基于元胞自动机的流域产流产沙模型研究

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1、摘要产流产沙模型是深刻理解和模拟流域产流产沙过程的关键所在，是定量研究流域内径流泥沙的有效手段，是流域综合治理规划的需要。流域产流产沙取决于流域的地形地貌、土壤、植被、气象、气候以及人类活动等多种因素。由于自然因素的时空变异性和不均一性以及人类活动的不确定性，因此产流产沙是一个复杂的非线性过程。元胞自动机(CellularAuto嘁CA)是研究复杂现象的一个典型方法，CA模型具有“自下而上”的研究思路、强大的复杂计算功能、固有的并行计算能力以及鲜明的时空耦合特征，因此它特别适合于地理空间系统的动态模拟研究，

2、为分布式流域产流产沙模型的研制提供一种新的研究方法，具有重要的理论与实践意义。回顾基于地理信息系统(GeograpllicalIIl：fomationSystem，GIS)的产流产沙模型以及CA在水文泥沙模型中的应用的基础上，对流域产流产沙影响因素进行深入的分析，结合产流产沙模型与CA模型基本理论，构建基于CA的流域产流产沙模型，并在GIS技术的支持下，实现模型与GIS的紧密集成，开发模型信息系统，并选择黄土高原岔巴沟流域为试验区，进行模型的模拟应用。本研究主要有以下内容：(1)产流产沙模型的构建，采用面向

3、对象的方法，定义模型，扩展传统CA的结构，包括元胞状态集、转换规则与时间步长等；(2)模型与GIS的集成，模型所需的数据通过GIS读取、存储、处理与输出，在觚Engine组件的支持下，实现模型与GIS的耦合；(3)模型在试验区的应用，选择试验区的地形、土地利用、植被覆盖度以及水文泥沙数据，对模型进行参数率定与验证分析，并人工设计模拟情景，分析土地利用与植被覆盖度变化对流域产流产沙的影响。通过模型在试验区的模拟应用，得到以下结论：(1)流域产流产沙具有明显的非线性特征，CA方法是一种可以有效地模拟流域产流产沙

4、复杂过程的非线性方法；(2)传统的分布式模型相当复杂，模型参数多，而该模型参数少，减轻了参数率定的繁琐工作量，模型结构简单，降低了模型设计的难度；(3)将CA原l’，：’理与产流产沙计算原理相结合，建立模型，开发模型信息系统，不但可以对次降雨的产流量与产沙量进行模拟，而且可以动态显示径流和泥沙的空间变化过程，通过模型的循环运算可以模拟出较满意结果。关键词：元胞自动机；地理信息系统；产流产沙模型；黄土高原IlAbstractModelrurl0仃andse(1证lent姐eldingis仕lekeypoill

5、tt0understarld钺lds训atetheprocessofU1eyieldiI培profoulldly，is趾efI宅ctiVewayt0researchmeyieldina咖shedquamitatiVely，aIldisalsotherequirememofwatershedmaIlagememandp1甜millg．TheyieldliesonmaIlyf-actorSofawatershed，suchastopo莎aphy，physiognoIny，soil，VegetatioIl，wea

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