【摘 要】
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空间离散化（Spatial Discretization）是将水蚀坡面地表分割成输入水文模型地域单元的方法,是实现分布式水文参数模型模拟的基础和必经之路。微地形条件下水蚀发育过程和机理的研究中,确定合适的格网大小,对于水文模型运行和模拟结果均有着重要影响,而目前鲜有关于微地形空间离散化的研究,限制了人们对于微地形条件下水蚀模型的构建及水蚀发育机理的深入认识。本论文在扫描点云构建微地形数字高程模型（
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（41371273）
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空间离散化（Spatial Discretization）是将水蚀坡面地表分割成输入水文模型地域单元的方法,是实现分布式水文参数模型模拟的基础和必经之路。微地形条件下水蚀发育过程和机理的研究中,确定合适的格网大小,对于水文模型运行和模拟结果均有着重要影响,而目前鲜有关于微地形空间离散化的研究,限制了人们对于微地形条件下水蚀模型的构建及水蚀发育机理的深入认识。本论文在扫描点云构建微地形数字高程模型（M-DEM）的基础上,以元胞自动机（CA,cellular automata）为水蚀模拟平台,对60mm/h、90mm/h两种降雨强度、5种坡度（5°、10°、15°、20°、25°）、人工掏挖（AD,artificial digging）和等高耕作（CT,contour tillage）两种坡面,以1～10mm边长大小格网数据为基础,对侵蚀发育过程进行了分段化水蚀模拟和研究,系统地考虑了溅蚀、片蚀和细沟侵蚀对坡面侵蚀产沙的贡献;研究不同格网大小对产沙量的影响,并以产沙量为衡量指标通过相对误差与纳什效率系数计算得出适合于模型模拟的最佳水文响应单元;对CA-汇流产沙模型所涉及的参数进行局部敏感性分析,量化参数率定值对模型模拟结果的影响程度。主要研究结论如下:（1）CA-汇流产沙模型能够较为准确地模拟微地形条件下的水蚀状况。通过CA-汇流产沙模型模拟出的单位时间（每30s）内的产沙量与人工降雨试验收集所得数据拟合度较高。CA-汇流产沙模型用于微地形坡面水文研究具有一定的可行性。（2）以前人研究结果作为判定依据,利用Morris局部敏感性分析方法对CA-汇流产沙模型所涉及的参数进行敏感性分析。元胞/格网边长为中等敏感性参数,雨强和平均坡度为高敏感性参数。（3）以CA-汇流产沙模型为平台,对各种耕作措施、雨强、坡度和侵蚀阶段坡面进行产沙模拟,用单位时间（每30s）产沙量与降雨试验数值进行相对误差和纳什效率系数计算,确定了不同条件下最佳模拟结果所对应的格网/元胞边长。水文响应单元（HRU,hydrologic response unit）多为4mm、5mm、6mm、7mm的正方形格网单元,所对应的纳什效率系数Ef均大于0.7,相对误差δ均小于20%,这说明CA-汇流产沙模型的模拟结果真实可靠。通过综合计算,得出普遍适用于微地形条件下水蚀研究的基本格网/元胞单元边长为6mm（Ef=0.9204,δ=13.71%）,即最佳HRU为边长6mm的正方形格网单元。（4）在不同耕作措施、坡度和降雨强度下,产沙量随着水蚀发育逐渐达到稳定状态。累积产沙量、累积产流量、累积侵蚀量随降雨历时均呈现出线性增长趋势,并具有较高的相关性（相关系数R~2多为0.90以上）。基于以上研究,论文所构建CA-汇流产沙模型能够用于微地形坡面汇流产沙模拟,同时论文也确定了一种基于M-DEM和网格法的微地形空间离散化的方法,成功实现了微地形空间离散化,边长为6mm的四边形格网单元可作为最佳HRU用于微地形水蚀模型和机理研究。
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