基于数字图像处理的平原城镇河网分形特征研究

城镇河网分形特征反映了城镇水系分布密集度、城镇河网水面率与水系连通程度,对预测城镇水文趋势、旱涝抵御能力、水系及地貌演变等具有指导意义。本文以苏州吴江桃源镇河网为研究对象,基于数字图像处理技术,采用盒计数法和Sandbox法对桃源镇河网的分形特征进行定量分析。结果表明:盒计数法和Sandbox法均较好地揭示了该地区河网分形特性,分维值分别为1.4085和1.7442。盒计数法12个标度下的栅格边长和非空盒数关系曲线呈外凸状,揭示了该地区分形规律随标度减小而减弱的特征;以5个随机点和形心为控制点,采用Sandbox法对河网骨架分形进行计算,揭示了不同点控制区域分形维数的差异性。Sandbox法分维较盒计数法精确,原因为盒计数法受到最小标度、分形体不规则性和边界效应的影响,因此可采用盒计数法的定性判别与Sandbox法的定量计算对城镇河网分维综合评价。桃源镇河网分形特征说明了该区域地貌平缓且土地被河网分割严重,其河网分维受制于河道离散、土地破碎与城镇化发展的矛盾。     

基于分形的小流域水系演化试验研究

为揭示小流域水系演化特征,以高精度DEM为试验数据,在提取不同时期水系的基础上,应用网格法和基于Horton定律的方法对其分维值进行了计算分析。结果表明,模拟小流域河网分维值在早期快速增长,流域发育活跃,后期分维值均有一定程度的减小,流域发育活动趋于稳定;通过与面积高程积分值及地貌信息熵值进行验证比对,根据Horton定律计算的水系分维值对流域发育阶段的量化更加准确、可靠。     

海滦河流域水系分形

流域地貌系统的水系是一种自然分形。本文通过改变粗视化程度求维数的盒计数法求取了海滦河流域水系的盒维数（容量维数），并在此基础上讨论了水系分维的合并原理及水系分维的意义，最后初步建立了水系分维与流域径流模数的关系。     

地貌形态特征分形信息维数与像元尺度关系研究

本文论述了用分形信息维数(兀D)表征流域地貌形态特征的原理和方法；建立了基于GIS平台流域地貌特征分形信息维数的计算模型；并利用Avenue语言开发了基于Arcview环境下流域地貌特征分形信息维数计算软件。以长江弹子溪小流域为例进行地貌分形信息维数的计算，依据计算数据就地貌形态特征分形信息维数与像元尺度关系进行了分析。结果表明：流域地貌分形信息维数可以较好地作为流域复杂地形地貌形态特征综合性、整体性和科学性的量化指标；像元尺度对地貌分形信息维数的无标度区间确定十分关键；跨流域地貌形态特征分形信息维数计算与评估应以统一像元尺度为前提。     

基于DEM的沟谷分形分维研究

线性地物常用的分维计算方法有量规法和网格法.为适应水文分析的需要,提出了一种类似量规法的新方法来计算河网的分维,即基于水文分析基本原理和DEN数据,首先通过取不同的汇流阑值(标度)得到不同的沟谷长度,然后分析不同汇流阈值与相应沟谷长度的关系来计算河网的分雏.在地理信息系统软件ArcGIS9.2环境下,以四川省汶川县为例进行了分析,结果表明:沟谷标度(汇流值)与长度对数关系显著,即沟谷空间分形结构特征客观存在,汶川县沟谷分维值为1.489.沟谷水系分形机制,沟谷分维与空间尺度、河网密度、制图综合的关系,各种分维计算方法、不同标度设定方法的异同和内在联系等,均需要继续深入研究.     

数字流域河网编码方法应用实例

数字流域模型的河网编码方法使河网中河段的直接定位和拓扑关系运算更为方便.将此方法应用于黄土高原多沙粗沙区的河网,按河网自然的拓扑形态和流域的天然分界将该地区河网划分为4级37区.数字流域河网编码方法在多沙粗沙区的水沙模型计算和并行计算调度中的应用表明,该方法能够使产流产沙和演进的模拟过程更符合自然河流的发育规律,并易于高效并行调度算法的实现.     

基于GIS的乌江流域新安江模型参数率定

为了使新安江模型的运用更能真实反映流域的基本特征及产汇流机理,利用地理信息系统空间分析的功能,由数字高程模型导出乌江武隆以上流域的流域排水网,并在此基础上提取汇流长度及坡度等地形特征值。在地理信息系统平台上,计算出流域下垫面的植被、土壤、地貌等特征值,并将其与流域模型参数建立相关关系。结果表明,各流域模拟的确定性系数及模拟精度均较高。因此,预报结果更加合理,理论依据也更加可靠。     

长江流域水系分形结构特征及发育阶段划分

基于分形理论对长江流域不同地貌类型区分别进行了水系分维数的计算,论证长江流域不同类型地貌区域水系存在显著的分形特征,同时通过水系分维数,定量地判断了长江流域不同地貌单元的地貌发育阶段。研究结果表明:①长江流域水系分维数的变化呈现出自西向东逐渐增大的三阶梯分布趋势。②河网密度作为判别水系疏密程度的指标,在整个研究区与水系分维数之间呈现出一定的正相关关系。③除南阳盆地岗地平原外,长江流域其余地貌区仍然处于地貌侵蚀发育的幼年阶段,但不同地貌区之间的发育程度仍然存在较大差异。④在长江中下游低山丘陵平原区,受城市化进程中人类活动的影响,水系复杂程度及流域侵蚀发育程度皆表现出较大的差异性。     

基于分形理论和流域水系分布特征对泥石流特性的研究

摘要:为了客观准确的描述泥石流流域水系的特征，从而进一步判定该泥石流的各种特性，基于mapgis技术与分形理论，通过计算机编程自行搭建计算平台，揭示水系的盒维数值与泥石流各种特征之间的规律，从流域水系的形态及分布特征的角度揭示出流域水系分维数与泥石流危险度之间的深层关系。通过对结果的分析，了解到随着危险等级和特征参数的增加，水系分维数也呈增长趋势，且找到了分维数的界限值，从而可以界定一条泥石流沟的类型、发育时期和危险程度。这种研究方法应用在了乌东德水电站库区泥石流调查当中，取得了良好的效果。说明了该方法的科学性和结论的合理性。     

太湖流域水系分形特征的空间分异研究

利用分形特征定量描述水系空间特征的研究方兴未艾,以1：5万河流数据为基础,用计盒维数和Horton定理2种水系分维数估算方法估算,并比较了太湖流域不同子流域的水系分维特征.结果表明,太湖流域水系的分维具有河长分维北小南大、河网分维西小东大的特点.     

黄土丘陵沟壑区典型流域产沙的降雨阈值变化

2000年以来,随着黄土高原林草植被大幅改善和大规模梯田建成,加之坝库拦截,黄土高原入黄沙量锐减,从而使黄土高原现状产沙情势的认知成为近年关注的热点。目前,增大林草和梯田覆盖状况可减少或遏制侵蚀产沙的观点已被广泛认可,但其在流域层面上的减沙机制仍有待深入认识。本文以黄土丘陵沟壑区30条面积较小的流域作为样本,以场次降雨为分析对象,以场次降雨的面雨量、最大1 h降雨量和降雨侵蚀力为降雨指标,以场次降雨的产沙强度≥500 t/km2为流域产沙的判断标准,探讨了林草梯田覆盖程度变化与可致流域产沙的降雨阈值之间的响应关系。研究表明,无论地貌类型如何,随着流域林草梯田覆盖程度的增大,流域产沙的降雨阈值均明显增加,其中黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值与林草梯田有效覆盖率之间呈正向的指数函数关系。在相同下垫面下,黄土丘陵第1—3副区的降雨阈值差别很小;或因植被主要分布在梁茆,或因河道产沙占比较大,因此,砒砂岩区、黄土残塬区和黄土丘陵第5副区更易产沙,其降雨阈值明显小于第1—3副区。本成果不仅为诠释林草梯田减沙的机制提供了科学支撑,而且也可为黄河水沙情势的评价和入黄沙量预报提供重要参考。     

香溪河流域降雨产沙分形关系及前期有效降雨计算

为探讨流域前期有效降雨量计算的新方法,依托香溪河流域兴山水文站1974—1989年264场次降雨产流产沙资料,研究了流域次降雨产沙频度与降雨量的关系,采用分形理论与方法,并基于产沙累积频度-降雨量分形关系,推导出流域前期有效降雨量计算方法,且试算了流域前期有效降雨。结果表明:香溪河流域次降雨引起产沙累积频度与降雨量之间遵循分形的幂指数关系,在2个降雨量范围内具有不同的标度指数;按照幂指数关系拟合的产沙累积频度与降雨关系线交点处的降雨量,发现引发78%左右的产沙累积降雨阈值上边界;在香溪河流域,降雨发生前0,1,3,5,7 d的5个时间段累积降雨量阈值分别为26.6,29.2,35.3,43.2,47.8 mm;基于累积产沙频度-降雨量分形关系计算流域前期有效降雨的方法能更加反映真实情况。     

Digital Yellow River Model

Soil erosion is one of the key concerns in land use management for the Loess Plateau of the Yellow River, where serious soil loss is the root cause of environmental and ecological degradation of the basin. In this paper, a physically-based, distributed-parameter, and continuous erosion prediction model at the river basin scale was developed with the aim of assisting in developing better land use management strategies. The framework, the major supporting techniques, and the typical erosion processes are described. The physical processes of sediment yield and transport in the Loess Plateau are divided into three sub-processes, including the runoff and sediment yield on hillslopes, gravitational erosion in gullies, and hyperconcentrated flow routing in channels. For each sub-process, a physically-based simulation model was developed and embedded into the whole model system. The model system was applied to simulate the runoff and sediment yield in several typical years in the coarse sediment source area of the Loess Plateau, and the simulated results were in reasonably good agreement with the measured values.     

黄土高原沟道坝系模型设计方法

在回顾前人研究成果及分析土壤侵蚀模型试验特点的基础上，提出了黄土高原小流域沟道坝系模型设计的方法。认为在水力侵蚀最活跃的黄土高原地区，降雨强度是影响产流产沙的关键因子，从而需要抓住降雨与侵蚀产沙这对主要矛盾，根据降雨侵蚀空间或时问的集积效果来实现模型流域与原型流域产沙特征的相似。为保证沟道坝系地貌演变相似，除降雨历时遵循重力相似条件外，模型降雨产沙关系还应通过借助天然资料率定产沙量比尺的途径与原型相对应。     

黄土高塬沟壑区水土保持对小流域地表径流的影响

水土保持对径流的作用是水土流失治理中一个亟待回答的实际问题．本文用小流域平行对比观测法，分析了黄土高塬沟壑区水土保持对小流域地表径流的数量及其时间分布特征的影响，表明在黄土高塬沟壑区，水土保持能使小流域产洪次数减少、地表径流模数和径流系数减小；使小流域地表径流模数的年际变率增大；在洪水产流过程中，水土保持使流域产流起始时间滞后，径流持续时间缩短，瞬时流量及洪峰流量降低以至消失     

基于分形理论的汉江中下游流域径流特性分析

为了从整体上全面、科学地描述汉江中下游流域径流特性,根据中下游主要干、支流水文站的年、月径流数据,通过 ArcGIS 工作平台计算分析了各站年、 月径流分维数,并基于分形理论研究了径流过程线的形态特征。结果表明：月径流过程线可看作是一种分形,其变化的复杂程度可用分维数表征,径流调节能力较强的大流域分维数小于小流域。由于水库调蓄作用,丹江口水库建成后分维数小于建库前。相距较近的流域所处 气候、下垫面条件相同,其分维一致性较好。     

基于分形和R/S分析的渭河干流径流变化特征研究

变化环境下日益突出的水资源供需矛盾对流域水资源管理提出更高要求。通过分析流域径流量变化特征,揭示流域水资源演变趋势,为流域水资源合理开发利用提供依据。以渭河流域为研究区域,采用Mann-Kendall非参数检验、分形理论和R/S等方法分析渭河干流6个典型水文站1956—2015年径流时空变化特征、持续性及两者之间的关系。结果表明:渭河干流各站点的月径流量均呈减少趋势,从上游到下游,月径流量减少趋势的显著性越来越弱,呈显著性减少趋势的月份越来越少。渭河干流各站点的月径流深Hurst指数均大于0.5,即未来与历史变化情况呈正相关性,各站点未来月径流量将呈持续减少趋势。汛期分维数大于非汛期,上游月径流分维数小于下游,中游月径流分维数最大。分维数越大,径流过程变化越复杂,河流调节能力越差,表明渭河干流在汛期和中游径流量调节能力相对较差。Hurst指数与分形维数之间有着显著负相关性,即径流量越复杂,分维数越大,Hurst指数越小。研究结果可为流域水资源科学调度提供依据,有利于促进流域内水资源严格管理。     

Fractal characteristics of the middle reach of the Paraná River floodplain during extreme hydrological events

The hydrological events that occur on floodplains are largely defined by precipitation and runoff inputs interacting with their geomorphological characteristics. In the middle Paraná River (MPR), hydrological events have traditionally been studied using water level time series and topographic charts or satellite images of certain floodplain sectors, using the same scale throughout the study area. Different zones of the floodplain were integrated using fractal dimension (FD) to better understand hydrological processes. FD is a useful tool used to characterize the geomorphological complexity of river networks in watersheds. The box-counting method was applied in the MPR floodplain. The result showed that as water levels increase, FD decreases, thereby indicating the direct relation with the hydrological attributes of the floodplain (e.g., duration, magnitude, recurrence of the flood event, and connectivity). This relation constitutes the basis of a new approach of the analysis of hydrological events and their effect on the MPR floodplain. This research provides fundamental information obtained from two hydrological stages and different spatial scales which may complement the method designed to accurately understand the hydrogeomorphological processes that operate on the Paraná River floodplain. It provides a simple parameter that can be used to evaluate the role that each floodplain section plays in attenuating the hydrograph recorded at each gauge analyzed along the river. This information will be useful in the implementation of management policies directed to the mitigation of future hydrological threats generated by alterations in the hydrological regime due to hydroclimatic variations or watershed alterations. The results further strengthen the basis for integrated sustainable planning of the main channel of the Paraná River, its floodplain, and the resources provided by this ecosystem.     

黄土丘陵区产流输沙量对地貌因子的响应

地貌因素与径流泥沙关系分析是建立流域生态水文模型的一项基础工作。本文选取受人类活动影响相对较小的1959～1969年间的黄土丘陵区水文泥沙资料，分析了黄河中游黄土丘陵区的20余条支流的年均径流量、流域年均输沙量及年均径流系数与集水区面积、河道平均坡降、流域高差和流域干流长等地貌参数的关系。结果表明，在研究区内，地貌参数与流域径流量和输沙量之间表现出类似的变化趋势，即年均输沙量和径流量与集水区面积或河道干流长呈较显著的正相关关系，与河道平均坡降呈幂函数减少关系，而与流域高差未表现出某种趋势性变化特征。年均径流系数与地貌参数之间亦没有表现出明显的趋势性变化关系。     

岔巴沟淤地坝小流域重力侵蚀产沙量分析

以黄土高原典型流域中重力侵蚀产沙量为研究对象,选择岔巴沟流域中6个淤地坝小流域作为研究流域,以坝库中1978—2001年共22年泥沙淤积量作为流域总泥沙侵蚀量,采用中国土壤侵蚀流失模型(CSLE)并考虑沟蚀因素计算水力侵蚀量,将水力与重力侵蚀产沙量区分开来。研究结果表明:6个小流域中重力侵蚀产沙分别占流域总侵蚀产沙量的0%、51.0%、54.1%、59.0%、65.0%和67.0%;小流域中重力侵蚀产沙量与32°的沟坡面积具有显著的线性正相关关系,沟坡坡度是重力侵蚀的控制性因素,降低沟坡坡度能够显著地减少流域产沙量。