CN107886444A - 一种城镇化下平原区分布式产流计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,方法步骤包括:S1:采用ArcGIS软件划分子产水单元;S2:采用ArcGIS软件统计每个子产水单元中不同土地利用类型的面积;S3:采用MATLAB软件计算每个子产水单元中不同土地利用类型的产流量。该方法可以简便实现平原区月产流量计算。相对于传统技术方法,可直接通过空间数据(土地利用、子流域边界、行政区边界)实现产流量的计算;并且相对于传统方法,该方法可以分布式计算区域空间产流,而不是整个大区只有一个产流量;并且该方法可以格式化输出各子产水单元计算结果,可以为分布式水文模型直接提供产流结果。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域,尤其涉及一种城镇化下平原区分布式产流计算方法。
背景技术
产流是指降水量扣除损失(植物截留、下渗、填洼和蒸发等)形成的净雨。产流计算是水文计算中重要内容,产水量可以在一定程度上反映区域洪水情势;其也是水文模型中重要的一部分,为汇流模块提供输入。
对于产流计算的方法,常见的有初损常数法、SCS曲线法和SMA法(Soil MoistureAccuting)。对于平原区产流而言,一般根据不同下垫面类型进行分别计算,比如余晓珍(1990)将下垫面分为水面、水田、旱地、非耕地等四种模式 (余晓珍.太湖流域产流计算初步研究.河海大学学报(自然科学版), 1990(6):41-47.)。对于人类活动影响较大的区域,由于下垫面变化剧烈,高俊峰和闻余华(2002)提出了基于不同土地利用类型的产流计算方法,分析了太湖流域整体以及水利分区的产流(高俊峰,闻余华.太湖流域土地利用变化对流域产水量的影响.地理学报,2002,57(2):194-200.)。
现有技术方法多是通过统计资料从整体上来进行产流计算,没有很好地结合区域遥感、降雨等数据。因此,如何基于遥感、地形等空间数据,结合实际雨量站点数据,在区域上分布式计算各子单元的产水量,可以在空间上更精确的计算区域产水量,并且可以有效的为分布式水文模型提供产流输入。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,可简便实现平原区月产流量计算。
一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,方法步骤如下:
S1:采用ArcGIS软件划分子产水单元;
S2:采用ArcGIS软件统计每个子产水单元中不同土地利用类型的面积;
S3:采用MATLAB软件计算每个子产水单元中不同土地利用类型的产流量。
优选地,所述S1中,通过ArcGIS将降雨站点和区域边界进行叠加。
优选地,所述降雨站点通过泰森多边形确认区域的划分,所述区域边界为子流域边界或行政区边界。
优选的,所述S2中土地利用类型包括水面、水田、旱地与非耕地、及城镇建设用地。
优选的,所述S3中MATLAB的计算所需数据包括降雨量数据、土地利用类型数据、系数。
优选的,所述系数包括水面蒸发系数、陆地蒸发系数、水稻需水系数、蒸发量、月降雨日数。
优选的,所述S3中MATLAB的计算结果包括各子产水单元月产水量,各区域、各类土地利用类型年产水量。
本发明提出的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,该方法包括以下具体步骤:
(1)进行子产水单元划分
首先根据雨量站点左边创建点要素,通过ArcGIS 10.3工具Creates Thiessenpolygons创建雨量站点泰森多边形,然后再叠加(Identity工具)子流域(或者其他需要进行统计的矢量数据,如行政区),从而得到子产水单元,并添加属性 Value,值为1、2、3…,并通过矢量转栅格工具(Polygon to Raster)将划分的子产水单元数据转换为栅格数据,Value Field选择子产水单元数据Value字段;
(2)子产流单元各土地利用面积统计
对获取到土地利用数据(栅格数据)进行重分类及编码,其中1、2、3、4 分别表示水面、水田、旱地及城镇用地。然后通过ArcGIS中栅格计算器工具 (Raster Calculator)对子产水单元数据和土地利用数据进行运算,公式为:
A=R*10+LULC (1)
上式中,R代表子产水数据,LULC代表土地利用数据,A代表栅格运算后数据。
将栅格计算后的A数据属性表导出成文本数据(右击A>Open Attribute Table>Export>保存成Text File)。然后再用EXCEL打开导出的文本数据,将Value 属性栏进行计算划分成2栏,第一栏=INT(Value/10),第二栏=Value-第一栏*10(即第一栏表示该产水单元的ID,第二栏表示该产水单元的各土地利用类型),然后通过EXCEL中SUMIFS函数进行匹配,从而可统计出每个产水单元每种土地利用类型的面积。再将匹配后数据格式化保存成文本格式lulc.txt(共7列),其中第一列表示子产水单元ID,第二列表示该子产水单元所属的子流域ID,第三列表示该子产水单元所属的降雨站ID,第四至第七列分别表示该子产水单元土地利用类型1、2、3、4(水面、水田、旱地及城镇用地)的栅格数。
(3)降雨数据准备
将需要计算的典型年的各雨量站降雨数据格式化保存成pcp.txt数据,其中行表示各站点,列分别表示12月份的月均降雨数据。、
(4)产流量计算
对于产流量计算,采用月产流模型方法进行计算,首先分别计算各产水单元内每种土地利用类型产流,然后进行汇总,从而计算总的产流量。
a.水面产流
水面产流为降水量与蒸发量之差,即:
RW=P-CE×E (2)
式中,RW为时段水面产水量;P为时段降水量;CE为蒸发皿折算系数;E 为蒸发量。
b.水田产流
时段水田产水量为:
RR=P-α×CE×E×DP (3)
式中α为水稻需水系数,DP为月内降水日数比例。
c.旱地与非耕地产流
采用蓄满产流模型计算旱地与非耕地产流计算模型,其计算式为:
WMM=WM×(1+B) (5)
当P-EE≤0时,不产流
RD=0 (7)
当P-EE+A<WMM时,
当P-EE+A≥WMM时
RD=P-EE-(WM-WD) (9)
式中,CK为陆面蒸发折算系数;WD为土壤初始含水量;WM为平均蓄水量(土层最大可能缺水量);EE为旱地蒸发量;WMM为蓄水容量曲线的最大值;B为蓄水量曲线指数;RD为旱地与非耕地产水量。
d.城镇建设用地产流
建设用地的透水性差,其产流可以表示为:
RC=CC×P (10)
式中,RC为时段(月)建设用地产水量;CC为城镇径流系数;P为时段(月) 降水量。
e.总产水量计算
各分区的总产流深为各下垫面产流深度乘以相应的面积百分数后相加。可以用下式表达:
RT=RW+RR+RD+RC (11)
式中,RT为分区的总产水量。
(5)产流结果计算及输出
通过上述月产流模型,通过MATLAB编程,从而实现月产流量计算。计算前需要准备数据为降雨量数据pcp.txt,土地利用数据lulc.txt,以及系数文件 CE.txt。其中系数文件各列分别表示12个月份的天数、水面、陆地、蒸发量、降雨日数、水稻需水系数。计算完格式化输出计算结果result.xlsx,结果中包含参数设置结果、各产水单元月产水量结果、各子流域(或行政单元年产水量)、各类土地利用类型年产水量。
本发明中的有益效果:
本发明提出的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,可以简便实现平原区月产流量计算。相对于传统技术方法,可直接通过空间数据(土地利用、子流域边界、行政区边界)实现产流量的计算;并且相对于传统方法,该方法可以分布式计算区域空间产流,而不是整个大区只有一个产流量;并且该方法可以格式化输出各子产水单元计算结果,可以为分布式水文模型直接提供产流结果。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为本发明提出的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法的流程图。
图2为通过降雨站点坐标数据生成降雨站点图层。
图3为通过降雨站点图层生成降雨站点矢量数据。
图4为降雨站点泰森多边形叠加区域边界生成的子产水单元属性表图。
图5为子产水单元矢量转栅格数据设置图。
图6为子产水单元数据与土地利用数据栅格运算图。
图7为土地利用数据输入格式图。
图8为各站点降雨数据输入格式图。
图9为产水量模型系数设置图。
图10为苏州市1991土地利用下1991年降雨条件下产流计算结果输出格式图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例1
以太湖流域年平原水网区苏州区域为例,采用典型年1991年的降雨数据,计算在1991年土地利用条件下苏州区域各子单元的产水量。
(1)子产水单元划分
首先,在Arcgis中添加含苏州辖区26个雨量站点的坐标文件,添加后右击该数据表文件,选择Display XY data,即生成Sheet1$Events图层,见图2;然后,右击该图层》data》Export Data》将该文件输出成shapefile文件,见图3。通过ArcGIS 10.3工具CreatesThiessen polygons创建雨量站点泰森多边形,再叠加(Identity工具)区域分区边界(本例以苏州为例,以常熟市、昆山市、太仓市、张家港市和苏州市辖区分了5个大区),从而得到子产水单元,并添加属性字段idpcp,值为1、2、3…,其属性表,见图4。并通过矢量转栅格工具(Polygon to Raster)将划分的子产水单元数据转换为栅格数据,Value Field选择子产水单元数据字段idpcp,见图5。
(2)子产流单元内各土地利用面积统计
借助遥感影像专业处理软件(ERDAS)对苏州市1991年TM遥感影像进行解译分析,首先对影像进行辐射校正、几何校正、图像拼接、裁剪等预处理工作,然后通过监督分类,提取草地、林地、园地、滩涂、旱地、城镇、水田、水体8 个类别,总体分类精度82.94%,Kappa系数0.78。然后对土地利用数据(栅格数据)进行重分类及编码,其中1、2、3、4分别表示水面、水田、旱地及城镇用地。然后通过ArcGIS中栅格计算器工具(Raster Calculator)对子产水单元数据和土地利用数据进行运算,见图6,从而得到同时包含子产水单元和土地利用信息的栅格图。
将栅格计算后的数据属性表导出成文本数据(右击>Open Attribute Table>Export>保存成Text File)。然后再用EXCEL打开导出的文本数据,将Value 属性栏进行计算划分成2栏,第一栏=INT(Value/10),第二栏=Value-第一栏*10(即第一栏表示该产水单元的ID,第二栏表示该产水单元的各土地利用类型),然后通过EXCEL中SUMIFS函数进行匹配,从而可统计出每个产水单元每种土地利用类型的面积。再将匹配后数据格式化保存成文本格式1991lulc.txt(共7列),其中第一列表示子产水单元ID,第二列表示该子产水单元所属的子流域ID,第三列表示该子产水单元所属的降雨站ID,第四至第七列分别表示该子产水单元土地利用类型1、2、3、4(水面、水田、旱地及城镇用地)的栅格数(分辨率为30米),见图7。
(3)降雨数据准备
将需要计算的典型年的各雨量站降雨数据(见图8)格式化保存成pcp.txt 数据,其中行表示各站点,列分别表示12月份的月均降雨数据。
(4)产流量计算模型
对于产流量计算,采用月产流模型方法进行计算,首先分别计算各产水单元内每种土地利用类型产流,然后进行汇总,从而计算总的产流量。通过MATLAB 编码,实现不同土地利用类型分类产流计算(见实施例2)。
(5)产流结果计算及输出
通过上述产流计算模型,通过MATLAB编程(见实施例2),从而实现不同土地利用类型分类产流计算。计算前需要将计算所需的土地利用数据(如: 1991lulc.txt)、各站点月降雨数据(1991pcp.txt)以及系数文件CE.txt(见图9),存放于程序根目录下。其中系数文件各列分别表示12个月份的天数、水面蒸发、陆地蒸发、蒸发量、降雨日数、水稻需水系数。
在MATLAB中打开产水量计算函数(见实施例2),然后在命令行窗口中输入:wateryield('1991pcp.txt','1991lulc.txt'),即可得到各产水单元的产流计算结果。计算完格式化输出计算结果result.txt,结果中包含5部分,分别为参数设置结果(***parameter setting***)、各产水单元月产水量结果(***monthly water yieldresults***)、各区月产水量(***zonal water yield results***)、区域年产水量 (***Yearly water yield results***)、各土地利用类型年产水量(***Yearly individualLULC water yield results***)。对于苏州市在1991年土地利用条件下、 1991年降雨典型年下,各子产水单元产流结果,见图10。
实施例2
MATLAB计算代码
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,方法步骤如下:
S1:采用ArcGIS软件划分子产水单元;
S2:采用ArcGIS软件统计每个子产水单元中不同土地利用类型的面积;
S3:采用MATLAB软件计算每个子产水单元中不同土地利用类型的产流量。
2.根据权利要求1所述的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,所述S1中,通过ArcGIS将降雨站点和区域边界进行叠加。
3.根据权利要求2所述的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,所述降雨站点通过泰森多边形确认区域的划分,所述区域边界为子流域边界或行政区边界。
4.根据权利要求1所述的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,所述S2中土地利用类型包括水面、水田、旱地与非耕地、及城镇建设用地。
5.根据权利要求1所述的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,所述S3中MATLAB的计算所需数据包括降雨量数据、土地利用类型数据、系数。
6.根据权利要求5所述的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,所述系数包括水面蒸发系数、陆地蒸发系数、水稻需水系数、蒸发量、月降雨日数。
7.根据权利要求1所述的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,所述S3中MATLAB的计算结果包括各子产水单元月产水量,各区域、各类土地利用类型年产水量。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种城镇化下平原区分布式产流计算方法,其特征在于,对于产流量计算,采用月产流模型方法进行计算,首先分别计算各产水单元内每种土地利用类型产流,然后进行汇总,从而计算总的产流量。
a.水面产流:水面产流为降水量与蒸发量之差,即:
RW=P-CE×E
式中,RW为时段水面产水量;P为时段降水量;CE为蒸发皿折算系数;E为蒸发量。
b.水田产流:时段水田产水量为:
RR=P-α×CE×E×DP
式中α为水稻需水系数,DP为月内降水日数比例。
c.旱地与非耕地产流:采用蓄满产流模型计算旱地与非耕地产流计算模型,其计算式为:
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>E</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>K</mi>
</msub>
<mo>&times;</mo>
<mi>E</mi>
<mo>&times;</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>W</mi>
<mi>D</mi>
</msub>
<msub>
<mi>W</mi>
<mi>M</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
WMM=WM×(1+B)
<mrow>
<mi>A</mi>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>W</mi>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mi>M</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&times;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>W</mi>
<mi>D</mi>
</msub>
<msub>
<mi>W</mi>
<mi>M</mi>
</msub>
</mfrac>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mrow>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mi>B</mi>
</mrow>
</mfrac>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中,CK为陆面蒸发折算系数;WD为土壤初始含水量;WM为平均蓄水量(土层最大可能缺水量);EE为旱地蒸发量;WMM为蓄水容量曲线的最大值;B为蓄水量曲线指数;RD为旱地与非耕地产水量。
d.城镇建设用地产流:建设用地的透水性差,其产流可以表示为:
RC=CC×P
式中,RC为时段(月)建设用地产水量;CC为城镇径流系数;P为时段(月)降水量。
e.总产水量计算:各分区的总产流深为各下垫面产流之和:
RT=RW+RR+RD+RC
式中,RT为分区的总产水量。
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