基于Horton定律的河套灌区灌排系统分形特征研究

针对大型灌区灌排系统灌排水时效性低的问题,从渠(沟)系分布结构角度出发,应用Horton定律对河套灌区各灌域的特征参数与分形维数进行了计算,在此基础上对各灌域骨干渠(沟)系分布结构与灌排水时效性进行了评价。结果表明:研究区各灌域骨干溉灌系统的分形维数为乌兰布和4.2、解放闸1.3、永济2.8、义长1.2、乌拉特1.3、河套灌区1.8,骨干排水系统的分形维数为乌兰布和1.8、解放闸1.9、永济1.7、义长1.7、乌拉特1.6、河套灌区1.6,乌兰布和和永济灌域骨干溉灌系统的分形维数偏大;渠(沟)网密度和渠(沟)频数与分形维数均呈开口向上抛物线关系,随着渠(沟)网密度增大和渠(沟)频数增大,分形维数均呈先减小后增大趋势。由此提出河套灌区不同灌域渠(沟)系分布结构改造方案,提升灌区骨干灌排系统灌排水时效性,同时为类似灌区的渠(沟)系分布结构改造建设提供参考。

水系结构的分形和分维——Horton水系定律的模型重建及其参数分析

基于标准分形水系等级序列的镜象对称性 ,重建水系构成定律 :从 Horton第一、第二定律出发 ,导出关于河流长度与位序关系的三参数 Zipf模型 ;从 Horton第二、第三定律出发 ,导出广义的 Hack定律 ;从 Horton第一、第三定律出发 ,导出关于河流长度—流域面积关系的异速生长方程。根据上述数学变换结果建立了水系分维方程式 ,澄清了不同空间、不同类别的各种维数之间的数理关系。

Horton水系定律在公路网规划中的应用

在介绍Horton水系定律基本原理的基础上,将Horton水系分形定律运用于公路网规划,得出路网结构中各层次道路的总里程和比例;通过实例验证了Horton水系分形定律应用于公路网规划的适应性和合理性,说明了其在公路网规划中的应用前景。

基于Horton定律的麻地壕灌区渠系输配水效率分析

文章以托克托县麻地壕灌区为研究对象,应用Horton定律对麻地壕灌区现状渠系布置结构下的渠系输配水效率进行分析,评价麻地壕灌区现状渠系布置结构的合理性,为麻地壕灌区未来提高灌溉水利用效率,进行渠系节水改造提供参考。

基于Horton分形的河套灌区渠系水利用效率分析

大型灌区灌溉水利用效率是关系国民经济发展和水资源高效利用的重要评价指标。该文采用分维定律对内蒙古河套灌区输配水渠系布置结构与渠系水分利用效率进行评价。根据河套灌区现状的渠系资料,应用Horton定律计算出河套灌区及灌域的分形维数(乌兰布和1.14,解放闸1.86,永济2.21,义长1.8,乌拉特1.99,河套灌区1.88)。在此基础上对不同灌域的渠系水利用效率与分维值进行了分析,拟合了灌溉引水量、灌溉面积与分维值多元曲线,得出了渠系结构优化下的不同灌域的渠系水利用效率提高潜力(乌兰布和19.01%,解放闸28.8%,永济32.7%,义长27.07%,乌拉特30.7%)与灌区平均效率提高潜力(27.19%)。由此提出不同灌域渠系改造方案,对于灌区的科学管理与节水工程规划具有重要的理论意义和应用价值,同时对相似灌区的规划和节水改造具有很好的参考价值。

黄土高原流域水系的HORTON级比数和分形特性

研究沟道长度与江水面积关系 ,并将Hortoh定律和水路网分形理论应用于黄土高原的流域水系。 2 4个流域(面积 140km2 ～ 734 1km2 )沟道长度与汇水面积 ,幂函数关系最好 (L =aAb)。Horton级比参数与水道级别无关 ,近于常数。采用几种模型计算分维值 ,比较国外的研究结果。不同公式计算的分维 ,意义不同。公式d =lnRL/lnRB 表示长度分维 ,D =2LnRB/LnRA 代表面积分维。这些分维值 ,在一定程度上 ,可认为是常数 ,但并不是精确的固定值 ,它们都与沟谷密度无关 。

分支河流体系河网形态演变规律——以格尔木河流扇为例

为了探索分支河流体系河网分布规律,为创建储层建模训练图像提供知识库信息。利用Google Earth、Global Mapper、91卫图助手等现代地理信息软件,系统测量了现代格尔木河流扇表面河道分叉特征,应用Horton定律和分形方法建立了河流扇的河网形态模型。结果表明:①格尔木河流扇从顶点到入湖段共识别出26级河道,882个节点和2162个河道段,泉线上、下的河道表现出不同的河网形态;②泉线上部共发育64个节点,每级河道数目增长是上一级河道的R_(B)=1.8900倍,每级河道平均长度是下一级河道的R_(L)=1.0095倍,即河网形态特征参数R_(B)=1.8900和R_(L)=1.0095;泉线下部共发育818个节点,每级河道数目增长是上一级河道的R_(B)=1.0279倍,每级河道平均长度是下一级河道的R_(L)=0.9899倍,即河网形态特征参数是R_(B)=1.0279和R_(L)=0.9899;③河网形态特征参数受坡度影响变化较大,坡度较大则河网形态特征参数较大,坡度较小则河网形态特征参数较小。河网形态特征参数定量表征促进了分支河流体系沉积学发展,为开展陆相盆地储层建模和砂体预测提供了新的知识库信息.

基于GIS的Horton水系分维值估算——以韩江流域为例

利用Arcgis平台及其Model Builder基于DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)提取系列阈值下的韩江流域及9个子流域水系,从低级到高级逐次移除低级河道,再统计各级河道信息,计算基于Horton定律的水系分维值。结果表明:韩江流域系列阈值下的分枝比稳定,长度比上下波动,分维值变化幅度大,平均分维值为2.21。当不统计最高级河道信息时,分枝比均值与整个河网的分枝比均值相同,长度比均值则变大,平均分维值为1.53。结合韩江9个子流域的河网结构、河道特征,观音桥、溪口、上杭、杨家坊、潮安子流域采用完整河网的统计方法,宝坑、河口、水口、横山子流域采用不统计最高级河道的方法,计算的分枝比平均值4.51,长度比平均值2.66,平均分维值1.54,与韩江整个流域不统计最高级河道时的河道特征和分维值较为一致。

基于Horton分形的灌区灌溉水有效利用系数影响因素分析

根据黑龙江省20个典型灌区的渠系资料,采用Horton定律计算各灌区分维值并与河流水系理论分维值进行对比,结果表明三级灌区分维值均在Horton水系定律理论范围内,四级灌区中只有梧桐河灌区的分维值为3.037,超过一般理论范围上限约1.23%.利用灰色关联度分析得出:三级灌区有效灌溉面积、节水灌溉面积比例、渠系结构复杂度、渠道密度与灌溉水有效利用系数的关联度分别为0.695、0.556、0.606、0.700,与分维值的关联度分别为0.575、0.585、0.711、0.613;四级灌区各因素与灌溉水有效利用系数的关联度分别为0.700、0.730、0.605、0.675,与分维值的关联度分别为0.763、0.602、0.583、0.546.分别利用上述因素对灌溉水有效利用系数及分维值进行回归分析,得出提高灌溉水有效利用系数的渠系结构改造方案,对黑龙江省典型灌区的渠系结构优化具有一定的参考价值.

感潮河网地区水系结构特征及城市化响应

根据20世纪80年代初以及90年代末上海水资源普查的数据,尝试以水利片作为河网地区流域水系结构的基本单元, 类似Strahler水系分级,采用上海水资源管理信息系统中的河道分级体系作为水系分级方案,探讨了感潮河网地区的水系结构特征及城市化响应。研究表明:(1) 非高度城市化地区河网水系总体上具有Horton表现,反映在非高度城市化地区不同水利片的河道数目及河道平均长度随河道级别呈几何级数变化,不同等级水系的发育具有自相似特征。(2) 城市化是改变感潮河网地区水系结构的重要因素,在高度城市化的城区水利片,不同等级河网水系发育的自相似性特征已受到破坏,其影响集中表现为对河网水系分枝比和水面率的削弱,即高度城市化地区河网水系结构趋于简单,非主干河道减少,河网水面率与城市化水平成反比,反映出城市化过程中未能充分与河网结构保护相协调。(3) 河网水系的结构与功能参数之间具有显著的相关水平,说明河网地区水系形态结构与功能密切相关。由于城市化进程表现为对水面率以及分枝比的削弱,指示水面率和分枝比等指标具有表征城市化对水系结构影响的意义,在河网水系保护和结构恢复过程中应高度重视水面率、分枝比以及河网结构自然度等指标。

典型河网形态特征与分布

河流网络系统是地表流水地貌的重要组成部分,具有开放性、随机性、自相似性等特点。不同地区具有其独特的自然环境条件,从而形成了各种外观上迥然不同的河网形态。本文以卫星地图上的平面拓扑结构为依据,划分了3种典型河网形态:羽状河网、叶状河网和枝状河网,并在Horton定律的基础上对这3种典型河网形态的平均Horton比和流域外型参数进行了定量统计分析。此外,进行了中国大陆范围内各种典型河网形态的分布研究,从而探讨了影响河网形态产生的环境条件。

吉林省水系构成的分形研究

根据对分形水系的新近认识探讨了吉林省水系结构的自相似规律。Horton Strahler的水系标度定律隐含着水系的位序—规模法则和河流长度—流域面积的异速生长关系,这暗示着α=lnRb/lnRl是一种等级结构的维数,不能将之与空间结构维数混同;Hack模型的标度因子b=lnRl/lnRa是一种广义的空间维数之比,不能据之确定主河道的分维。基于上述思想,对吉林省10个主要水系的等级结构进行考察,发现气候相对湿润的山区水系的α值高于气候相对干燥的平原地区水系的α值,而平原—干燥区水系的b值高于山地—湿润区水系的b值。从河流发育的地质、地貌背景和气候—水文关系等角度对上述现象进行了的初步解释,并根据洮儿河的异常α值修正了LaBabera Rosso的水系分维定义。

自相似网络的拓扑性质及对天然水系的模拟

基于自相似网络的一些特殊性质,仿照Horton定律分别给出了河源率、直径率和链数率的计算公式,通过调整自相似网络的参数,对两个天然河网进行了模拟比较,取得了较好的结果。

基于DEM的典型地貌区河流形态特征分析

为分析不同地貌类型区的河流形态特征差异,遴选了川中丘陵区、黄土高原、辽河平原三个不同地貌类型区,选择西江河、清水川及沙河的代表性小流域,基于数字地形分析方法,计算了三个样区的分形维数、地形起伏度、平均坡度,对比了丘陵、高原、平原三种地形条件下中小起伏山地河网形态的差异。研究表明:三个小流域河网的分支比分别为3.46、4.45、4.20,长度比分别为1.87、2.48、2.05;河网分形维数为1.99、1.64、1.99。Horton参数能够较好地刻画流域发育状况,可以为不同地貌类型河流形态特征分析提供参考。

滇中河网特征及其对断层活动的响应

滇中地区作为青藏高原东南缘构造活动最强烈的地区之一,发育了许多活动走滑断裂,并且在该区域上密布着不同级别的河网,为利用河网分析断裂活动提供了有利条件。为揭示滇中河网发育与断裂活动内在联系,本文基于30 m分辨率的SRTM-3数字高程模型(DEM)在ArcGIS环境下提取了滇中地区金沙江、珠江、红河内的20条支流的河流网络,分析其典型的河网参数(分支比和长度比),通过这些比值与Horton定律描述的一般性河流网络进行对比。同时,基于ArcGIS空间分析技术及Matlab程序脚本系统,对这20条河流流域纵剖面进行定量化研究,分析其河道基岩侵蚀力模型,得到S-A拟合图解。结果表明:滇中地区金沙江、珠江、红河中大多数与断裂带重合的高级别河流的支流,河网发育明显地受到了断裂活动的影响;在河道基岩侵蚀力模型S-A拟合图中呈现为上凸和下凹相间排列,这一现象在金沙江流域的各支流最为显著,造成这一现象的原因可能是研究区内的河道主要受走滑断裂控制,当断裂以压扭性为主时,河道的隆升量大于剥蚀量,S-A拟合曲线表现为上凸;当断裂以张扭性为主时,河道的隆升量小于剥蚀量,S-A拟合曲线表现为下凹。通过对河网构造地貌特征的研究可以使我们更好地理解该地区的构造活动特征。

基于分形理论的察尔森灌区渠系水利用效率分析

为研究灌区渠系布置结构和渠系水利用效率之间关系,更合理指导灌区进行渠系节水改造和灌溉管理,应用分形理论对察尔森灌区各灌域渠系布置结构与渠系水分利用效率进行评价,根据察尔森灌区现状渠系资料,采用Horton河系定律计算了各灌域的分形维数(好田1.3,义勒力特3.6,乌兰哈达2.5,斯力很1.6,国光1.7,哈达那拉1.8),在此基础上,结合2013—3014年实际测算数据,分析了各灌域的分维数和渠系水利用效率的关系。结果表明:各灌域渠系水利用效率与分维数之间基本呈大开口抛物线,随分维数(D)增大,渠系水利用效率先减小后增大;察尔森灌区各灌域可通过适当降低分维值以提高渠系水利用效率;未来通过减少斗渠长度同时增加支渠数目与长度的措施是察尔森灌区提高渠系水利用效率的方向之一。

泰山山地水系网特征研究

运用Horton定律以及分形分维理论与方法,对泰山(本部区)地区水系、流域的特征进行较为详细的分析研究,揭示了泰山水系的分布格局、结构特征,区内水系发育的差异性;分析影响研究区水系网特征形成的因素,并探讨其发育的状态.

羌塘盆地河网统计规律及构造活动的响应

新生代期间,印度板块向北撞击欧亚板大陆,导致了青藏高原的隆起及一系列NE和NW向大规模走滑活动断裂断层区形成。目前对于青藏高原的隆起主要包括大陆下地壳流说和岩石圈挤出逃逸说两种。由于构造地貌学是研究新构造活动最为有效的方法之一,本温以90m数字高程模型为基础,通过ArcGIS软件对流经羌塘盆地的金沙江、怒江两大流域的河流地貌因子进行分析,研究该地区的主要构造活动模式。Horton定律的研究表明羌塘盆地低级河流别较好的符合Horton定律,高级别河流与Horton定律有较大偏离且与走滑断裂相互重合,说明构造活动影响了河网发育。结合前人对该地区断裂带的研究,我们认为该地区构造活动主要以走滑模式为主。

舟曲白龙江流域划分及地形特征研究

利用ArcGIS软件水文分析模块自动提取河网及子流域单元,通过子流域的合并得出亚流域区;提出基于盒维数法,将研究区划分为若干方格区块,计算出各个区块的分维值进而预测流域内河网水系的发展趋势;基于Horton定律对感兴趣亚流域区计算出平均分支比、分维值,对流域地貌侵蚀发育阶段进行判断。研究发现,研究区内河流主要以NW-SE向发育,其次沿NNE向次级发育;感兴趣区亚流域分支比高,构造活动较强,分维值均超过1.6,地貌侵蚀发育阶段为壮年期。研究为综合治理云南舟曲白龙江流域生态环境并对研究区地貌形态特征进行更细微的描述提供依据。

基于无人机遥感的元阳梯田典型灌区渠系结构特征

为研究元阳梯田灌溉渠系的空间结构特征,针对目前传统遥感影像对梯田沟渠分辨率不足,提取精度低的特点,提出了无人机遥感技术获取元阳梯田全福庄灌区遥感影像,利用ArcGIS 10.1软件提取灌溉渠系,把研究区分为3个亚灌区,运用Horton定律分别计算出其渠系结构参数特征。结果表明:(1)研究区内渠系级别为5级,其中1级渠系平均长度最长,2级渠系数量最多,2级渠系在水量分配中起着控制性作用:随着灌溉面积的增大,渠频数和渠网密度表现为逐渐增大。(2)研究区的分形维数为全福庄总灌区(4.72)、小寨(1.93)、大寨(2.39)、大鱼塘(2.12),小寨灌区分形维数值偏低。(3)渠系级别越多,渠系总量越多。随着渠系级别的增加,渠系平均长度表现为逐级递减。(4)对灌溉面积与分形维数关系进行分析发现灌溉面积越大,其分形维数也越大,渠系结构越复杂,梯田蓄水也越深。无人机遥感技术为元阳梯田灌区渠系识别提供了新的技术途径,研究结果为灌区后期渠系改造和灌溉管理提供参考。