黄土董志塬地区多源多尺度多时相土壤侵蚀研究

来源 :成都理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wangji239
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
土壤侵蚀是对中国黄土地区的粮食安全,生态系统,基础设施建设的主要威胁,然而,由于缺乏对土壤侵蚀机理,发展速率和在不同尺度下的变化规律的准确理解,目前在黄土地区对土壤侵蚀的理解还不够深入,这阻碍了努力解决水土流失问题过程的有效性。在本文,以中国最大黄土台塬:董志塬为例,基于土壤侵蚀模型CSLE、多期卫星遥感数据、多期无人机低空摄影测量技术和多期地基三维激光扫描技术,构建了多源多尺度多时相的土壤侵蚀研究体系,这为解决土壤侵蚀与人类发展的“人地协调”问题提供了理论依据。结果表明:(1)宏观区域尺度上,基于谷歌图像提取的5,420处浅层黄土滑坡的面积推算出的滑坡体积(V=0.363·A1.145)结果与中国土壤侵蚀方程(CSLE)模型获取的土壤侵蚀模数的耦合,发现:研究区土壤侵蚀模数为50.54±115.73 t?ha-1?year-1,研究区北部流域的土壤侵蚀和滑坡活动都比南部强烈,北部一个流域的土壤侵蚀模数甚至比南部大23t?ha-1?year-1,北部流域的滑坡体积接近南部流域的4倍,且大量连成了带状滑坡群。土壤侵蚀-滑坡量化关系揭示了它们存在相关性(其中滑坡面积和土壤侵蚀面积相关性最好,R2=0.68),从而为滑坡风险管理提供重要信息。因此,建议:重点恢复滑坡密集区的植被覆盖,这是降低台塬周边边坡土壤侵蚀速率的第一步,这在“固沟保塬”工程中应该得到高度重视。(2)中观流域尺度上,基于多期历史卫星遥感影像结合无人机获取的数字高程模型(DEM)统计了沟谷变化的几何参数:长,宽,深,体积,从而得到线性变化速率,体积变化速率,结果表明:当沟谷附近的土地利用类型为道路时,沟谷后退的体积变化速率是农田的3倍,沟谷填埋的体积变化速率是农田的4倍。此外,在道路的影响下,包含了沟谷侵蚀和填埋的体积变化速率(CV)和线性变化速率(Cl)之间满足幂指数关系(CV=13.29 Cl 2.14,R2=0.71)。这一结果与世界上其它沟谷侵蚀地区相比,中国黄土地区更容易形成深切沟,这主要与黄土厚度有关。黄土较厚地区道路附近的沟头被异常迅速地切割,以前没有得到足够的重视。因此,应该重新评估黄土地区道路建设对沟壑侵蚀的影响。(3)细观自然沟头尺度上,基于厘米级精度和分辨率的多期无人机低空摄影测量技术,获取了黄土地区自然沟头(以东风村沟头为例)的数字表面模型(DSM)差分结果。根据细沟的分布的地形特点,把沟头分为了三类斜坡:坡肩,无植被坡面和有植被坡面,并对各自位置的细沟形态进行了分别统计。结果发现:基于DSM获取的每个坡度栅格值统计出最易于侵蚀的坡度分别是3-8°,37-52°,和66-83°。在坡肩位置,由于径流速度突然加快,水力侵蚀动能增大,水流剥离土壤的能力增强,因此,细沟分布最广泛。由于在“退耕还林”工程的指导下进行了植树造林,造林活动使斜坡上出现了许多凹凸不平的坑,这将斜坡上收集的水流转化为集中径流。因此,在斜坡上的灌木群落周围出现了许多细沟。这是由于过分强调灌木丛种植而忽视了草本植物的配套和没有采取配套的“鱼鳞”坑等措施来防止水土流失的结果。这项研究证明了无人机低空摄影测量技术在研究黄土地区沟头位置的细沟侵蚀是可行的,解决了传统方法中难以准确测量的土壤侵蚀造成的厘米级景观变化。还基于该技术评价了刚兴建的填沟的大型护坡工程“火巷沟填埋护坡工程”的土壤侵蚀,强调了各级排水沟极易淤满溢流的缺点,对此提出了优化设计方案,这对于解决黄土高原实际工程中的土壤侵蚀问题具有极大参考价值。(4)在坡面尺度上,基于两个在野外人工开挖形成的不同坡度的坡面(12°,18°),长8 m,宽2 m的两个不同坡度坡面,遭受了多期次的恒定为100 mm h-1的降雨模拟,实验期间的多期超细观地貌变化被监测。在实验中,细沟内的径流量增大会导致细沟沟床的起伏变大。还发现,细沟条数越多,径流越分散,就需要更大的坡度来启动侵蚀和填埋。此外,基于对坡面DSM的每个的栅格的斜坡梯度统计,发现在70-90°的坡度区间,斜坡的细沟侵蚀速率和填埋速率都突然增加。由于土壤中的膨胀矿物(例如伊利石和蒙脱石)一旦遇水就膨胀,这导致降雨初期斜坡膨胀隆升,从而低估了斜坡的侵蚀量。了解超细观视角下的细沟侵蚀的详细演化过程,可以为黄土地区土壤侵蚀防控措施提供有价值的参考。(5)基于土壤侵蚀模型,多期卫星遥感影像,低空摄影测量技术和地基三维激光扫描技术,构建了土壤侵蚀立体监测体系,它们分别适用于区域尺度,流域尺度,沟头尺度,坡面尺度的土壤侵蚀评估。总的来说,各个监测方法适用时间尺度和空间尺度不同,随着侵蚀时间的推移,细沟会发展为沟谷,土壤侵蚀不同阶段对应相应的监测方法。监测土壤侵蚀速率在不同时空上的特点,最终目的是为了给实际土壤侵蚀防控提供依据,为董志塬及其整个黄土地区的土壤侵蚀防控提供理论基础。(6)不断增长的人口和人类生存空间的扩张使人类对土地的需求越来越大,人与土地的矛盾也日益明显。本文以董志塬为例,研究了人类活动与土壤侵蚀的人地协调问题。在本文中依托“固沟保塬”工程,保护土壤免受或减轻侵蚀是核心。总的来说,与土壤侵蚀有关的人地关系的矛盾问题有:(1)“退耕还林”工程缺乏配套的草本植物和“鱼鳞坑”加剧了局部侵蚀;(2)目前的护坡工程排水系统设计缺陷造成坡面细沟侵蚀加剧;(3)城市扩张和道路修建改变了原来平衡的排水模式,防治侵蚀核心策略是增加完善排水系统;(4)台塬内部沟谷的绝大多数滑坡都是直接堆积在沟底,对人们的生存安全没有直接的威胁,因此滑坡这一“慢变量”对黄土台塬的蚕食往往被忽视。通过土壤侵蚀监测体系,解决了“土壤侵蚀在哪儿”和“在哪儿发展最快”的问题,为防侵蚀措施提供了依据,并对出现的问题提出了建议。
其他文献
学位
学位
学位
学位
学位
X射线成像质量是为医学CT图像分析处理提供空间对应关系的基础。由于图像外观建模的复杂性和变形配准模型的计算复杂性,如何在低剂量的X射线能量照射下成像为高质量的CT图像是目前急需解决的难题。X射线热声成像技术作为近年来发展迅速的新兴成像技术,这种混合成像技术可以将CT图像的高对比度和声学的高分辨率相结合,使其成为医学影像中具有广泛前景的成像方法,而传统的成像技术(包括CT,B超和MRI)则存在对比度
学位
学位
学位
学位