CN106777618B - 流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其包括将流域内绿色基础设施进行标准化处理，得到绿色基础设施单元；确定暴雨频率下、类型为绿色基础设施和为裸地的坡面斑块的流域洪水过程线；根据流域洪水过程线分析确立绿色基础设施的调洪库容；对调洪库容和绿色基础设施单元进行分析计算，得到单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值，可用该指标作为衡量绿色基础设施对地表径流的调蓄能力的评价指标；该流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法具有较高的合理性与准确性，同时，该绿色基础设施调蓄地表径流的标准值指标的得出，可以为生态海绵流域绿色基础设施的选取和布设提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及海绵流域建设中海绵体调蓄能力的评价领域，具体涉及一种流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法。
背景技术
气候变化和人类社会的快速发展改变了流域水循环及其伴生过程，产生了严重的水资源、水环境和水生态问题；因此，开展生态海绵流域建设，降低自然水循环的极值过程，减少社会水循环过程对自然水循环的干扰，既是流域综合治理的需要，也是人类文明发展的必然趋势。
林地、草地和湿地等绿色基础设施作为主要的海绵体，影响流域径流过程，在流域暴雨-径流过程中，绿色基础设施一般可作为地表调蓄设施，用于调节流域水循环的极值过程。
图2示意性的给出了植被变化影响流域水文过程，图3示意性的给出了湿地作为重要的水文单元影响流域水文过程；目前，生态海绵流域的研究正处于萌芽阶段，缺乏海绵体调蓄能力的标准值的问题；因此提出绿色基础设施对暴雨-径流过程调蓄能力的标准值，可为生态海绵流域绿色基础设施的选取和布设提供依据。
发明内容
本发明的目的是提供一种更科学、更合理地计算单位面积绿色基础设施调洪能力、为生态海绵流域绿色基础设施的选取和布设提供依据的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其包括：
S1：将流域内绿色基础设施进行标准化处理，得到绿色基础设施单元；获取流域内的高程数字模型，将高程数字模型单元格上坡度为15°、郁闭度或植被覆盖率为1的绿色基础设施作为绿色基础设施单元；
S2：确定暴雨频率下、类型为绿色基础设施和为裸地的坡面斑块的流域洪水过程线；
S3：根据流域洪水过程线分析确立绿色基础设施的调洪库容；
S4：对调洪库容和绿色基础设施单元进行分析计算，得到单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值。
优选地，流域绿色基础设施为林地或草地。
进一步地，S2的具体步骤为：通过遥感和GIS技术获得流域内暴雨频率下、类型为绿色基础设施或裸地的坡面斑块；
设定坡面斑块类型为绿色基础设施，根据流域分布式水文模型确定暴雨频率下的流域洪水过程线；
设定坡面斑块类型为裸地，根据流域分布式水文模型确定与绿色基础设施相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线。
进一步地，S3的具体步骤为：将绿色基础设施和裸地条件下流域洪水过程线间的阴影部分面积作为绿色基础设施的调洪库容；
绿色基础设施调洪库容的计算公式为：
进一步地，S4的具体步骤为：根据面积统计算式统计流域内绿色基础设施单元的总面积，根据调洪库容和流域内绿色基础设施单元的总面积，通过调蓄能力算式获得单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值；
面积统计算式为：
其中，AG为流域内绿色基础设施单元的总面积，AG标为绿色基础设施单元的单元面积，为第i个高程数字模型单元格的坡度与绿色基础设施单元坡度的面积比；βi为第i个高程数字模型单元格的植被覆盖度或郁闭度与绿色基础设施单元的植被覆盖度或郁闭度下的面积比；
调蓄能力算式为：
其中，VG为单位面积绿色基础设施调蓄地表径流量的标准值；V调为绿色基础设施的调洪库容；AG为流域内绿色基础设施单元的总面积。
优选地，流域绿色基础设施为湿地。
进一步地，S2的具体步骤为：通过遥感和GIS技术获得湿地这一流域绿色基础设施或其它坡面斑块类型；
保持流域内含有湿地的坡面斑块类型，根据流域分布式水文模型确定暴雨频率下的流域洪水过程线；
将流域内湿地坡面斑块类型设置为裸地，根据流域分布式水文模型确定与湿地这一绿色基础设施的相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线。
进一步地，S3的具体步骤为：将绿色基础设施和裸地条件下流域洪水过程线间的阴影部分面积作为绿色基础设施的调洪库容；
绿色基础设施调洪库容的计算公式为：
进一步地，S4的具体步骤为：统计流域内湿地这一绿色基础设施单元的总面积，根据调洪库容和流域内绿色基础设施单元的总面积，通过调蓄能力算式获得单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值；
调蓄能力算式为：
其中，VGW为单位面积的湿地这种绿色基础设施调蓄地表径流的量，V调为湿地这种绿色基础设施的调洪库容；AGW为流域内湿地这种绿色基础设施的总面积。
本发明的有益效果为：该流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法针对目前研究正处于萌芽阶段的生态海绵流域，提供了一种绿色基础设施调蓄地表径流的标准值；且其绿色基础设施包括草地、林地和湿地，在绿色基础设施影响流域水文过程中，当流域发生暴雨事件时，在绿色基础设施在地表径流过程中起主要作用的理论基础上，应用流域分布式水文模型并参考防洪库容的计算获得流域绿色基础设施的调洪库容，具有评价准确性、合理性强的特点，而得出的绿色基础设施调蓄地表径流的标准值可以为生态海绵流域绿色基础设施的选取和布设提供依据。
附图说明
图1示意性的给出了流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法的步骤示意图。
图2示意性的给出了草地和林地这一绿色基础设施对水文过程的影响示意图。
图3示意性的给出了湿地这一绿色基础设施对水文过程的影响示意图。
图4示意性的给出了草地、绿地或湿地这一绿色基础设施调洪库容的确定示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，该流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法包括：
S1：将流域内绿色基础设施进行标准化处理，得到绿色基础设施单元；
S2：确定暴雨频率下、类型为绿色基础设施和为裸地的坡面斑块的流域洪水过程线；其中，优选暴雨频率包括5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇中的一个或多个。
S3：根据流域洪水过程线分析确立绿色基础设施的调洪库容；
S4：对调洪库容和绿色基础设施单元进行分析计算，得到单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值。
在具体实施中，获取流域内的高程数字模型，将高程数字模型单元格上坡度为15°、郁闭度或植被覆盖率为1的绿色基础设施作为绿色基础设施单元。
通过遥感和GIS技术获得流域内暴雨频率下、类型为绿色基础设施或裸地的坡面斑块；设定坡面斑块类型为绿色基础设施，根据流域分布式水文模型确定暴雨频率下的流域洪水过程线；设定坡面斑块类型为裸地，根据流域分布式水文模型确定与绿色基础设施相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线。
当该绿色基础设施为湿地时，通过遥感和GIS技术获得湿地这一流域绿色基础设施或其它坡面斑块类型；保持流域内含有湿地的坡面斑块类型，根据流域分布式水文模型确定暴雨频率下的流域洪水过程线；将流域内湿地坡面斑块类型设置为裸地，根据流域分布式水文模型确定与湿地这一绿色基础设施的相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线。
应该说明的是，绿色基础设施在本发明中可指林地、草地和湿地；流域中不同坡度和覆盖度(或者郁闭度)的林地或草地直接影响了其自身调蓄地表径流的能力，对林地或草地这种绿色基础设施的标准化具有可操作性和推广性。
众所周知，林地或草地影响流域水文过程与湿地的有所不同；如图2所示，图2示意性的给出了植被变化影响流域水文过程，其过程可简化为：1、植被通过根系吸水和蒸腾作用直接参与水循环过程；2、植物冠层拦截降水，增大了蒸发量，减少到达地表的降水量，对降水进行了重新分配；3、植被枯枝落叶层截持降水，枯枝落叶层的吸水能力很强，持水率一般在300％以上；4、植被枯枝落叶层提高了地表粗糙度，对坡面径流的流速产生影响，增加地表水下渗；5、植被土壤的孔隙度，特别是非毛管孔隙大，使植被土壤具有较大的入渗率、入渗量和渗蓄能力。
当植被流域发生暴雨事件时，植被蒸发可忽略不计，土壤调蓄有限，故林地或草地这类地表植被调蓄在地表径流过程中起主要作用。
如图3所示，图3示意性的给出了湿地作为重要的水文单元影响流域水文过程，其过程可简化为：1、湿地水量补给；湿地补给的水源主要有大气降水、地表径流、河流泛滥水和地下水等多种水源；2、湿地径流；降水到达湿地后，首先被草根层吸收，草根层饱和后才开始产流，即其产流模式一般为蓄满产流；3、湿地水量支出；湿地蒸散发(主要包括湿地水面蒸发、植物截流蒸发、植物的散发和土壤蒸发)是湿地水量支出的主要途径；4、地表水/地下水交换量；地表水与地下水之间的水量交换过程是湿地水文循环的重要环节；由于湿地具有高度分解的有机沉积物和植物的作用，湿地地表水和地下水的交互作用是缓慢的、受限制的；湿地地表水和地下水的交互作用主要受湿地水力传导度、地形坡度和湿地土壤的渗透性特征的影响；5、湿地出流量；对于开放性湿地，在雨季特别是洪水期，湿地容易蓄满，并产生出流量，湿地出流过程滞后于入流，且出流量明显小于入流量。
当流域发生暴雨事件时，湿地植被蒸发可忽略不计，湿地初始土壤含水量较高，在较短时间内土壤调蓄本次暴雨量有限，故在暴雨事件中，湿地的地表调蓄作用在湿地的地表、土壤和地下调蓄作用中扮演主要角色；即在暴雨事件中，湿地调蓄流域水文过程中以调蓄地表径流为主。
同时，该发明采用分布式水文模型这一处理方式，而分布式水文模型能对流域下坡面斑块类型(例如地形、植被和土壤等)进行细致的描述，是解决和回答植被在多大程度上影响洪水这一问题的最有效途径，并能真实反映湿地水文过程，更准确地评估湿地的水文生态效应；且遥感和地理信息系统技术的发展以及和水文模型的整合更是从模型结构到数据源获取和输入等方面推动了湿地水文模拟向分布式模型迈进。
如图4所示，将绿色基础设施和裸地条件下流域洪水过程线间的阴影部分面积作为绿色基础设施的调洪库容，对林地、草地和湿地而言；对于林地和草地绿色基础设施，设定流域坡面斑块类型分别为林地或草地绿色基础设施，分别依靠流域分布式水文模型获得暴雨频率下的流域洪水过程线Q林(t)或Q草(t)。
对于林地和草地绿色基础设施，设定流域坡面斑块类型为裸地，依靠流域分布式水文模型获得与林地或草地绿色基础设施的相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线Q裸(t)。
对于湿地绿色基础设施，保持流域内含有湿地的流域土地利用类型，依靠流域分布式水文模型获得暴雨频率下的流域洪水过程线Q湿(t)。
对于湿地绿色基础设施，将流域内湿地土地利用类型设置为裸地，依靠流域分布式水文模型获得与湿地绿色基础设施的相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线Q裸(t)。
在暴雨频率下为草地或林地的绿色基础设施和为裸地的绿色基础设施流域洪水过程线获得后，可以了解到同一暴雨频率下绿色基础设施流域洪峰起伏程度小，曲线长而平稳；裸地流域洪峰起伏程度大，曲线陡峭，洪水历时短。
在功能上，绿色基础设施与地表水库在调蓄地表径流中的角色一致，因此可将绿色基础设施作为一种地表水库，参照防洪库容的计算方法，将为草地或林地的绿色基础设施和为裸地的绿色基础设施条件下流域洪水过程线间阴影部分的面积作为绿色基础设施的调洪库容V调；
其草地或林地这一绿色基础设施调洪库容的计算公式为：
对于林地或草地绿色基础设施，为便于推广，消除流域差异，可统计流域内林地或草地标准绿色基础设施单元的总面积，将林地或草地绿色基础设施的调洪库容除以流域内林地或草地标准绿色基础设施单元的总面积，从而获得林地或草地绿色基础设施调蓄地表径流的标准值。
在确立单位面积为林地或草地这一绿色基础设施调蓄地表径流的标准值时，根据面积统计算式统计流域内绿色基础设施单元的总面积，根据调洪库容和流域内绿色基础设施单元的总面积，通过调蓄能力算式获得单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值；
其绿色基础设施的面积统计算式为：
其中，AG为流域内绿色基础设施单元的总面积，AG标为绿色基础设施单元的单元面积，为第i个高程数字模型单元格的坡度与绿色基础设施单元坡度的面积比；βi为第i个高程数字模型单元格的植被覆盖度或郁闭度与绿色基础设施单元的植被覆盖度或郁闭度下的面积比；每个DEM单元格的坡度和覆盖度可分别依靠ArcGIS技术和遥感技术获得。
调蓄能力算式为：
其中，VG为单位面积绿色基础设施调蓄地表径流量的标准值；V调为绿色基础设施的调洪库容；AG为流域内绿色基础设施单元的总面积。
对于湿地绿色基础设施，则简单统计流域内湿地面积，将湿地绿色基础设施的调洪库容除以流域内湿地的总面积，从而评价出湿地绿色基础设施调蓄地表径流的能力。
在确立单位面积为湿地这一绿色基础设施调蓄地表径流的标准值时，统计流域内湿地这一绿色基础设施单元的总面积，根据调洪库容和流域内绿色基础设施单元的总面积，通过调蓄能力算式获得单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值；
其湿地这一绿色基础设施调洪库容的计算公式为：
调蓄能力算式为：
其中，VGW为单位面积的湿地这种绿色基础设施调蓄地表径流的量，V调为湿地这种绿色基础设施的调洪库容；AGW为流域内湿地这种绿色基础设施的总面积。
综上所述，本发明提供的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，在绿色基础设施影响流域水文过程中，当在流域发生暴雨事件时，在绿色基础设施在地表径流过程中起主要作用的理论基础上，应用流域分布式水文模型并参考防洪库容的计算获得流域绿色基础设施的调洪库容，提高了其准确性和合理性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将使显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于，包括：
S1：将流域内绿色基础设施进行标准化处理，得到绿色基础设施单元；
获取所述流域内的高程数字模型，将高程数字模型单元格上坡度为15°、郁闭度或植被覆盖率为1的绿色基础设施作为绿色基础设施单元；
S2：确定暴雨频率下、类型为绿色基础设施和为裸地的坡面斑块的流域洪水过程线；
S3：根据所述流域洪水过程线分析确立绿色基础设施的调洪库容；
S4：对所述调洪库容和绿色基础设施单元进行分析计算，得到单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值。
2.根据权利要求1所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于：所述流域绿色基础设施为林地或草地。
3.根据权利要求2所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于，所述S2的具体步骤为：通过遥感和GIS技术获得流域内暴雨频率下、类型为绿色基础设施或裸地的坡面斑块；
设定坡面斑块类型为绿色基础设施，根据流域分布式水文模型确定暴雨频率下的流域洪水过程线；
设定坡面斑块类型为裸地，根据流域分布式水文模型确定与绿色基础设施相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线。
4.根据权利要求3所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于，所述S3的具体步骤为：将所述绿色基础设施和裸地条件下流域洪水过程线间的阴影部分面积作为绿色基础设施的调洪库容；
所述绿色基础设施调洪库容的计算公式为：
。
5.根据权利要求4所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于，所述S4的具体步骤为：根据面积统计算式统计流域内绿色基础设施单元的总面积，根据所述调洪库容和流域内绿色基础设施单元的总面积，通过调蓄能力算式获得单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值；
所述面积统计算式为：
其中，AG为流域内绿色基础设施单元的总面积，AG标为绿色基础设施单元的单元面积，为第i个高程数字模型单元格的坡度与绿色基础设施单元坡度的面积比；βi为第i个高程数字模型单元格的植被覆盖度或郁闭度与绿色基础设施单元的植被覆盖度或郁闭度下的面积比；
所述调蓄能力算式为：
其中，VG为单位面积绿色基础设施调蓄地表径流量的标准值；V调为绿色基础设施的调洪库容；AG为流域内绿色基础设施单元的总面积。
6.根据权利要求1所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于：所述流域绿色基础设施为湿地。
7.根据权利要求6所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于，所述S2的具体步骤为：通过遥感和GIS技术获得湿地这一流域绿色基础设施或裸地坡面斑块类型；
保持流域内含有湿地的坡面斑块类型，根据流域分布式水文模型确定暴雨频率下的流域洪水过程线；
将流域内湿地坡面斑块类型设置为裸地，根据流域分布式水文模型确定与湿地这一绿色基础设施的相对应的暴雨频率下的流域洪水过程线。
8.根据权利要求7所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于，所述S3的具体步骤为：将所述绿色基础设施和裸地条件下流域洪水过程线间的阴影部分面积作为绿色基础设施的调洪库容；
所述绿色基础设施调洪库容的计算公式为：
。
9.根据权利要求8所述的流域绿色基础设施对地表径流调蓄能力的评价方法，其特征在于，所述S4的具体步骤为：统计流域内湿地这一绿色基础设施单元的总面积，根据所述调洪库容和流域内绿色基础设施单元的总面积，通过调蓄能力算式获得单位面积绿色基础设施调蓄地表径流的标准值；
所述调蓄能力算式为：
其中，VGW为单位面积的湿地这种绿色基础设施调蓄地表径流的量，V调为湿地这种绿色基础设施的调洪库容；AGW为流域内湿地这种绿色基础设施的总面积。
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