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黄河多沙粗沙区分布式土壤流失评价预测模型及支持系统研究
发布人:系统管理员 发布时间:2012-10-22 审核人:

获奖类型:河南省科学技术进步一等奖

项目名称:黄河多沙粗沙区分布式土壤流失评价预测模型及支持系统研究

任务来源:水利部科技创新项目、水利部“948”项目

课题编号:SCX2002-08、200129

课题起止时间:2002年10月1日-2007年12月30日

完成单位:黄河水利委员会黄河水利科学研究院、河海大学、河南大学

主要完成人:姚文艺 史学建 陈界仁 秦 奋 杨 涛 王玲玲 肖培青 

高 航 田 凯 彭 红 韩志刚 李 勉 赵海镜 解河海

康玲玲 

1、技术原理

本项目以地理地貌学、流体力学、泥沙运动力学和侵蚀动力学的理论为指导,以黄土高原多沙粗沙区具有完整坡面侵蚀产沙和沟道输水输沙系统的典型流域为研究对象,以地理信息系统为平台,开展典型小流域分布式土壤流失评价预测模型及支持系统研究。通过野外和室内试验的方法,揭示流域坡面—沟道系统耦合侵蚀产沙关系及其草被的影响作用,为建立土壤流失评价预测模型提供理论基础;运用3S技术,建立流域的数字高程模型(DEM),实现土壤流失预测模拟信息的自动提取;采用超渗产流模式和运动波理论,建立流域单元产汇流模型;将流域分为梁峁坡、沟坡和沟槽三部分,作为侵蚀产沙计算单元,由能量平衡原理分别建立其侵蚀产沙的计算公式,然后以分布式产汇流模型为基础进行耦合求解,即由每个网格的各个时段的水深、流速、流量,依次同步计算出网格的各个时段的产沙量;输沙过程采用坡面汇沙的滞后演算法分别对各个子单元进行演算,然后将各个网格的产沙量错开若干个传播时段进行迭加,最终求得流域出口断面总的产流量和产沙量。

采用系统分析的方法,设计模型与GIS集成的方式,构建黄河多沙粗沙区分布式土壤流失模型支持系统。基于ArcGIS平台,利用VBA+ArcObjects实现分布式土壤流失预测评价模型所需要的各种功能模块,自动完成模拟过程中的各种分析计算,对模拟结果进行反演,对计算结果(包括中间结果)进行统一管理与可视化并集成,最终形成一套完整的模拟系统。

2、关键技术内容

本项目以GIS技术为支撑,建立了适用于黄河多沙粗沙区的小流域分布式土壤流失评价预测机理模型及其支持系统。关键技术如下:

(1)利用地图数据源生成DEM,结合GIS的空间分析功能,达到侵蚀环境参数和水沙演进数据的自动提取,并实现数据双向自动存取。

(2)对于遥感影像的处理,在虚拟现实环境参照下完成分类模版定义,提高了遥感影像的分类精度,这对黄土高原丘陵区的高分辨率卫星影像的应用具有重要探索意义;在错分纠正过程中,利用虚拟现实环境取得了较二维图像更高的辨别率,可以更好地辨别“同物异谱、异物同谱”的现象。

(3)建立了具有明显特色的分布式小流域土壤流失评价预测数学模型。该模型将流域分为梁峁坡、沟坡和沟槽三部分作为侵蚀产沙计算单元,由能量平衡原理分别建立其侵蚀产沙的计算公式,同时初步实现了产汇流模型与产输沙模型的耦合。

(4)实现了评价预测模型和GIS的紧密耦合。所建小流域分布式产流数值模型紧密结合地理信息系统进行参数的网格化,从而使之从输入、计算、输出、显示过程都和GIS紧密耦合在一起,这既是本模型的关键技术也是重要特色。

(5)基于ArcGIS平台开发了黄河多沙粗沙区小流域分布式土壤流失数学模型的支持系统。支持系统以模拟工程的形式进行数据组织,同时采用ESRI新型空间数据模型Personal Geodatabase进行数据存储与管理,矢量数据以要素类Feature Class的形式存储,栅格数据以Raster Dataset的形式存储,不仅形式统一,数据组织简洁高效,便于数据的灵活、高效管理,而且更便于进行空间分析与分布式土壤流失数学模型分析。

3、技术创新点

本项目以黄河多沙粗沙区具有完整坡面侵蚀产沙和沟道输水输沙系统的典型小流域为研究对象,以GIS和RS为技术支持,针对黄河多沙粗沙区土壤流失评价预测问题开展模型理论与应用技术方面的研究。在技术手段上,建立了评价预测机理模型,实现了两个紧密耦合,即GIS与基于DEM分布式土壤流失模型的紧密耦合、产汇流模型与产输沙模型的紧密耦合,构建了一个支持系统,达到了参数的自动提取和数据的双向交换;在理论上,利用野外和室内人工降雨试验的方法,研究了坡面—沟道系统侵蚀产沙耦合关系,揭示了草被对侵蚀产沙过程的影响机理及其作用;建立了单元产输沙过程的控制方程;提出了当量曼宁系数的概念。项目取得的主要创新点如下:

(1)揭示了坡沟系统侵蚀产沙耦合关系,分析了草被对流域坡面—沟道系统侵蚀产沙的影响机理,构建了适用于黄河多沙粗沙区小流域分布式土壤流失评价预测模型,实现了产汇流与产沙输沙的紧密耦合,反映了流域侵蚀产沙的水动力学过程。

(2)提出了当量糙率系数的概念,解决了定量表述了水土保持工程对产汇流影响的问题,使模型具备了预测评价不同水土保持治理方案效益的功能。

(3)开发了基于COMGIS的分布式土壤流失评价模拟系统,实现了评价预测模型与GIS的紧密耦合,达到了两者之间时空概念表达的兼容。

(4)利用GLUE方法分析了模型的不确定性,确定了模型的敏感参数,提出了模型参数的灵敏度分布空间及模拟结果的置信水平,提高了模型预测结果的科学性。

(5)提出了在虚拟现实环境参照下完成分类模版定义的方法,有效地解决了“同物异谱、异物同谱”现象的辨识问题;在参数提取过程中做到了评价预测模型与GIS信息数据双向交换与修改。

4、成果应用情况及社会经济效益

本项研究是紧密结合黄土高原水土流失治理实践需求开展的,成果在小流域水土保持综合治理规划、水土保持措施效益评估、小流域水土保持管理中具有很大的应用前景。另外,该研究选取黄土高原多沙粗沙区岔巴沟小流域作为研究对象,其地貌局地差异大,侵蚀环境极为复杂,产沙地层多样,降雨产沙过程非线性特征非常突出,模拟难度大,研究成果可以为建立侵蚀产沙背景十分复杂的数学模型提供一个研究应用实例。具体应用情况如下:

(1)该项研究成果为黄河水利委员会相继开展的黄土高原水土流失数学模型(第一期)研究项目的立项打下了重要的基础,提供了技术支撑,已在黄河水利委员会批复的《黄土高原水土流失数学模型(第一期)研究初步设计》中得到了应用。

(2)黄河上中游管理局在开展黄土高原小流域综合治理规划中应用本项目成果进行了效益分析计算。

(3)“十一五”国家科技支撑计划项目“黄河健康修复关键技术研究”应用了本项目提出的数学模型框架体系。

(4)青海省在湟水流域水土保持第三期项目区建设的可行性论证工作中,利用本项目成果在较短时间内获得了该流域土壤侵蚀量及其分布情况。

??? (5)在延安、西安等相关单位的水土保持规划、设计中得到应用。

5、与国内外同类先进技术综合比较

关于分布式土壤流失模型的研究,在国内外均取得了不少成果,有很大进展,但国外模型基本上只适用于缓坡地的侵蚀环境,不适用于黄土高原陡坡地的情况,而陡坡、坡沟侵蚀产沙关系复杂正是黄土高原土壤侵蚀的特点。我国对分布式机理模型的研究较晚,尤其是对黄河多沙粗沙区分布式土壤流失机理模型的研究仍非常不够,还没有建立起可应用于该地区流域治理与管理等生产实践的分布式土壤流失评价预测数学模型。本项目以土壤侵蚀动力学、流体力学和泥沙运动力学为基础,以GIS技术为支撑,建立了适用于黄河多沙粗沙区的小流域分布式土壤流失评价预测机理模型及其支持系统。所建模型物理过程明确,模型构架合理,模拟功能较强。在模型与GIS耦合技术方面,实现了基于DEM的分布式产流产沙模型与GIS的紧密耦合,达到了分布式土壤流失评价预测模型时空概念的表达与GIS中的时空概念表达的兼容。在参数自动提取过程中做到了模型与GIS的参数双向交换和修改,这些均是较国内外同类先进的技术。