基于元胞模型的近现代黄河三角洲演化动态模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 黄翀 |
| 答辩日期 | 2005-07 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 陈述彭 ; 刘高焕 |
| 关键词 | 黄河三角洲 元胞自动机 元胞模型 纵剖面 自组织 虚拟过程 流路算法 演化 动态模拟 海岸侵蚀 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 近现代黄河三角洲的形成只有150年左右的历史，它是我国乃至世界各大河三角洲中海陆变迁最活跃的地区。黄河三角洲由于巨量的河流物质供应，其演化过程快速而明显，是研究海陆物质与能量交换的理想区域。近年来，随着多传感器、多分辨率遥感数据的易于获取以及地理信息系统、全球定位系统等空间信息技术的广泛应用，使得对黄河三角洲海陆相互作用过程的观测、解释和分析都提高到一个新的水平。但是，由于黄河三角洲演化具有时空尺度复杂、过程的非线性特点，长期以来，对黄河三角洲复杂相互作用的动态模拟和预测一直是研究中的难题。元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散、空间的相互作用及其时间上的因果关系皆局部的网络模型，是复杂系统的研究方法之一。元胞自动机的时空动态特征及复杂性计算能力为模拟黄河三角洲复杂系统的动态演化提供了一种新的思路。本文以地貌系统的复杂性为理论基础，以元胞自动机、地理信息系统为技术手段，对近现代黄河三角洲的演化过程进行时空动态模拟。同时，采用面向对象的设计和编程方法，基于OpenGL图形库和VisualC++编程环境，开发了计算可视化环境原型系统，实现了黄河三角洲时空演化过程的地学虚拟。本文首先对近现代黄河三角洲的演化过程及特点进行了分析，在此基础上，构建黄河三角洲演化过程的概念模型，从空间上将黄河三角洲划分为不同的子系统，从时间上将近现代黄河三角洲的演化划分为不同的改道事件序列。对每个改道事件包含的主要空间过程进行了动态模拟和虚拟表达。主要内容包括： 1.尾闾河道的纵剖面调整黄河尾闾的频繁改道与河道纵剖面的调整密不可分。本文利用一维元胞自动机模型，从河床纵剖面初始形态、来水来沙量变化以及河口延伸三个方面对尾闾河道纵剖面的调整进行了动态模拟。模拟显示：(1)在来水来沙量保持不变的理想情况下，初始形态不同的纵剖面在演化过程中都是向与该水沙条件相适应的平衡纵剖面发展。其中，具有复杂形态的纵剖面，其演化是一个波动调整过程。(2)当水沙条件发生变化时，单独增大来水量或单独减少来沙量，则河流的搬运能力过剩，通过冲刷河床使河床高程降低；而单独增大来沙量或单独减少来水量时，河流挟沙能力不足，通过淤积使河床抬升。当水沙同时变化时，纵剖面的响应情况复杂，河道的最大淤积出现在多水多沙情况，而最大的侵蚀则出现在多水少沙的情况。(3)随河道延伸，溯源淤积自河口开始向上发展，其结果总是力图使河口附近的河道最先达到输沙平衡。如果来水来沙条件长期不变，溯源淤积将一直向上发展，直至纵剖面重新达到平衡。此种情况下，黄河尾闾河道具有平行抬升的趋势。 2.新河道的自组织形成过程尾闾改道后，在无现成流路的情况下，新河道的形成是一个从无到有的过程，其形成过程具有很强的自组织性和突现性特征。本文利用自组织方法对改道初期的新河道的形成过程进行了模拟。这种建立在微地形尺度上的自组织的模拟方法，通过元胞间局部的相互作用，可以模拟出新河道从无到有的突现特征以及微地形调整过程的复杂动态性。通过对模型的敏感性分析表明，这种自组织性与模拟选用的参数没有太大关系，而是系统内在的本质特征。在模拟漫流归股过程时，考虑到实际地形和水流的复杂性，本文提出了一种改进后的多流路算法，该算法可以使水流在最多五个方向上选择流向，这样做的结果是水流可以绕过前进方向具有较大高度的障碍物。同时改进后算法对填洼过程进行了动态处理，避免了传统的任意改变模拟地形高程的做法。 3.河口三角洲的淤进河口三角洲的淤进本质上是一个三维空间上的堆积过程。本文利用随机行走算法、最陡坡降算法、蒙特卡洛方法分别对河口泥沙沉积、河口泥沙运移及河口口门变动进行了模拟。在尾闾改道初期漫流造床入海填湾阶段，泥沙随主流的变动而在不同的河口位置沉积下来。尽管随机行走算法忽略了单个泥沙颗粒在河口沉积的各种微观物理细节过程，但是这种简化的方法仍然能够模拟出泥沙沉积过程中的表现出来的宏观特征。河道归股后，水沙需要流经改道初期形成的河口拦门沙体才能在海洋内沉积下来。随机行走算法没有考虑表面坡度的影响，因而它不能表达沉积物这种沿表面的运移。本文使用最陡坡降算法来模拟沉积物沿改道初期形成的河口三角洲上的运移。模拟结果显示，入海泥沙随口门位置的变动而尽可能均匀地分布在河口三角洲的前缘。利用1976年的海岸线及海域地形数据，本文对尾闾行水清水沟流路后的三角洲沙嘴延伸进行了地学虚拟。 4.河口三角洲海岸的蚀退本文建立了风向影响下的海岸侵蚀元胞自动机模型，对海岸侵蚀过程及海岸形态演化进行了模拟。在风向的影响下，海岸侵蚀表现为各向异性，不同方向上的海洋元胞所起的侵蚀作用也不相同。本文得到的一个重要结果是利用风向椭圆在不同方向上的弦长来表达各方向的侵蚀概率权重。当海洋元胞对海岸元胞的侵蚀作用方向与风向椭圆的长轴或次长轴方向一致时，海岸受到的侵蚀作用最强。当侵蚀方向与风向椭圆的垂轴或次短轴方向一致时，则侵蚀作用较弱。当侵蚀方向与风向椭圆的短轴方向一致时，则侵蚀作用最弱。以1996年7月黄河尾闾人工改道北汊以后原河口沙嘴的蚀退为例，利用海岸侵蚀的元胞自动机模型对海岸侵蚀的宏观过程特征进行了动态模拟。从模拟结果与多时相遥感影像的对比分析可以看出，模拟的海岸蚀退过程及海岸形态与实际情况吻合良好。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-12-16 |
| 页码 | 141 |
| 源URL | [http://192.168.22.105/handle/311030/326]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 黄翀. 基于元胞模型的近现代黄河三角洲演化动态模拟[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院研究生院. 2005. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。