中国水土保持科学
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2022年 20卷 6期
刊出日期 2022-12-30
1
郭小雪, 田鹏, 杜敏, 赵广举, 穆兴民, 高鹏, 卢小燕
黄土高塬沟壑区典型小流域不同雨型水沙关系特征
探究不同降雨类型下流域产流产沙特征及水沙关系,以黄土高塬沟壑区杨家沟小流域作为研究区,采用K-means聚类算法和判别分析法对流域1981—2010年的184场次降雨事件进行分类,用幂函数方法探究不同降雨类型的水沙关系特征。杨家沟小流域年径流量和输沙量都呈现显著减少趋势(
P
<0.01),相较1981—1989年,二者在1990—2010年的均值分别减少50.32%和55.64%。场次降雨事件可划分为3种类型:A雨型(小雨量、中历时、中降雨强度)、B雨型(大雨量、长历时、小降雨强度)和C雨型(中雨量、短历时、大降雨强度),其中A雨型是流域产流产沙的主要降雨类型。幂函数能较好地拟合不同雨型的径流深和输沙模数关系,A雨型的拟合效果优于B雨型。降雨量减少和植被覆盖率增加是杨家沟流域径流量及输沙量减少的主要原因,降雨量、降雨强度、降雨历时对流域产流产沙能力有重要影响。
2022 Vol. 20 (6): 1-7 [
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8
王清源, 张乐涛, 何梦真, 魏仪媛
黄土区坡面侵蚀性径流标准与水沙关系分析
径流侵蚀性是影响水沙行为的关键因素之一。有效辨识侵蚀性径流的水沙关系有利于深刻把握坡面水沙运行规律。选取3个径流指标,采用经验频率分析法,拟定黄土区坡面侵蚀性径流标准,分析不同尺度下侵蚀性与非侵蚀性事件的水沙关系。结果表明:1)坡面侵蚀性径流的一般参考标准为:径流历时>8min,最大流量>2.3dm
3
/s,次径流深>2.3mm,输沙模数>0.3kg/m
2
(相当于300t/km
2
);2)侵蚀性事件输沙模数主要受径流深控制,平均含沙量主要受最大流量影响,调节径流深的减沙效应较调节最大流量高8%;3)侵蚀性事件瞬时流量超过某一临界值(8~14dm
3
/s)时,瞬时含沙量呈现稳定状态(趋于490kg/m
3
);4)与非侵蚀性径流相比,侵蚀性径流的输沙能力增加2.9倍,产沙能力增加2.7倍。侵蚀性径流的输沙产沙能力更强,侵蚀性径流标准的拟定具有可行性,坡面径流调控应以实现侵蚀性径流向非侵蚀性径流的转化为导向。研究结果可为黄土区坡面典型径流事件的筛选提供借鉴。
2022 Vol. 20 (6): 8-16 [
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17
马芊红, 柯奇画, 张科利, 顾再柯
黔北山区坡面基岩出露特点及与坡面特征的关系
以基岩大面积出露地表为特征的石漠化,是西南喀斯特地区最严重的生态环境问题。为揭示坡面基岩出露特点,进而为石漠化相关研究提供依据,选择贵州遵义典型潜在石漠化坡面,系统调查坡面出露基岩的空间分布、走向、出露高度及其影响因素。结果表明:1)与坡面侵蚀程度和土壤厚度相对应,中坡部位基岩出露数量高于上坡和下坡部位;2)调查区基岩平均出露高度为(0.35±0.25)m,且在0~15°坡度范围内,基岩出露高度随坡度增大呈幂函数形式增大;3)基岩走向多与坡向斜交,垂直走向的基岩出露高度(0.43±0.23)m,显著大于斜交和平行走向,在坡面上发挥着重要的蓄水拦沙作用;4)农地上基岩出露高度(0.32±0.26)m,小于林草地(0.37±0.18)m,印证了岩溶地区"原生林草地-农地-石漠-次生林草地"土地演变模式。研究结果可为认识喀斯特地区石漠化坡面基本特征以及坡面土壤侵蚀研究提供数据支撑。
2022 Vol. 20 (6): 17-24 [
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25
李晓丽, 郭雒敏
降雨击溅下鄂尔多斯松散砒砂岩粒径分选特性及其敏感性分析
为揭示降雨初期鄂尔多斯砒砂岩区松散砒砂岩的溅蚀机理,在室内开展人工降雨击溅侵蚀试验,研究降雨强度、坡度对松散砒砂岩溅蚀的影响。结果表明:1)利用变动率指标反映各粒级区间颗粒数量的变动幅度,能够更清晰直观反映溅蚀土样中各粒级颗粒数量受坡度、降雨强度的影响程度;2)坡度、降雨强度是砒砂岩发生溅蚀的主要影响因子,坡度在<30°时,降雨强度是影响降雨溅蚀的最敏感因子,随着坡度的不断增大,坡度对砒砂岩溅蚀的敏感性增强;3)松散砒砂岩表土颗粒在20°坡面上最易发生降雨溅蚀;4)溅蚀对砒砂岩散土颗粒中的细砂分选作用最为显著,其次是中砂、极细砂、粉砂。松散砒砂岩发生溅蚀的严重程度是降雨强度、坡度、土壤颗粒大小等多因素共同耦合作用的结果。深入分析溅蚀对松散砒砂岩粒径的分选规律,可为后续深入研究砒砂岩区的水力侵蚀机理提供参考。
2022 Vol. 20 (6): 25-33 [
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34
邵子卿, 囤兴建, 张佳辰, 张子胥, 高鹏, 许景伟, 张义群
基于遥感的青岛市生态质量时空变化
海岸带城市资源丰富、经济社会活动剧烈。探讨其生态质量时空变化格局与分布规律,有利于促进海岸带城市的生态环境保护与治理。以青岛市2005、2009、2014和2019年遥感影像为基础数据,通过提取绿度(NDVI)、湿度(WET)、干度(NDBSI)和热度(LST)等指标,构建青岛市遥感生态指数(Remote sensing based ecological index,RSEI)模型,研究分析青岛市生态质量时空变化特征。结果表明:青岛市4年遥感生态指数
I
均值分别为0.433、0.468、0.470和0.578,生态质量总体呈上升趋势;生态质量空间上呈现郊区优于中心城区的特点,等级以良好和中等等级为主,生态环境改善和恶化的面积分别占总面积的64.43%和1.87%;RSEI模型与各分量指标的平均相关系数为0.803,均高于各分量指标间的平均相关系数。其中对青岛市生态质量影响最大的指标是湿度和绿度,其次是干度,最小的是热度。RSEI模型能较好地反映各分量指标信息,准确表征青岛市水土保持生态修复环境质量状况的变化。
2022 Vol. 20 (6): 34-40 [
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41
苏文瑞, 田佳, 杨泽康, 李万源, 郭睿妍, 刘文娟
基于GEE和LandTrendr的宁夏“三山”森林干扰监测
宁夏六盘山、罗山和贺兰山自然保护区(简称“三山”),是我国西北重要的生态安全屏障。研究宁夏“三山”的森林干扰程度和趋势是否存在明显差异,以及造成“三山”森林干扰的主要原因,对于宁夏守好“三山”自然保护区,维护西北乃至黄河流域生态安全具有重要的参考意义。基于GEE(Google Earth Engine)遥感云平台中的Landsat 5—8时间序列堆栈(1990—2020年),通过LandTrendr时间序列分割算法监测近30a来宁夏“三山”的森林干扰,借助Google影像对监测结果进行精度评价,统计分析森林干扰的时空分布特征。结果表明:1)LandTrendr算法的用户精度、生产者精度、总体精度均＞90%,Kappa系数达到0.87,LandTrendr算法与人工目视解译结果无显著差异(McNemar's test＞0.05);2)1991—2020年“三山”森林干扰总面积比:六盘山(1.77%)＞罗山(0.07%)＞贺兰山(0.05%);“三山”的年干扰面积比都有减少的趋势,且六盘山(52.60×10
-4
%)＞贺兰山(1.58×10
-4
%)＞罗山(0.40×10
-4
%);3)“三山”的森林干扰主要发生在六盘山的北部及东侧2块“飞地”、罗山北部的“大罗山”和贺兰山的中部;“三山”的森林干扰持续时间都在1~3a内,且主要集中在1a。宁夏“三山”中,六盘山的干扰程度要远高于罗山和贺兰山,但“三山”的森林干扰面积比每年都有减少的趋势,六盘山减少最为明显,其次为贺兰山和罗山。六盘山、罗山森林干扰主要是人为活动造成,而贺兰山是人为活动和自然条件共同作用的结果。
2022 Vol. 20 (6): 41-49 [
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50
王帅兵, 王克勤, 李叔东, 冷鹏
云南省2012—2016年水土保持动态监测结果分析
采用云南省水土保持监测站点2012—2016年监测汇编数据,根据全国水土保持三级区划定位划分水土保持类型区,对云南省2012—2016年水土保持动态监测结果进行分析。主要监测结果显示:不同水土保持类型区各地类产流率表现为荒地＞坡耕地＞草地＞梯坪地＞园地＞林地,土壤侵蚀模数表现为坡耕地＞荒地＞梯坪地＞园地＞草地＞林地;不同水土保持类型区小流域年均径流模数在0.12~12.05L/(s·km
2
)之间,输沙模数在6.20~1659.00t/(km
2
·a)之间,代表性水文站年均径流模数在0.20~10.90L/(s·km
2
)之间,输沙模数在1.28~686.00t/(km
2
·a)之间;坡耕地布设等高反坡阶后,可稳定减少氮流失62.78%~86.50%,减少磷流失50.41%~90.83%;迆者小流域2012—2016年氮和磷输出质量浓度分别为2.55~5.23mg/L和0.65~1.36mg/L,年氮和磷输出量分别为3.65~15.12t和0.95~2.44t;短历时大暴雨是导致泥石流发生的重要诱因,泥石流发生后短期内如再发生较强的降雨,很容易引发二次泥石流。本研究反映云南省水土流失的基本情况,结果可为今后水土保持监测站点的监测工作提供依据和借鉴,为水土流失防治提供理论依据和数据支撑。
2022 Vol. 20 (6): 50-58 [
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59
郑江坤, 张鸽, 曾倩婷, 朱琳
弃渣场边坡草本植物根系力学及土壤抗冲性特征
为筛选出川西屏障区弃渣场固土护坡效果较优的草本植物,以叠溪弃渣场裸地为对照,研究不同乡土草本植物(蒲公英、芦苇、藜)和人工种植草本植物(黑麦草、牛筋草)根系的单根最大抗拉力、抗拉强度、根-土复合体抗剪强度和抗冲性。结果表明:1)草本根系抗拉力随着根系直径的增加而增大,5种草本植物平均单根抗拉力表现为藜(12.42N)>蒲公英(11.52N)>芦苇(7.96N)>牛筋草(4.36N)>黑麦草(3.36N),抗拉强度与抗拉力呈现出相反的规律。2)在四级荷载下,根-土复合体抗剪强度大致表现为黑麦草最大,其次为牛筋草、藜、蒲公英、芦苇、裸地;土壤抗冲性指数表现为:黑麦草(3.09min/g)>藜(2.93min/g)>牛筋草(2.60min/g)>蒲公英(2.19min/g)>芦苇(1.52min/g)>裸地1.37(min/g)。综上,藜的单根抗拉力最大,黑麦草的抗冲、抗剪强度最大。藜和黑麦草固土性能较优,可在该区边坡植被恢复中推广使用。
2022 Vol. 20 (6): 59-66 [
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67
刘昆珏, 刘问, 刘明西, 樊旭
路基边坡黄麻植生袋的性能测试与稳定性分析
在工程建设过程中常产生水土流失现象,影响边坡的稳定性。水土保持护坡工程对于恢复和构建良好的生态环境有着重要的价值。植生袋因其制作简单、施工方便、植物生长效果好等优点,逐步用于路基边坡的生态防护。天然黄麻制成的植生袋具有突出的环保性与经济性。为探究黄麻植生带基本物理和力学性能及其在实际工程中的稳定性,本研究对植生袋的常用麻布材料进行密度、拉伸与撕裂强度的物理与力学性能测试,并结合路基边坡的条件分析黄麻植生袋在路基边坡上的稳定性。结果表明:黄麻布的基本性能满足国家标准对植生袋的性能要求。在强降雨的饱和条件下,黄麻植生袋稳定性不足,须采用加固措施;基于锚杆的抗拔稳定性,建立锚杆挂网加固的黄麻植生袋稳定性评估方法,结合实例说明锚杆挂网对于增强黄麻植生袋在路基边坡的稳定性非常有效。
2022 Vol. 20 (6): 67-73 [
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74
李文龙, 袁利, 魏文杰, 刘卓昊, 高睿瑜, 牛勇, 赵传普, 张荣华
2种空间数据结构对县域尺度土壤侵蚀评价的影响
县域尺度土壤侵蚀评价多以栅格结构为计算单元,导致单个矢量地块存在多个栅格、多种侵蚀强度,较难用于以矢量地块为对象的水土流失治理和规划。以河南省汝州市为对象,采用基于栅格数据的3种方法和矢量数据的2种方法,结合CSLE模型和遥感监测,分析土壤侵蚀差异性。结果表明:1)栅格统计法用时8min,可快速反映土壤侵蚀情况,但成图效果差,适用不需成图的县域尺度土壤侵蚀评价。2)软件判断法与栅格统计法侵蚀面积相差0.05km
2
,差异率0.01%,能准确反映土壤侵蚀情况,运算13min,成图效果好,适合县域尺度土壤侵蚀评价及制图。3)地块评价法运算16min,计算侵蚀面积相差64.63km
2
,差异率16.02%,且无法生成不同侵蚀强度面积,不适于县域尺度土壤侵蚀评价。4)基于矢量的2种方法侵蚀计算结果差异较大,原始矢量法和细化矢量法数据量分别为180和337MB,运算分别用时29和45min,成图效果好,适于地块内部相对均一的平原区土壤侵蚀评价。研究成果可为县域尺度水力侵蚀评价、水土流失动态监测成果应用提供参考。
2022 Vol. 20 (6): 74-82 [
摘要
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83
李海防, 俞洁蕾, 邵西宁, 周春玲
半湿润地区6种常用灌木对降雨截留的影响
在半湿润地区创新节水型城市绿地建设模式,实现绿地由耗水型向节水型转变,是学术界关注的热点问题。以青岛市城阳区为试验区域,通过人工模拟降雨和水量平衡等方法,对金叶女贞、冬青卫矛、小叶黄杨、红叶石楠、龙柏和侧柏6种常用灌木的冠层截留进行测定,探究冠层形态特征对降雨截留的影响。结果表明:龙柏和侧柏的单叶面积、叶宽、叶长宽比等叶形态特征与其他4种阔叶灌木不同,叶片面积指数(LAI)都显著大于其他4种阔叶灌木(
P
＜0.05);6种灌木均表现为穿透雨率＞冠层截留率＞茎流率,且随降雨强度增大,穿透雨率和茎流率明显增加,而截留率却相对减少;阔叶灌木的穿透雨率大于针叶灌木(
P
＜0.05),茎流率与之相同(
P
＜0.05),而截留率则相反,表现为针叶灌木大于阔叶灌木(
P
＜0.05);灌木冠层形态特征中,LAI、叶宽、叶长宽比、叶正面接触角与冠层截留显著相关(
P
＜0.05),LAI、叶形和叶润湿性是影响降雨截留的主要因素。阔叶灌木易形成一个“漏斗形”的茎流水分聚集系统,有利于土壤水增蓄,而针叶灌木由于高LAI、特殊的叶形以及叶表高润湿性更有利于冠层截留,在冠层水饱和前其调蓄雨洪的能力更强。
2022 Vol. 20 (6): 83-93 [
摘要
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94
李青峰, 郭小平, 万亚俊, 薛心悦, 苏瑞东
荒漠煤矿区排土场生态修复工程技术模式评价
针对目前荒漠煤矿区排土场治理技术单一、配套措施不完备、缺乏效果好和低成本的生态恢复对位配置技术模式等问题,以内蒙古乌海已治理的14座排土场为研究对象,进行野外植被调查和土壤取样分析,选取13项指标从植被恢复、土壤改良和经济性3个层面构建评价体系,结合主成分和熵权法确定指标权重,进行技术模式综合评价,筛选最佳生态修复对位配置技术模式,并提出应用建议。结果表明:1)荒漠煤矿区不同立地类型对位配置技术包括砾石压盖、沙柳网格、毯帘护坡、砖砌方形/拱形骨架和密目网覆盖等坡面防护措施;生态袋截排水、干砌石截水沟和波纹管排水等截排水措施;2)毯帘覆盖+生态袋排水+播种模式在中层陡阴阳坡、中层急阴阳坡和中层陡阴坡等立地类型均适宜推广;3)砖砌方形/拱形骨架恢复效果不同是由于布设规格及施工质量差异导致。由此得出结论:1)阴坡土壤水分消耗较少,蒸腾作用弱,更有利于植被恢复;2)砖砌方形/拱形骨架相比于毯帘覆盖,更有利于土壤中有机碳和氮素的积累。
2022 Vol. 20 (6): 94-108 [
摘要
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109
董磊, 管晨博, 褚东涛, 张念, 王趁义
保水型包膜缓释尿素的制备及释肥特性
传统尿素肥料的利用率低,造成严重的农业资源浪费和面源污染,同时水资源不足也是限制我国农业发展的重要因素之一。因此,保水型包膜缓释尿素的应用已成为土壤养分资源优化施用和节水型农业发展的必然趋势。但现有的保水型包膜缓释尿素成本过高,限制其在农业上的推广应用。因此,开发高效廉价且有保水功能的缓释肥料是目前的研究重点。利用转鼓包衣技术,以大颗粒尿素为内核载体、混合料(凹凸棒∶粉煤灰=8∶2)为内层、聚丙烯酸树脂为中层、高吸水性树脂为外层,研制出新型保水型包膜缓释尿素(WRCU)肥料,并探讨WRCU的最佳组分比例,及其在土壤介质中的养分释放特性。WRCU中各成分的最佳质量比为内层∶中层∶外层∶内核=20∶11∶3∶66。WRCU的抗压强度为81.59N,最大吸水倍率为641g/g,土柱中1d总氮溶出率为12.25%,30d内的总氮和尿素氮的养分浸出率分别为81.27%和47.62%;而未包衣的大颗粒尿素在1d内的总氮和尿素氮的养分浸出已达86.38%和83.26%。
2022 Vol. 20 (6): 109-115 [
摘要
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367
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116
金平伟, 黄俊, 姜学兵, 亢庆, 杨胜权, 林丽萍, 杨平, 罗志铖, 李乐, 寇馨月, 刘斌
基于深度学习的生产建设项目扰动图斑自动识别分类
扰动图斑是生产建设项目水土保持信息化监管基础数据。针对扰动图斑传统人机交互目视解译效率低、成果不统一等问题,基于深度学习原理,构建生产建设项目扰动图斑自动识别分类卷积神经网络模型,用以提高扰动图斑解译生产效率和成果质量。然后确定深度学习模型关键超参数－优化器算法、学习速率和批大小最优值。在此基础上经过150个训练轮次得到生产建设项目扰动图斑自动识别分类卷积神经网络模型,模型综合性能评价指标－精度值和损失值分别为0.9526和0.1670。模型在"检验样本集"应用效果表明:模型识别分类总体精度为97.52%,扰动样本查准率和查全率分别为72.44%和83.90%;模型识别分类结果与真实情况基本一致,漏分类、误分类比例相对较低,具有较强的泛化能力。这说明深度学习模型用于生产建设项目扰动图斑自动识别分类是实际可行的。研究成果为扰动图斑解译生产提供一种新方法,可为生产建设项目水土保持信息化监管提供重要技术支撑。
2022 Vol. 20 (6): 116-125 [
摘要
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363
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126
周凌峰, 陈夙怡, 戴矜君, 刘俊东, 徐利珍, 田祝郡, 占昭慧, 赵雯荻, 陈金辉, 涂志华
7种木兰科观赏植物枯落物层及土壤层水文效应
为了研究木兰科观赏植物枯落物层和土壤层水文效应和在园林应用中更加合理配置木兰科植物,以7种常见木兰科植物(石碌含笑、紫花含笑、金叶含笑、深山含笑、观光木、华盖木和亮叶木莲)为研究对象,采用室内浸泡法、环刀法对不同木兰科植物枯落物层和土壤层水文功能进行定量研究。结果表明:1)7种植物枯落物蓄积量为5.24~25.11t/hm
2
,表现为石碌含笑>紫花含笑>金叶含笑>华盖木>深山含笑>观光木>亮叶木莲,亮叶木莲枯枝落叶分解程度高;2)枯落物层最大持水量变化范围为14.32~25.45t/hm
2
;有效拦蓄量为15.88~53.85t/hm
2
,表现为石碌含笑>紫花含笑>金叶含笑>华盖木>观光木>亮叶木莲>深山含笑,石碌含笑和紫花含笑枯落物层持水功能较好;3)枯落物半分解层、未分解层持水量分别在浸水8和10h基本达到饱和,枯落物在浸水2h内吸水速率变化最大,持水量与浸水时间呈对数关系(
R
2
>0.92),吸水速率与浸水时间呈幂函数关系(
R
2
>0.94);4)不同植物土壤密度均值变化范围为1.22~1.55g/cm
3
,总孔隙度变化范围为40.03%~49.89%;土壤饱和持水量变化范围为400.34~498.95t/hm
2
,有效持水量变化范围为26.23~70.33t/hm
2
,土壤层持水功能表现为金叶含笑＞紫花含笑＞亮叶木莲＞石碌含笑＞观光木＞华盖木＞深山含笑。土壤入渗速率和入渗时间呈幂函数关系(
R
2
＞0.90)。土壤层水源涵养能力高于枯落物层,是林地水文效应的主体。石碌含笑、紫花含笑和金叶含笑具有较强水源涵养功能,建议在园林景观应用中优先配置石碌含笑、紫花含笑、金叶含笑等植物。
2022 Vol. 20 (6): 126-136 [
摘要
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137
高航, 徐向舟, 李依杭
黄土高原植被对重力侵蚀的作用机理
通过对重力侵蚀的研究手段、发生机理等国内外研究成果的述评,论述植被作用对小流域重力侵蚀产沙的影响,为黄土高原小流域生态治理规划提供参考。目前国内外主要采用现场监测、现场调查、现场试验及模型试验等方法来获取重力侵蚀原始数据并分析植被的作用。其中,现场试验和模型试验作为研究重力侵蚀微观机理的有效途径,能够展示植被对重力侵蚀作用的动态过程;遥感监测能够快速获取较大范围内的重力侵蚀数据,为水土保持宏观决策提供参考;同时现场监测和现场调查能够为模型试验结果的可靠性提供验证。重力侵蚀的发生是多因素共同作用的结果,特别是植被对重力侵蚀影响的机理复杂,需要更进一步分析以及科学客观的评价。未来有必要提出更合理的方法,深入研究植被恢复条件下重力侵蚀的发展机制,评价植被在小流域水土保持中的作用。
2022 Vol. 20 (6): 137-142 [
摘要
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382
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143
张加琼, 殷敏峰, 刘颖, 党真, 白茹茹, 尚月婷, 杨明义
指纹因子和估算模型对复合指纹识别泥沙来源的影响
复合指纹识别法在泥沙与污染物来源辨别、侵蚀环境变化回溯、流域综合治理提升等方面发挥着重要作用。指纹因子和贡献估算模型作为复合指纹识别法的关键,对泥沙来源识别结果的准确性有重要影响。通过总结现行指纹因子组筛选方法、估算模型选用及其关键因子校正等相关研究成果,明确二者对泥沙来源识别结果的影响。结果显示,在分别采用不同指纹因子筛选方法和模型估算泥沙来源时,相同研究区同一源地的贡献差异可分别达到18.0%和14.2%。未来研究中,建议针对复合指纹识别的泥沙来源结果缺乏充分验证这一关键问题,以精准的泥沙来源数据为验证基础,通过科学试验结合多种技术手段,辨别复合指纹识别泥沙来源的主要不确定性来源。
2022 Vol. 20 (6): 143-150 [
摘要
] (
379
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