基于GeoCA的黃土模擬小流域溝谷水蝕過程模擬.pdf

1、黃土高原因其獨(dú)特的地貌形態(tài)和氣候特征，成為我國土壤侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一。溝谷侵蝕作為土壤侵蝕的常見類型之一，是黃土高原水土流失的主要原因，對黃土高原的地形塑造起著重要作用。前人從溝谷侵蝕的產(chǎn)生機(jī)理、影響因子、發(fā)育過程監(jiān)測、侵蝕產(chǎn)沙預(yù)報(bào)模型等多個(gè)方面對溝谷侵蝕進(jìn)行了較為全面的研究，但由于研究方法和技術(shù)手段的限制，對溝谷侵蝕時(shí)空過程的研究較少。地理元胞自動機(jī)（Geographical Cellular Automate，GeoCA）具有鮮明

2、的時(shí)空耦合特征，適合地理空間系統(tǒng)的動態(tài)過程模擬，初步的研究表明地理元胞自動機(jī)可以較好地模擬黃土小流域的溝谷發(fā)育過程。
　　本研究針對溝谷的水蝕過程進(jìn)行模擬，以溝谷水力侵蝕過程作為研究的理論基礎(chǔ)，結(jié)合地理元胞自動機(jī)的方法，采用模擬小流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定以動力學(xué)公式為主的轉(zhuǎn)換規(guī)則，構(gòu)建基于GeoCA的黃土模擬小流域溝谷水蝕模型。在此基礎(chǔ)上，模擬并分析小流域的溝谷水蝕過程，以具體實(shí)例論證模型的有效性和模擬精度，并與現(xiàn)有研究方法進(jìn)行對比。

3、
　　論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.構(gòu)建基于GeoCA的黃土模擬小流域溝谷水蝕模型
　　本研究以溝谷水蝕過程與地理元胞自動機(jī)的基本理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)以溝谷水蝕物理模型為基礎(chǔ)的GeoCA轉(zhuǎn)換規(guī)則，模型構(gòu)建過程中轉(zhuǎn)換規(guī)則的數(shù)學(xué)模型和表達(dá)方式為研究重點(diǎn)。依據(jù)DEM的匯流特征，模型僅考慮地面徑流對侵蝕過程的影響;根據(jù)侵蝕強(qiáng)度的差異性，將溝谷水蝕過程劃分為坡面侵蝕過程和溝谷侵蝕過程;鑒于溝谷水蝕過程的復(fù)雜性，模型將水蝕過

4、程中的下切侵蝕過程坐為主要模擬過程。在此基礎(chǔ)上，闡述模型的具體實(shí)現(xiàn)步驟，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于GeoCA的黃土模擬小流域溝谷水蝕模型的算法。
　　2.溝谷水蝕模型的動態(tài)過程模擬
　　本研究以模擬小流域?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溝谷水蝕模型的過程模擬，實(shí)驗(yàn)分為單期黃土小流域侵蝕過程模擬和多期黃土小流域侵蝕過程模擬，并對多期模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的進(jìn)行對比分析。模擬結(jié)果表明，溝谷的形狀不隨侵蝕過程發(fā)生明顯變化，高程值持續(xù)不斷下降的趨勢。誤差主要集中在溝

5、沿線附近，是模型未考慮橫向侵蝕和溯源侵蝕過程所導(dǎo)致。
　　3.溝谷水蝕模型結(jié)果的驗(yàn)證
　　本研究為驗(yàn)證模型的模擬能力，將模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果、數(shù)據(jù)挖掘溝谷模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對比。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型模擬的溝長、溝寬、溝深與實(shí)測結(jié)果的誤差均小于30％，發(fā)育程度和侵蝕體積均小于實(shí)測結(jié)果。相較于數(shù)據(jù)挖掘溝谷模型的模擬結(jié)果，本研究的模擬結(jié)果精度更高，在高程的變化方面更加接近侵蝕過程。
　　綜上，本研究在溝谷水力侵蝕研究的理論基礎(chǔ)上