本發(fā)明涉及海綿流域建設(shè)中海綿體調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)領(lǐng)域,具體涉及一種流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地表徑流調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)方法。
背景技術(shù):
氣候變化和人類社會(huì)的快速發(fā)展改變了流域水循環(huán)及其伴生過程,產(chǎn)生了嚴(yán)重的水資源、水環(huán)境和水生態(tài)問題;因此,開展生態(tài)海綿流域建設(shè),降低自然水循環(huán)的極值過程,減少社會(huì)水循環(huán)過程對(duì)自然水循環(huán)的干擾,既是流域綜合治理的需要,也是人類文明發(fā)展的必然趨勢(shì)。
林地、草地和濕地等綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為主要的海綿體,影響流域徑流過程,在流域暴雨-徑流過程中,綠色基礎(chǔ)設(shè)施一般可作為地表調(diào)蓄設(shè)施,用于調(diào)節(jié)流域水循環(huán)的極值過程。
圖2示意性的給出了植被變化影響流域水文過程,圖3示意性的給出了濕地作為重要的水文單元影響流域水文過程;目前,生態(tài)海綿流域的研究正處于萌芽階段,缺乏海綿體調(diào)蓄能力的標(biāo)準(zhǔn)值的問題;因此提出綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)暴雨-徑流過程調(diào)蓄能力的標(biāo)準(zhǔn)值,可為生態(tài)海綿流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施的選取和布設(shè)提供依據(jù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種更科學(xué)、更合理地計(jì)算單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)洪能力、為生態(tài)海綿流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施的選取和布設(shè)提供依據(jù)的流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地表徑流調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)方法。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:提供一種流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地表徑流調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)方法,其包括:
S1:將流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元;
S2:確定暴雨頻率下、類型為綠色基礎(chǔ)設(shè)施和為裸地的坡面斑塊的流域洪水過程線;
S3:根據(jù)流域洪水過程線分析確立綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;
S4:對(duì)調(diào)洪庫容和綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元進(jìn)行分析計(jì)算,得到單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值。
優(yōu)選地,流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施為林地或草地。
進(jìn)一步地,S1的具體步驟為:獲取流域內(nèi)的高程數(shù)字模型,將高程數(shù)字模型單元格上坡度為15°、郁閉度或植被覆蓋率為1的綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元。
進(jìn)一步地,S2的具體步驟為:通過遙感和GIS技術(shù)獲得流域內(nèi)暴雨頻率下、類型為綠色基礎(chǔ)設(shè)施或裸地的坡面斑塊;
設(shè)定坡面斑塊類型為綠色基礎(chǔ)設(shè)施,根據(jù)流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線;
設(shè)定坡面斑塊類型為裸地,根據(jù)流域分布式水文模型確定與綠色基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)應(yīng)的暴雨頻率下的流域洪水過程線。
進(jìn)一步地,S3的具體步驟為:將綠色基礎(chǔ)設(shè)施和裸地條件下流域洪水過程線間的陰影部分面積作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;
綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)洪庫容的計(jì)算公式為:
進(jìn)一步地,S4的具體步驟為:根據(jù)面積統(tǒng)計(jì)算式統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,根據(jù)調(diào)洪庫容和流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,通過調(diào)蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值;
面積統(tǒng)計(jì)算式為:
其中,AG為流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,AG標(biāo)為綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的單元面積,為第i個(gè)高程數(shù)字模型單元格的坡度與綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元坡度的面積比;βi為第i個(gè)高程數(shù)字模型單元格的植被覆蓋度或郁閉度與綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的植被覆蓋度或郁閉度下的面積比;
調(diào)蓄能力算式為:
其中,VG為單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流量的標(biāo)準(zhǔn)值;V調(diào)為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;AG為流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積。
優(yōu)選地,流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施為濕地。
進(jìn)一步地,S2的具體步驟為:通過遙感和GIS技術(shù)獲得濕地這一流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施或其它坡面斑塊類型;
保持流域內(nèi)含有濕地的坡面斑塊類型,根據(jù)流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線;
將流域內(nèi)濕地坡面斑塊類型設(shè)置為裸地,根據(jù)流域分布式水文模型確定與濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施的相對(duì)應(yīng)的暴雨頻率下的流域洪水過程線。
進(jìn)一步地,S3的具體步驟為:將綠色基礎(chǔ)設(shè)施和裸地條件下流域洪水過程線間的陰影部分面積作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;
綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)洪庫容的計(jì)算公式為:
進(jìn)一步地,S4的具體步驟為:統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,根據(jù)調(diào)洪庫容和流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,通過調(diào)蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值;
調(diào)蓄能力算式為:
其中,VGW為單位面積的濕地這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的量,V調(diào)為濕地這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;AGW為流域內(nèi)濕地這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施的總面積。
本發(fā)明的有益效果為:該流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地表徑流調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)方法針對(duì)目前研究正處于萌芽階段的生態(tài)海綿流域,提供了一種綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值;且其綠色基礎(chǔ)設(shè)施包括草地、林地和濕地,在綠色基礎(chǔ)設(shè)施影響流域水文過程中,當(dāng)流域發(fā)生暴雨事件時(shí),在綠色基礎(chǔ)設(shè)施在地表徑流過程中起主要作用的理論基礎(chǔ)上,應(yīng)用流域分布式水文模型并參考防洪庫容的計(jì)算獲得流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容,具有評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性、合理性強(qiáng)的特點(diǎn),而得出的綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值可以為生態(tài)海綿流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施的選取和布設(shè)提供依據(jù)。
附圖說明
圖1示意性的給出了流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地表徑流調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)方法的步驟示意圖。
圖2示意性的給出了草地和林地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)水文過程的影響示意圖。
圖3示意性的給出了濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)水文過程的影響示意圖。
圖4示意性的給出了草地、綠地或濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)洪庫容的確定示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖,對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一種實(shí)施例,而不是全部的實(shí)施例?;诒景l(fā)明中的實(shí)施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例,都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如圖1所示,該流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地表徑流調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)方法包括:
S1:將流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元;
S2:確定暴雨頻率下、類型為綠色基礎(chǔ)設(shè)施和為裸地的坡面斑塊的流域洪水過程線;其中,優(yōu)選暴雨頻率包括5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇中的一個(gè)或多個(gè)。
S3:根據(jù)流域洪水過程線分析確立綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;
S4:對(duì)調(diào)洪庫容和綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元進(jìn)行分析計(jì)算,得到單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值。
在具體實(shí)施中,當(dāng)該綠色基礎(chǔ)設(shè)施為草地或林地時(shí),獲取流域內(nèi)的高程數(shù)字模型,將高程數(shù)字模型單元格上坡度為15°、郁閉度或植被覆蓋率為1的綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元。
通過遙感和GIS技術(shù)獲得流域內(nèi)暴雨頻率下、類型為綠色基礎(chǔ)設(shè)施或裸地的坡面斑塊;設(shè)定坡面斑塊類型為綠色基礎(chǔ)設(shè)施,根據(jù)流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線;設(shè)定坡面斑塊類型為裸地,根據(jù)流域分布式水文模型確定與綠色基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)應(yīng)的暴雨頻率下的流域洪水過程線。
當(dāng)該綠色基礎(chǔ)設(shè)施為濕地時(shí),通過遙感和GIS技術(shù)獲得濕地這一流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施或其它坡面斑塊類型;保持流域內(nèi)含有濕地的坡面斑塊類型,根據(jù)流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線;將流域內(nèi)濕地坡面斑塊類型設(shè)置為裸地,根據(jù)流域分布式水文模型確定與濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施的相對(duì)應(yīng)的暴雨頻率下的流域洪水過程線。
應(yīng)該說明的是,綠色基礎(chǔ)設(shè)施在本發(fā)明中可指林地、草地和濕地;流域中不同坡度和覆蓋度(或者郁閉度)的林地或草地直接影響了其自身調(diào)蓄地表徑流的能力,對(duì)林地或草地這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化具有可操作性和推廣性。
眾所周知,林地或草地影響流域水文過程與濕地的有所不同;如圖2所示,圖2示意性的給出了植被變化影響流域水文過程,其過程可簡(jiǎn)化為:1、植被通過根系吸水和蒸騰作用直接參與水循環(huán)過程;2、植物冠層攔截降水,增大了蒸發(fā)量,減少到達(dá)地表的降水量,對(duì)降水進(jìn)行了重新分配;3、植被枯枝落葉層截持降水,枯枝落葉層的吸水能力很強(qiáng),持水率一般在300%以上;4、植被枯枝落葉層提高了地表粗糙度,對(duì)坡面徑流的流速產(chǎn)生影響,增加地表水下滲;5、植被土壤的孔隙度,特別是非毛管孔隙大,使植被土壤具有較大的入滲率、入滲量和滲蓄能力。
當(dāng)植被流域發(fā)生暴雨事件時(shí),植被蒸發(fā)可忽略不計(jì),土壤調(diào)蓄有限,故林地或草地這類地表植被調(diào)蓄在地表徑流過程中起主要作用。
如圖3所示,圖3示意性的給出了濕地作為重要的水文單元影響流域水文過程,其過程可簡(jiǎn)化為:1、濕地水量補(bǔ)給;濕地補(bǔ)給的水源主要有大氣降水、地表徑流、河流泛濫水和地下水等多種水源;2、濕地徑流;降水到達(dá)濕地后,首先被草根層吸收,草根層飽和后才開始產(chǎn)流,即其產(chǎn)流模式一般為蓄滿產(chǎn)流;3、濕地水量支出;濕地蒸散發(fā)(主要包括濕地水面蒸發(fā)、植物截流蒸發(fā)、植物的散發(fā)和土壤蒸發(fā))是濕地水量支出的主要途徑;4、地表水/地下水交換量;地表水與地下水之間的水量交換過程是濕地水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié);由于濕地具有高度分解的有機(jī)沉積物和植物的作用,濕地地表水和地下水的交互作用是緩慢的、受限制的;濕地地表水和地下水的交互作用主要受濕地水力傳導(dǎo)度、地形坡度和濕地土壤的滲透性特征的影響;5、濕地出流量;對(duì)于開放性濕地,在雨季特別是洪水期,濕地容易蓄滿,并產(chǎn)生出流量,濕地出流過程滯后于入流,且出流量明顯小于入流量。
當(dāng)流域發(fā)生暴雨事件時(shí),濕地植被蒸發(fā)可忽略不計(jì),濕地初始土壤含水量較高,在較短時(shí)間內(nèi)土壤調(diào)蓄本次暴雨量有限,故在暴雨事件中,濕地的地表調(diào)蓄作用在濕地的地表、土壤和地下調(diào)蓄作用中扮演主要角色;即在暴雨事件中,濕地調(diào)蓄流域水文過程中以調(diào)蓄地表徑流為主。
同時(shí),該發(fā)明采用分布式水文模型這一處理方式,而分布式水文模型能對(duì)流域下坡面斑塊類型(例如地形、植被和土壤等)進(jìn)行細(xì)致的描述,是解決和回答植被在多大程度上影響洪水這一問題的最有效途徑,并能真實(shí)反映濕地水文過程,更準(zhǔn)確地評(píng)估濕地的水文生態(tài)效應(yīng);且遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展以及和水文模型的整合更是從模型結(jié)構(gòu)到數(shù)據(jù)源獲取和輸入等方面推動(dòng)了濕地水文模擬向分布式模型邁進(jìn)。
如圖4所示,將綠色基礎(chǔ)設(shè)施和裸地條件下流域洪水過程線間的陰影部分面積作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容,對(duì)林地、草地和濕地而言;對(duì)于林地和草地綠色基礎(chǔ)設(shè)施,設(shè)定流域坡面斑塊類型分別為林地或草地綠色基礎(chǔ)設(shè)施,分別依靠流域分布式水文模型獲得暴雨頻率下的流域洪水過程線Q林(t)或Q草(t)。
對(duì)于林地和草地綠色基礎(chǔ)設(shè)施,設(shè)定流域坡面斑塊類型為裸地,依靠流域分布式水文模型獲得與林地或草地綠色基礎(chǔ)設(shè)施的相對(duì)應(yīng)的暴雨頻率下的流域洪水過程線Q裸(t)。
對(duì)于濕地綠色基礎(chǔ)設(shè)施,保持流域內(nèi)含有濕地的流域土地利用類型,依靠流域分布式水文模型獲得暴雨頻率下的流域洪水過程線Q濕(t)。
對(duì)于濕地綠色基礎(chǔ)設(shè)施,將流域內(nèi)濕地土地利用類型設(shè)置為裸地,依靠流域分布式水文模型獲得與濕地綠色基礎(chǔ)設(shè)施的相對(duì)應(yīng)的暴雨頻率下的流域洪水過程線Q裸(t)。
在暴雨頻率下為草地或林地的綠色基礎(chǔ)設(shè)施和為裸地的綠色基礎(chǔ)設(shè)施流域洪水過程線獲得后,可以了解到同一暴雨頻率下綠色基礎(chǔ)設(shè)施流域洪峰起伏程度小,曲線長(zhǎng)而平穩(wěn);裸地流域洪峰起伏程度大,曲線陡峭,洪水歷時(shí)短。
在功能上,綠色基礎(chǔ)設(shè)施與地表水庫在調(diào)蓄地表徑流中的角色一致,因此可將綠色基礎(chǔ)設(shè)施作為一種地表水庫,參照防洪庫容的計(jì)算方法,將為草地或林地的綠色基礎(chǔ)設(shè)施和為裸地的綠色基礎(chǔ)設(shè)施條件下流域洪水過程線間陰影部分的面積作為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容V調(diào);
其草地或林地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)洪庫容的計(jì)算公式為:
對(duì)于林地或草地綠色基礎(chǔ)設(shè)施,為便于推廣,消除流域差異,可統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)林地或草地標(biāo)準(zhǔn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,將林地或草地綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容除以流域內(nèi)林地或草地標(biāo)準(zhǔn)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,從而獲得林地或草地綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值。
在確立單位面積為林地或草地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),根據(jù)面積統(tǒng)計(jì)算式統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,根據(jù)調(diào)洪庫容和流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,通過調(diào)蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值;
其綠色基礎(chǔ)設(shè)施的面積統(tǒng)計(jì)算式為:
其中,AG為流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,AG標(biāo)為綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的單元面積,為第i個(gè)高程數(shù)字模型單元格的坡度與綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元坡度的面積比;βi為第i個(gè)高程數(shù)字模型單元格的植被覆蓋度或郁閉度與綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的植被覆蓋度或郁閉度下的面積比;每個(gè)DEM單元格的坡度和覆蓋度可分別依靠ArcGIS技術(shù)和遙感技術(shù)獲得。
調(diào)蓄能力算式為:
其中,VG為單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流量的標(biāo)準(zhǔn)值;V調(diào)為綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;AG為流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積。
對(duì)于濕地綠色基礎(chǔ)設(shè)施,則簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)濕地面積,將濕地綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容除以流域內(nèi)濕地的總面積,從而評(píng)價(jià)出濕地綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的能力。
在確立單位面積為濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,根據(jù)調(diào)洪庫容和流域內(nèi)綠色基礎(chǔ)設(shè)施單元的總面積,通過調(diào)蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的標(biāo)準(zhǔn)值;
其濕地這一綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)洪庫容的計(jì)算公式為:
調(diào)蓄能力算式為:
其中,VGW為單位面積的濕地這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)蓄地表徑流的量,V調(diào)為濕地這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容;AGW為流域內(nèi)濕地這種綠色基礎(chǔ)設(shè)施的總面積。
綜上所述,本發(fā)明提供的流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)地表徑流調(diào)蓄能力的評(píng)價(jià)方法,在綠色基礎(chǔ)設(shè)施影響流域水文過程中,當(dāng)在流域發(fā)生暴雨事件時(shí),在綠色基礎(chǔ)設(shè)施在地表徑流過程中起主要作用的理論基礎(chǔ)上,應(yīng)用流域分布式水文模型并參考防洪庫容的計(jì)算獲得流域綠色基礎(chǔ)設(shè)施的調(diào)洪庫容,提高了其準(zhǔn)確性和合理性。
對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明,使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將使顯而易見的,本文所定義的一般原理可以在不脫離發(fā)明的精神或范圍的情況下,在其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此,本發(fā)明將不會(huì)被限制與本文所示的這些實(shí)施例,而是要符合與本文所公開的原理和新穎性特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。