亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        微地形空間離散化水文響應(yīng)單元確定方法

        2022-12-27 07:03:14張明浩王天宏徐儀瑋張青峰
        水土保持研究 2022年1期
        關(guān)鍵詞:模型

        張明浩, 張 鑫, 王天宏, 徐儀瑋, 張青峰

        (1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

        水蝕是土壤及其母質(zhì)在降雨、徑流等水力作用下進(jìn)行的非常復(fù)雜的多重尺度地理界面過程[1],對其高度定量化一直是地學(xué)科學(xué)家們的目標(biāo)。從目前的科技水平來看,分布式參數(shù)模型因具有較高的空間分辨率依然是水蝕研究的主要方法。

        微地形是指較小面積范圍內(nèi),地表相對高程變化不大(通常不超過5~25 cm)的一種起伏地表[2],它不僅是侵蝕發(fā)育的場所和直接表現(xiàn)形式,也是影響侵蝕發(fā)育和發(fā)展的重要因素[3]。以往侵蝕定量化研究多集中在流域、區(qū)域尺度水平[4-6],格網(wǎng)多為cm級以上精度,所采用的DEM數(shù)據(jù)多具有各向同性特征。當(dāng)研究尺度降至微地形尺度,DEM則表現(xiàn)出各向異性的空間異質(zhì)性特征[7]。這也就使得以往的一些研究成果無法在微地形尺度上加以推廣應(yīng)用,因而難以指導(dǎo)生產(chǎn)和加深人們對水蝕發(fā)育機(jī)理的深入認(rèn)識,有關(guān)微地形水蝕過程、特征和機(jī)理的研究仍顯得非常薄弱。

        開展微地形空間離散化(Spatial Discretization)研究,是將水蝕微地形分割成模型運行的基本地域單元[8],根據(jù)水分運動的數(shù)學(xué)方程、邊界條件以及初始條件建立相鄰格網(wǎng)單元間的時空關(guān)系,確定各水蝕發(fā)育時期(濺蝕—片蝕—細(xì)溝侵蝕)的最佳水文響應(yīng)單元(HRU,Hydrologial Response Units),即運算時對研究區(qū)劃分的最小水文單元,這也是實現(xiàn)水蝕分布式參數(shù)模型模擬的充要條件[9]。

        元胞自動機(jī)(CA,CellularAutomata)是一種基于微觀個體的相互作用,時間、空間、狀態(tài)都離散的格網(wǎng)動力學(xué)模型[10],可用來較好地模擬空間復(fù)雜系統(tǒng)的時空動態(tài)演變過程[11-12]。因其構(gòu)建沒有固定的數(shù)學(xué)公式,可根據(jù)不同研究需要構(gòu)建不同類別的模型。

        基于此,本文基于CA模型的微地形水沙匯集和傳遞關(guān)系分析產(chǎn)沙量,并與實測值進(jìn)行比較,以確定最佳離散格網(wǎng)單元,以提出微地形空間離散化方法。

        1 試驗設(shè)計

        降雨試驗在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室進(jìn)行。供試土壤為陜西省楊凌區(qū)坡耕地表層土(0—20 cm)。楊凌區(qū)(107°59′—108°08′E,34°14′—34°20′N)位于陜西關(guān)中平原中部、黃土高原南部,總面積135 km2,屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,降水分布不均,多集中在夏秋兩季,年均氣溫12.9℃,年均降水量和蒸發(fā)量分別為635 mm和1400 mm。

        所采集的土樣經(jīng)風(fēng)干后過5 mm篩,分5層填裝在2 m×1 m×0.5 m的侵蝕槽中。每層10 cm,且土壤容重保持在1.30 g/cm3,含水率為10%,每層裝土后耙磨整平表面,以保證土壤結(jié)構(gòu)的均勻性和連續(xù)性。之后,由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民布設(shè)黃土區(qū)常見的人工掏挖(AD-Artificial Digging,從坡底逐漸向坡頂鋤挖,形成空間上不稱且凹凸相間的洼地)微地形表面(圖1)。試驗選擇5個典型坡度(5°,10°,15°,20°和25°),在90 mm/h雨強(qiáng)下進(jìn)行分段(濺蝕階段、片蝕階段、細(xì)溝侵蝕階段)降雨試驗。試驗中,降雨系統(tǒng)采用下噴式噴頭,噴頭距離地面18 m高,確保雨滴下落時到達(dá)地面前已達(dá)到終點速度,降水采用自來水。試驗設(shè)置3組重復(fù)對照,每組試驗降雨歷時50 min。同時,在產(chǎn)生徑流后每30 s收集徑流,稱重、靜置、分離上清液,將泥沙樣品置于105℃的烘箱內(nèi)烘干后再次稱重,得到產(chǎn)沙量數(shù)據(jù),取3次試驗的平均值。

        利用三維激光掃描儀對分段降雨前后的微地形坡面進(jìn)行掃描以得到地表點云數(shù)據(jù),在ArcGIS中進(jìn)行插值生成微地形數(shù)字高程模型(M-DEM),其中M-DEM的原始分辨率為4 mm,具體方法參照文獻(xiàn)[13]。

        2 研究方法

        2.1 CA模型

        CA模型最基本的組成單元為元胞、元胞空間、鄰居以及規(guī)則[14],通過NetLogo平臺編寫程序代碼得以實現(xiàn)[15]。基于本研究,CA模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式可確定為:

        CA={d,q,s,n′,j,Δt,D8}

        (1)

        式中:d為元胞邊長(mm);q為水流的交換量(ml);s為水流攜帶泥沙的交換量(g);n′為坡面糙度系數(shù);j為平均坡度(°);Δt為時間步長(s);D8為坡面匯流規(guī)則。

        在實際的降雨—徑流過程中,水流由高處向低處運動。在CA模型中,水流方向指水流離開單位元胞時的指向,通過中心元胞與鄰域元胞的最大距離權(quán)落差而確定[16]。本研究中,坡面匯流模型采用8方向的摩爾(Moore)型構(gòu)建規(guī)則,即D8算法(中心元胞的8個鄰域柵格編碼)來模擬元胞間水流的流向。此外,在模型運行過程中,如果鄰域元胞中存在兩個及以上相同最低高程的元胞時,則流向隨機(jī)選擇。

        水流交換量q可以借助水力學(xué)原理,采用曼寧公式得出[17],即:

        (2)

        式中:h為兩個元胞之間的水深差(mm);n為曼寧糙度系數(shù)。

        在坡面水蝕過程中,當(dāng)徑流作用于土壤的力大于土壤阻力時,土粒會隨著水流一起運動[18],稱之為泥沙的輸移過程。水流攜帶泥沙的量s由泥沙運動的經(jīng)驗公式求得:

        s=kquα

        (3)

        式中:u為水流的流速(mm/s);k和α為水流的攜沙系數(shù),參考有關(guān)水力學(xué)的研究,結(jié)果取值分別為0.05,0.5[19]。

        基于CA的微地形水沙匯集和傳遞關(guān)系嚴(yán)重影響著坡面的徑流量和產(chǎn)沙量。本研究中,任意一個Δt內(nèi),元胞空間中各元胞自身的產(chǎn)沙量由本元胞空間降雨產(chǎn)生的流量與來自鄰域元胞的流量的共同攜沙量組成。CA模型假設(shè)水蝕模擬過程中水流從上游元胞流向下游元胞的同時對泥沙進(jìn)行運輸,且這一過程中無泥沙沉積,即上游元胞的泥沙均被運輸?shù)较掠卧校瑒t單位時間內(nèi)微地形坡面出口斷面累積產(chǎn)沙量就等于該單位時間內(nèi)元胞徑流量逐級隨流向匯集到出口斷面的累積攜沙量。

        在坡面水蝕過程中,影響產(chǎn)沙量的因素眾多,其中較為重要的是坡面糙度。坡面糙度可通過區(qū)域內(nèi)地表的表面積與其投影面積之比來計算,它也是反映地表形態(tài)的一個宏觀指標(biāo)[20-21]。研究表明,坡耕地的糙度在一定范圍內(nèi),坡面糙度系數(shù)同曼寧糙度系數(shù)變化一致[22]。因此,本研究中曼寧糙度系數(shù)n通過計算微地形的坡面糙度獲得,即:

        (4)

        式中:S曲面為柵格表面積;S投影為柵格的水平投影面積;γ為柵格單元的坡度。

        利用ArcGIS對掃描獲得的地表點云數(shù)據(jù)進(jìn)行M-DEM、坡度、糙度系數(shù)等預(yù)處理(圖1),將處理后的一系列柵格文件編寫到CA運行代碼中,同時將元胞設(shè)置為1~10 mm(間隔為1 mm)十種大小進(jìn)行CA模型模擬,并記錄單位時間內(nèi)的產(chǎn)沙量。

        圖1 試驗區(qū)圖

        2.2 模擬結(jié)果驗證

        納什效率系數(shù)(NSE)是用來評價模型質(zhì)量的參數(shù),常被用來驗證水文模型模擬結(jié)果的好壞,用Ef表示。

        (5)

        均方根誤差(RMSE)用來表示模擬值與試驗值間的偏差,用Re表示。

        (6)

        式中:Re為均方根誤差;X模型,i為CA模擬值;X實測,i為試驗記錄值;r為樣本個數(shù)。在一組模擬數(shù)據(jù)中,Re越小表明模擬精度越高,反之則越低。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 微地形坡面糙度的變化

        對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出,整個試驗過程中平均糙度系數(shù)整體上為1.178 9±0.06。當(dāng)坡度相同時,3個侵蝕發(fā)育階段的平均糙度系數(shù)并無較大差異;當(dāng)坡度不同時,隨著坡度的增加,平均糙度系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢,同時累計產(chǎn)沙量也呈現(xiàn)增大的趨勢(表1),說明粗糙地表會比光滑地表產(chǎn)生更多的泥沙,這種情況的發(fā)生往往歸因于粗糙坡面使得徑流發(fā)生集中,因而攜帶更多泥沙。

        表1 不同水蝕階段糙度系數(shù)與產(chǎn)沙量

        3.2 不同格網(wǎng)/元胞大小對水沙傳遞的影響

        運用CA模型對微地形不同坡度和侵蝕發(fā)育階段進(jìn)行模擬,得出150組模擬值與試驗值對比分析結(jié)果如下(試驗值與最佳模擬值產(chǎn)沙量如圖2所示):

        注:單位時間為30s。

        (1)不同坡度下各水蝕發(fā)育階段所發(fā)生的時長不同,坡度越大時長越短;在相同坡度條件下,t細(xì)溝侵蝕>t片蝕>t濺蝕。隨著水蝕現(xiàn)象的發(fā)生,累積產(chǎn)沙量與時間表現(xiàn)出公式為s=alnt±b(a,b為回歸系數(shù);s為產(chǎn)沙量(g);t為降雨歷時(s))的對數(shù)關(guān)系,且R2> 0.60,這與前人研究徑流量與時間的關(guān)系[24]一致;

        (2)從1~10 mm不同大小格網(wǎng)/元胞的模擬結(jié)果可以看出,并非格網(wǎng)/元胞越小模擬效果越好,過小時其模擬值與試驗值產(chǎn)生較大偏差,擬合性總是呈現(xiàn)先增后降的趨勢,模擬值與試驗值貼合性最優(yōu)時對應(yīng)的格網(wǎng)/元胞大小即為最佳水文響應(yīng)單元;

        (3)對于不同水蝕發(fā)育階段,初始階段單位時間內(nèi)水流攜沙量相對來說是較大的,因為在該階段,坡面土粒較為松散,土壤抗蝕能力弱,徑流易對其進(jìn)行搬運和堆積。隨著水蝕的進(jìn)行,到片蝕階段時由濺蝕轉(zhuǎn)化為薄層水流沖刷,一方面由于土壤表層顆粒減少,在一定程度上降低了土壤顆粒隨徑流流失的速度;另一方面濺蝕破壞了土壤表層結(jié)構(gòu),形成土壤結(jié)皮,阻礙了侵蝕強(qiáng)度的進(jìn)一步增加,使水流攜沙量減少。因此,片蝕階段的產(chǎn)沙量逐漸變小,最終在細(xì)溝侵蝕階段逐漸達(dá)到相對穩(wěn)定的水平。

        3.3 模型的驗證及最佳HRU的判定

        運用納什效率系數(shù)(Ef)和均方根誤差(Re)進(jìn)行雙重驗證(圖3),可以看出:Ef值均處于較高的水平,CA模型模擬的結(jié)果較好。當(dāng)Ef值達(dá)到峰值時,所對應(yīng)的格網(wǎng)/元胞大小即為最佳水文響應(yīng)單元,此時,所對應(yīng)的Re值也為最佳;不同坡度下最佳Ef值所對應(yīng)的格網(wǎng)/元胞大小和Re值見表2。

        圖3 不同格網(wǎng)/元胞大小對應(yīng)的Ef及Re

        表2 最佳HRU及其Ef,Re

        4 討論與結(jié)論

        4.1 討 論

        研究微地形水蝕狀況,對其進(jìn)行空間離散化是不可缺少的基礎(chǔ)性操作。在研究微地形水蝕時格網(wǎng)大小是否合理對模型模擬結(jié)果有著重要影響。M-DEM格網(wǎng)大小不同使得徑流坡度、坡面糙度等均發(fā)生變化,從而影響水流在流域河網(wǎng)中的攜沙量。研究表明:以M-DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立水文模型時,并非M-DEM格網(wǎng)單元越小越好,只有當(dāng)M-DEM中某一格網(wǎng)大小使得各個要素與流域內(nèi)實際降雨過程中各要素值出現(xiàn)最佳擬合,模型的模擬效果才相對最好。因此在利用水文模型模擬坡面匯流時,選擇最佳的水文響應(yīng)單元至關(guān)重要,否則會使得模型產(chǎn)生較大的誤差。

        但不可否認(rèn)的是,研究仍存在一些問題值得思考:(1)本研究內(nèi)容僅考慮了單一雨強(qiáng)和耕作措施,對不同耕作措施、雨強(qiáng)下水蝕狀況的模擬有待研究;(2)對于本模型中的一些假設(shè),如坡面匯流采用D8算法,是否存在其他坡面匯流方式仍有待進(jìn)一步探究;(3)CA模型的假設(shè)“水流從上游元胞流向下游元胞過程中無泥沙沉積”,在實際的降雨過程中是否存在泥沙在輸移時沉降的現(xiàn)象,及其是否對模擬結(jié)果能夠產(chǎn)生較大影響,等等。在以后可對此進(jìn)行更系統(tǒng)、更深入的研究;(4)空間參數(shù)化是指按照模型的具體要求,對空間離散化地域單元進(jìn)行說明和定值的方法。如何在離散化單元確定的基礎(chǔ)上開展參數(shù)化的研究,進(jìn)而構(gòu)建微地形水蝕分布式參數(shù)模型,是今后重要研究的內(nèi)容。

        4.2 結(jié) 論

        (1)CA模型可用來較好地進(jìn)行微地形水蝕發(fā)育過程的定量化模擬,其模擬結(jié)果和實際試驗并無較大差異。

        (2)論文確定了一種基于CA元胞單元的微地形尺度下的空間離散化方法。通過此模型確定的最佳水文響應(yīng)單元所對應(yīng)的M-DEM可作為后續(xù)研究中的基礎(chǔ)。

        (3)空間離散化格網(wǎng)單元尺度的選擇并非隨意選擇,必須要小到能夠反映其地理因素的空間變化,又要大到可以較為準(zhǔn)確地獲取各種輸入?yún)?shù)、運行模型的水平,因此需根據(jù)研究對象的具體情況來進(jìn)行詳細(xì)的判斷。通過基于微地形空間離散化的研究,初步判定在90 mm/h雨強(qiáng)下的最佳水文響應(yīng)單元為6 mm。

        猜你喜歡
        模型
        一半模型
        一種去中心化的域名服務(wù)本地化模型
        適用于BDS-3 PPP的隨機(jī)模型
        提煉模型 突破難點
        函數(shù)模型及應(yīng)用
        p150Glued在帕金森病模型中的表達(dá)及分布
        函數(shù)模型及應(yīng)用
        重要模型『一線三等角』
        重尾非線性自回歸模型自加權(quán)M-估計的漸近分布
        3D打印中的模型分割與打包
        日本强好片久久久久久aaa| 国产自拍精品视频免费| 亚洲av成人无码一二三在线观看| 国产精品国产三级国产专播下| 精品亚洲国产成人| 国产成人无码精品午夜福利a| 美女视频很黄很a免费国产| 日韩国产一区二区三区在线观看| 青青手机在线观看视频| 俺去啦最新地址| 五月婷婷俺也去开心| 久久aⅴ无码av免费一区| 欧美综合自拍亚洲综合百度| 日本va中文字幕亚洲久伊人 | 久久久久人妻一区二区三区| 波多野结衣一区二区三区高清| 久久网视频中文字幕综合| 东京热加勒比在线观看| 亚洲人妻精品一区二区三区| 欧美性生交大片免费看app麻豆 | 亚洲精品国产av成拍色拍 | 国产肉体ⅹxxx137大胆| 亚洲男人在线无码视频| 黄色国产精品福利刺激午夜片| 无码视频在线观看| 亚洲天堂在线播放| 国产目拍亚洲精品二区| 亚洲免费观看视频| 影音先锋男人av鲁色资源网| 无限看片在线版免费视频大全| 福利视频一二区| 免费av一区男人的天堂| 精品人妻av区乱码| 在线看亚洲十八禁网站| 国内精品熟女一区二区| 亚洲一区二区精品在线| 国产精品国三级国产av| 国产喷水在线观看| 日韩女同一区二区三区久久| 午夜熟女插插xx免费视频| 国产亚洲av片在线观看18女人|