空间分布总体特征为西北小,东南大,从西北向东南逐渐增大。夏秋2季和冬秋2季的空间分布特征分别具有比较高的相似性。2)1982—2012年,黄河流域NDVI在年际时间序列上具有增加趋势的区域所占比例较高,季节上仅冬春2季存在一部分区域表现出一定的增加趋势,而夏秋2季具有增加趋势的区域较少,3月和10月是具有增加趋势的区域高于其他月份;3)年尺度的趋势性表现是由多个月份贡献所致,而季节的变化主要是单个月份的影响,冬季呈现出增加性趋势主要来源于2月植被增加的贡献,而10月的植被增加趋势却未能使得秋季表现出明显的增加趋势。黄河流域植被覆盖的变化在不同的时间尺度上具有明显差异,NDVI年尺度的增加趋势并未完全体现在所有的季节里,而NDVI表现出增加趋势的月份也以冷暖转换的季节为主;因此,年尺度NDVI的趋势分析结果并不能完全代表别的时间尺度的趋势性,在分析黄河流域的NDVI年尺度趋势性变化时,不仅要说明年尺度的趋势性变化,还需要在季度和月尺度上作进一步的计算和验证。

黄土丘陵沟壑区的岔巴沟流域次降雨侵蚀力的研究

降雨侵蚀力是反映由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力,是土壤侵蚀模型的重要因子。降雨侵蚀力指标就黄土高原,不同的学者提出不同的指标。雨型对土壤侵蚀影响很大,根据降雨特性分为三种雨型,通过对黄土丘陵沟壑区岔巴沟流域降雨的最大时段雨强与能量的乘积EIt与土壤侵蚀模数直线回归,并对各个相关性系数r之间进行了显著性分析表明,研究区所有雨型条件下从rEI10到rEI60各rEIt之间没有显著性差异;短阵型雷暴雨(A型雨)rEI10与rEI30没有显著性差异但与rEI40有显著性差异,锋面夹雷暴雨(B型雨)其rEI10与rEI100中各rEIt都没有显著性差异。因此,认为黄土丘陵沟壑区的降雨侵蚀力指标EI10到EI30各EIt都可以采用,并且可以被相应简易因子PIt替代。

原状砒砂岩坡面产流产沙规律试验研究

为深入了解砒砂岩坡面的侵蚀产沙特征,在野外建立了人工原状砒砂岩坡面,通过放水冲刷试验对比研究了白色和红色原状砒砂岩坡面的产流、产沙过程。结果表明:白色砒砂岩坡面水分入渗率为18.9 mm/h,小于红色砒砂岩坡面的47.0 mm/h;白色和红色原状砒砂岩坡面水流平均流速与流量呈幂函数关系,相同冲刷流量条件下红色砒砂岩较白色砒砂岩产沙量及坡面水流含沙量大、抗侵蚀性弱;受水分入渗率和砒砂岩颗粒分离速度的控制,两种坡面土壤剥蚀率与单宽流量之间呈向下弯曲的二次曲线关系;两种砒砂岩坡面土壤剥蚀率与水力学参数的相关关系相似,说明其侵蚀产沙的水力学机制是一致的。

漫川漫岗黑土区水土流失综合治理范式

漫川漫岗黑土区是我国东北商品粮主产区和黑土坡耕地最集中的地方,也是坡耕地水土流失最严重的地区。根据漫川漫岗黑土区水土流失规律和特点,在已有水土流失治理模式的基础上,通过总结该区水土流失综合调控机制,凝练基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式,并对形成的水土流失综合治理范式体系的结构进行解析,对其推广应用效益进行分析,以补充和完善黑土区水土流失综合调控理论。结果表明:1)漫川漫岗黑土区水土流失治理应以坡耕地水土流失控制为主,水土流失综合治理调控主要由地表径流调控、沟道侵蚀调控和土地生产力调控3部分构成;2)基于粮食安全的黑土区长坡缓坡水土流失综合治理范式,以生态安全保障和粮食安全保障2大体系为支撑,系统结构主要包括水土流失立体防护体系结构和生态农业技术体系结构及二者之间的耦合;3)该范式可为促进东北漫川漫岗黑土区生态、社会和经济更协调发展提供科学参考和实践样板。

不同时空尺度下沟壑对流域侵蚀产沙的影响--以黄土丘陵沟壑区岔巴沟流域为例

基于DEM,分别以不同的沟壑发育所需的汇水面积为阈值,提取岔巴沟流域等6个不同空间尺度流域的沟壑,并求出不同级别沟壑的差值。结合黄河子洲观测站多年的水沙观测资料,分析不同级别的沟壑及沟壑的不同部位在不同时间尺度下对流域侵蚀产沙的影响。分析结果表明:沟壑密度并不是简单地随着流域面积的增大而减小,沟壑密度的空间尺度效应与所提取沟壑的级别有关;黄土丘陵沟壑区梁峁坡、沟坡的次暴雨产沙量占流域产沙总量的比重与降雨特性有关;重力侵蚀多发生在毛沟的中、上部及沟头处,而支沟、干沟主干道的沟坡比较稳定,且其发生的重力侵蚀对流域产沙的影响多为"无效"部分;沟壑发育汇水面积的阈值为1500、1800、2000个栅格提取的沟壑对流域侵蚀产沙的作用较大,同时沟壑对流域侵蚀产沙的影响与时间尺度有关,在多年平均尺度下,高级别沟壑只起到泥沙输送通道的作用。

泾河流域径流—泥沙的尺度效应研究

[目的]分析泾河流域径流和泥沙的尺度效应,并通过突变检测确定突变时间点,对比突变前后水沙尺度效应的变化,为气候变化和人类活动对水沙尺度效应研究提供支持。[方法]收集整理了泾河流域1958—2013年的水沙资料,基于流域水沙异源的特性,将流域分成南北两个分支,分别探讨2条分支水沙的尺度效应,并通过Mann-Kendall突变检验方法计算出突变时间点,对比突变前后尺度效应的异同。[结果](1)南北两分支的径流—泥沙之间的尺度效应具有反向关系。北支(洪德—张家山)的产流模数随面积增加表现为线性增加,南支(三关口—张家山)的产流模数随面积增加表现出对数函数关系,随集水面积增大产流模数先快速减小后缓慢减小。北支的产沙模数随面积增加表现为线性减少,南支的产沙模数随面积增加表现出幂函数关系,即随面积增大产沙模数先快速增加后缓慢增加;(2)突变后水沙都比突变前出现了不同程度的减少,突变前后水沙的尺度效应大部分具有相同的拟合函数关系式,仅南支的产沙模数由突变前的最优二项式函数拟合转变为突变后的线性函数。[结论]气候变化和人类活动的共同作用不同程度的改变了泾河流域径流—泥沙的尺度效应。

黄土土壤结皮对产流临界雨强的影响分析

依据野外资料,从影响产流的各项因子出发,分析黄土高原典型区土壤结皮对产流临界雨强条件的影响,得出:在该区特殊的超渗产流方式下,土壤结皮降低入渗,使得产流时的临界雨强条件降低,因而大大提高了产流的可能性。但是,在实际情况下,雨强变异很大,应考虑不同雨强情况下土壤结皮对产流量的影响。而在室内条件下,各项因子均是可控的,一般情况下,雨强恒定,产流时的临界雨强条件降低,意味着产流提早,必然带来产流量的增加。

黄河流域河网密度的空间特征及其影响因素

河网密度是表现流域流水地貌的重要指标,研究河网密度有助于对流域整体水文地貌过程发展演化的理解。基于30m分辨率全球数字高程模型数据,利用Archydro模块,在ArcGIS平台上提取了黄河流域花园口水文站以上的水系,并计算出河网密度,分析了黄河流域花园口水文站以上区域河网密度的空间分布,并就地貌、降雨量和植被覆盖等因素分析了自然要素对流域河网密度的影响。研究发现:(1)空间分布上,从西北向东南先增加后略微减少。西北沙漠区的河网密度非常低,高值区位于黄河中游的沙漠—黄土过渡区,再向东南又有所减小,西南区域的青藏高原由于海拔高,落差大,河网密度值也较高;(2)统计结果显示黄河流域河网密度符合正态分布,表明空间分布是多种因素综合作用的结果;(3)河网密度主要受到地貌的控制,在高差小于1 000m和坡度<9°时,河网密度随落差和坡度增大而增大,当它们进一步增加时,河网密度有所减小。同时,河网密度的空间分布与降雨量和植被的空间分布具有一定对应性,随着降雨量和植被覆盖的增加,河网密度逐渐增加,但在超过一定的临界值后,河网密度与降雨量和植被覆盖又表现出负相关,负相关区域主要出现在东南部边缘。

纳木错流域冰雪消融特性研究及融水量估算

冰川积雪是寒区水资源的重要组成部分,在全球气候变暖背景下,进行寒区冰雪消融特性研究和融水量估算具有重要意义。以青藏高原纳木错流域为研究对象,采用2004—2013年MODIS数据对纳木错流域冰雪消融时空变异规律进行研究。结果表明:纳木错流域冰雪覆盖率年变化曲线呈"双峰型",7—8月冰雪消融最为剧烈,而2月和11月是季节性积雪的主要积累阶段;冰雪覆盖量在空间分布上差异明显,地势较高、坡度较陡、阴坡比例较大的流域东南侧年均冰雪覆盖率较大,而流域西北侧与之相反。为进一步探讨气温变化对冰雪消融的影响,选取研究区内典型冰川融水补给区域——曲嘎切流域2013年8月实测数据,建立气温与冰雪融水径流间函数关系,模拟结果显示两者呈指数相关(R2=0.7105),表明气候变暖、温度上升将引起寒区冰雪消融量的急剧增加。

1950-2015年黄河下游河道排洪输沙时空演变

基于1950—2015年长序列的水沙数据,以平滩流量作为漫滩洪水的参照值,通过时间序列分析和统计分析,研究了黄河下游不同河段的排洪和输沙能力。结果表明:黄河下游的基本排洪能力在空间上具有相似性,不同河段的排洪能力随时间变化具有比较好的一致性;排洪能力随时间变化表现为阶段性减小,与上中游来水的丰枯具有密切关系,并部分受到水库调节的影响,尤其是小浪底水库在水沙调控中的作用。并对比分析了1950—2015年日平均流量大于平滩流量的发生情况,发现漫滩洪水的发生频率是逐渐减小的,输送的水量与小于漫滩流量输送的水量相比也是逐渐减少的。输沙能力在空间上具有一定差异,高村以上的游荡河段在20世纪后期都是逐渐减小的,21世纪初期的输沙能力逐渐提高,高村以下河段在研究期内的输沙能力变化较小,艾山—洛口河段基本不变,孙口—艾山河段和洛口—利津河段在1998年以前的变化不大,之后前者略有提升,后者略有减弱。研究期内黄河的排洪输沙能力总体上是减弱的,虽然现今水沙量显著减少,但河道的淤积升高仍然给排洪输沙带来很大的压力,提高黄河下游整个河道的排洪输沙能力依然是河道治理的关键所在。