CN107908922A - 分离气候和土地利用变化对径流影响的方法及径流预估方法 - Google Patents
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Abstract
一种分离气候和土地利用变化对径流影响的方法及径流预估方法，属于水文研究领域。分离气候和土地利用变化对径流影响的方法包括：评价第一影响因素对径流的影响贡献时，考虑第二影响因素在基准期和评价期对径流的影响贡献，将所述基准期的输出值和所述评价期的输出值计算获得的算数平均值作为所述第一影响因素对径流的单独影响贡献值，其中，所述第一影响因素包括气候变化，所述第二影响因素包括土地利用变化。本发明提供的分离方法可以使得气候和土地利用对流域水文过程的作用方式认识更加深刻，从而可以更好地指导人类活动。
Description
技术领域
本发明涉及水文研究领域，具体而言，涉及一种分离气候和土地利用变化对径流影响的方法及径流预估方法。
背景技术
自然演进和人类活动共同驱动全球变化。全球变化背景下，流域水文循环和区域水资源演变的过程规律正在发生深刻变化。气候变化(气温、降水等要素的改变)可致流域产汇流过程和河川径流量发生变化；人类活动则通过对陆地表面的改造，影响水文循环；上述过程可能发生在各种时空尺度，且因二者之间相互交叠而显得异常复杂。一般而言，土地利用/覆被变化的程度间接反映了人类活动的强弱，通过分布式水文模型分别模拟气候输入不变，土地利用发生变化和土地利用不变，气候输入变化两种情景，有助于定量区分气候变化和人类活动对水文过程的各自影响。
已知的气候变化和人类活动对流域水文过程的影响是建立在两者相互独立的假说之上的。然而驱动水文过程的气候因子的波动又受人类活动影响，哪部分是人类活动导致的，哪部分是气候本身的波动，很难区分。另外，人类活动对水文过程的影响十分复杂，既包括对下垫面的直接改造，也包括通过改变社会经济结构等对水文过程的间接影响。上述因素紧密耦合，无法一一区分量化。气候变化和人类活动对水文过程影响的甄别，或者说，如何从水文响应中区分两者的驱动贡献，依然是流域水文研究面临的难题。
发明内容
有鉴于现有技术中的不足，本发明提出了一种分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，通过将两者影响因素对径流的影响进行分离，可以获得对径流影响因素——气候和土地利用——作用方式更深刻的认识，为实现流域可持续发展和水资源管理提供理论依据，以便对人类活动进行可预见性的控制，使得流域水资源和生态环境的和谐共生。另外，根据以上方法还可对人类活动对径流的影响预估方法，以指导实现实际生产工作。
本发明是这样实现的：
在本发明的第一方面，提供了一种分离气候和土地利用变化对径流影响的方法。
分离气候和土地利用变化对径流影响的方法利用水文模型计算分离气候和土地利用变化对径流影响贡献值。
分离气候和土地利用变化对径流影响的方法包括：评价第一影响因素对径流的影响贡献时，考虑第二影响因素在基准期和评价期对径流的影响贡献，将基准期的输出值和评价期的输出值计算获得的算数平均值作为第一影响因素对径流的单独影响贡献值，其中，第一影响因素包括气候变化、土地利用变化中的一者，对应地第二影响因素包括气候变化、土地利用变化中的另一者。
在本发明的第二方面，提供了一种径流预估方法。径流预估方法采用前述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，对气候和土地利用对流域水文过程的作用方式进行识别。
上述方案的有益效果：
利用基于参数率定校准后的流域水文模型通过不同历史情境设置建立统计模型来分析气候与土地利用变化对径流影响的方法，基于水文模型输出的各情境径流序列，即在分离某一要素(如气候变化)对径流的影响时，兼顾基准期和评价期另一要素(土地利用)对应的径流响应，并以前后两期模型输出值的均值，作为该要素的单独影响，从而达到分离气候和土地利用变化对径流影响的目的，认识气候和土地利用对流域水文过程的作用方式，实现流域水土资源和谐开发利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为气候与土地利用变化对水文过程影响分离示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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，都属于本发明保护的范围。
本发明涉及气候和土地利用变化敏感区域水文过程响应分析。由于气候变化和人类活动对水文过程的影响相互交叠，水文过程对气候和土地利用变化的响应复杂，因此，在实践操作中通过过滤最新的基于分布式水文模型计算气候和土地利用变化对水文过程影响的研究，发现二者的单独贡献不能完全剥离，即土地利用与气候变化对水文过程的贡献率的和并不等于1。
发明人实践发现，究其原因主要是在评价某一因素(如气候变化)对水文过程的影响的贡献时，假定另一要素(土地利用)从基准期到评价期不发生变化，整个期间，该要素对水文过程的贡献为0。然后，在实际上，就评价期和基准期而言，相对于考察要素，另一要素变化及其影响是存在的。如，进行气候变化对河川径流影响的贡献分离时，仅以评价期土地利用为输入，基准期土地利用的影响被忽略，由此导致各影响因素贡献率之和不为1的结果。
在以上认识的基础上，发明人创设性地提出了一种分离气候和土地利用变化对流域径流影响的方法，使得独立地考察气候变化对流域径流影响，以及独立地考察土地利用变化对流域径流影响成分可能。
本发明中的一些主要名词释义：
参数率定：先假定一组参数,代入模型得到计算结果,然后把计算结果与实测数据进行比较。若计算值与实测值相差不大,则把此时的参数作为模型的参数；若计算值与实测值相差较大,则调整参数代入模型重新计算，再进行比较。通过重复以上过程，直到计算值与实测值的误差满足一定的范围。
土地覆被：覆盖地表的自然营造物和人工营造物的综合体。
土地利用：人类为追求一定的土地基本功能实现,而按一定的利用方式对土地施加作用与影响的行为。
水文模型：用模拟方法将复杂的水文现象和过程经概化所给出的近似的科学模型。
水文现象：自然水的运动变化和存在状态的现象。表现形式：降雨，入渗，径流，蒸发等。
水文过程：水文要素在时间上持续变化或周期变化的动态过程。水文过程就是水圈内部水分状态的转化、运动过程。
下垫面：大气与其下界的固态地面或液态水面的分界面，是大气的主要热源和水汽源，也是低层大气运动的边界面。或者，下垫面也可以是地球表面的特征，如海陆分布、地形起伏和地表粗糙度、植被、土壤湿度、雪被面积等等。下垫面的性质对大气物理状态与化学组成的影响很大。
以下将对本发明提出的径流影响因素的分离方法进行更详细的阐述。
分离气候和土地利用变化对径流影响的方法主要利用水文模型计算来分离气候和土地利用变化对径流影响贡献值。
分离气候和土地利用变化对径流影响的方法包括：评价第一影响因素对径流的影响贡献时，考虑第二影响因素在基准期和评价期对径流的影响贡献，将基准期的输出值和评价期的输出值计算获得的算数平均值作为第一影响因素对径流的单独影响贡献值，其中，所述第一影响因素包括气候变化、土地利用变化中的一者，对应地包括气候变化、土地利用变化中的另一者。例如，第一影响因素是气候变化时，第二影响因素是土地利用变化；第二影响因素是气候变化时，第一影响因素是土地利用变化。在一些更详细的阐述中，本发明提出的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法主要包括流域水文模型的选择、地面观测数据的选择、流域水文模型的建立及情景设置、统计分离方法、分离后验证。
气候变化包括气温、降水等。通常地，土地利用变化和土地覆被具有一定的相互关联性和相似性，因此，在本发明的大部分示例中，第二影响因素包括土地覆被。
基于技术实现的考量，本发明中采用的水文模型为水文数学模型。然后，应当认识到，在一些条件下，也可采用水文数学模型结合水文物理模型来进行研究。水文物理模型是具有原型(研究对象)主要物理性质的模型，如在实验室中将一个流域按相似原理缩小，或将原土样搬到实验室所做的实验等。
水文数学模型是遵循数学表达式相似的原理来描述水文现象物理过程的模型。如水文数学模型用一个与研究对象的物理本质具有相同数学表达式的方程式表示汇流，从而描述出实际汇流的物理过程。
水文数学模型可以采用各种发明人已知的模型，或者根据实际的情况进行创设并使用。以下以示例而非穷举的方式列出了一些可替代的水文数学模型：BASINS流域模型系统、SWIM水文模型、VIC水文模型、DHSVM水文模型、TOPMEDEL水文模型、LTHIA水文模型、SWMM水文模型、HBV水文模型。
在一些具体的可选示例中，不同影响因素对径流变化的影响贡献值可通过以下方式来实现计算。其结合了流域水文模型的选择、地面观测数据的选择、流域水文模型的建立及情景设置、统计分离方法、分离后验证等步骤。
步骤一、流域水文模型的选择：选择具有水文物理意义的分布式或者半分布式流域水文模型，且模型考虑了气候变化输入和下垫面变化情景输入。
步骤二、地面观测数据的选择：选择水文要素可控制的闭合流域，且流域出口断面有长期观测径流；流域内部或周边有长期气象观测资料，并有多期的土地利用调查数据，时间序列资料经过可靠性和一致性检验。
步骤三、研究时段的选择：径流数据进行突变点分析，将长时间序列划分为基准期和评价期。
步骤四、流域水文模型的建立：根据水文模型的输入数据要求和观测数据的时段设置，建立模型。优选地，在步骤四中，建立模型后，进行参数率定和验证。进行参数率定和验证，可确保水文模型输出结果的精度和质量。
步骤五、统计分离方法：在分离气候变化对径流的影响时，土地利用情景L1对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC1，土地利用情景L2对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC2，采用ΔQC1和ΔQC2的算术平均值作为气候变化对径流的影响值ΔQC；在分离土地利用变化对径流的影响时，气候情景C1对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL1，气候情景C2对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL2，采用ΔQL1和ΔQL2的算术平均值为土地利用对径流的影响值ΔQL；
其中，当土地利用变化(ΔL)越小时，ΔQC1与ΔQC2越接近。因此我们采用ΔQC1和ΔQC2的算术平均值作为气候变化对径流的影响值。当气候变化(ΔC)越小时，ΔQL1与ΔQL2越接近。因此我们采用ΔQL1和ΔQL2的算术平均值为土地利用对径流的影响值。
进一步地，在不同时间内，各个考察因素，以及对应水文要素值采取如下计算值被获得。
在基准期，气候为C1，土地利用为L1，对应的径流值为
在基准期，气候为C1，土地利用为L2，对应的径流值为
在评价期，气候为C2，土地利用为L1，对应的径流值为
在评价期，气候为C2，土地利用为L2，对应的径流值为
其中，
其中，
更进一步地，在步骤五之后进行的步骤六。步骤六是分离后的验证步骤。分离后验证：分离后的径流影响值ΔQC和ΔQL与基准期、评价期总的径流总变化量ΔQ进行验证，考察ΔQC、ΔQL、ΔQ是否满足
本发明中，径流影响值、水文要素值均指的是径流量，也可指其他的水文要素，如蒸发，土壤水分等。
基于本发明提出方法，对考察区域内的水文过程的作用方式进行研究和识别，可以更好根据当地的气候变化和土地利用对径流的影响，以便更好地根据气候变化和土地利用调节人类活动。
以下结合图1和表1进行更详尽的说明。
实施例1
一种分离气候变化和土地利用对径流影响的方法。
a、流域水文模型的选择：选择具有水文物理意义的分布式或者半分布式流域水文模型，要求选择的模型考虑了气候变化输入和下垫面变化情景输入(如SWAT,VIC等)。
b、地面观测数据的选择：选择水文要素可控制的闭合流域，且流域出口断面有长期观测径流；流域内部或周边有长期气象观测资料，并有多期的土地利用调查数据，时间序列资料必须经过可靠性和一致性检验。
c、研究时段的选择：径流数据进行突变点分析，将长时间序列划分为前一时期(基准期)和后一时期(影响期)；
d、流域水文模型的建立和情景假设：根据所选模型的输入数据要求和观测数据的时段设置，建立模型并进行参数率定和验证，保证模型输出结果的精度和质量，并对两个时段的土地利用和气候情景两两组合建立4种情景：C1和L1分别表示基准期的气候和土地利用状况，C2和L2分别表示影响期的气候和土地利用情景。
4种情景如下。A：气候为C1，土地利用为L1，对应的径流值为B：气候为C1，土地利用为L2，对应的径流值为C：气候为C2，土地利用为L1，对应的径流值为D：气候为C2，土地利用为L2，对应的径流值为
e、统计分离方法：
如图1所示，(a)气候变化，(b)土地利用。其中，C1,C2,L1和L2分别表示不同的气候和土地利用情景。ΔC和ΔL分别表示时段内气候和土地利用的变化量。A、B、C、D四点的径流值分别为
在分离气候变化对水文过程的影响时，土地利用情景L1对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC1，土地利用情景L2对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC2。当土地利用变化(ΔL)越小时，ΔQC1与ΔQC2越接近。因此我们采用ΔQC1和ΔQC2的算术平均值为气候变化对水文要素的贡献值(ΔQC):
在进行土地利用变化对水文要素影响的分离时，气候情景C1对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL1，气候情景L1对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL2。当气候变化(ΔC)越小时，ΔQL1与ΔQL2越接近。因此我们采用ΔQL1与ΔQL2的算术平均值为土地利用对水文要素的贡献值(ΔQL):
f、分离后验证：径流总的变化量(ΔQ)为气候变化和土地利用变化对水文要素的贡献值的总和。同时也等于水文要素基准期和评价期的差值，即:
本次实例选择在黑河干流上游山区莺落峡水文站所控制的流域进行，结果如表1所示。
表1分离结果表
结果显示出山径流不同气候变化和土地利用情景下的状况。与A情景相比，出山径流与土地利用变化在D情景增加了5.6mm。因此，从上世纪80年代以来气候和土地利用变化对出山径流的综合影响是显而易见的，幅度占径流总量的3.2％。土地利用减少径流约0.4mm，占径流量变化的7.3％。气候变化使黑河干流出山径流增加了约6mm，从而约占总径流变化的107.3％。结果表明，气候因素对径流的影响已远远超过了土地利用变化的影响。同时，气候变化所导致的径流增加远远抵消了土地利用变化所引起的出山径流的下降，总体表现为出山径流增加。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，所述方法利用水文模型计算、分离气候和土地利用变化对径流影响贡献值，所述方法包括：
计算第一影响因素对径流的影响贡献时，考虑第二影响因素在基准期和评价期对径流的影响贡献，将所述基准期的输出值和所述评价期的输出值计算获得的算数平均值作为所述第一影响因素对径流的单独影响贡献值，其中，所述第一影响因素包括气候变化、土地利用变化中的一者，对应地第二影响因素包括气候变化、土地利用变化中的另一者。
2.根据权利要求1所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，所述气候变化包括气温、降水，优选地，所述第二影响因素包括土地覆被。
3.根据权利要求1所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，所述水文模型为水文数学模型，优选地，所述水文数学模型包括BASINS流域模型系统、SWIM水文模型、VIC水文模型、DHSVM水文模型、TOPMEDEL水文模型、LTHIA水文模型、SWAT水文模型、SWMM水文模型、HBV水文模型中的任一者。
4.根据权利要求1所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，采用统计分离方法计算第一影响因素对径流的影响贡献；
计算方法如下：
第一影响因素为气候变化，在分离气候变化对径流的影响时，土地利用情景L1对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC1，土地利用情景L2对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC2，采用ΔQC1和ΔQC2的算术平均值作为气候变化对径流的影响值ΔQC，
5.根据权利要求1或4所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，采用统计分离方法计算第一影响因素对径流的影响贡献；
计算方法如下：
第一影响因素为土地利用变化，在分离土地利用变化对径流的影响时，气候情景C1对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL1，气候情景C2对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL2，采用ΔQL1和ΔQL2的算术平均值为土地利用对径流的影响值ΔQL，
6.根据权利要求1所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、流域水文模型的选择：选择具有水文物理意义的分布式或者半分布式流域水文模型，且模型考虑了气候变化输入和下垫面变化情景输入；
步骤二、地面观测数据的选择：选择水文要素可控制的闭合流域，且流域出口断面有长期观测径流；流域内部或周边有长期气象观测资料，并有多期的土地利用调查数据，时间序列资料经过可靠性和一致性检验；
步骤三、研究时段的选择：径流数据进行突变点分析，将长时间序列划分为基准期和评价期；
步骤四、流域水文模型的建立：根据所述水文模型的输入数据要求和观测数据的时段设置，建立模型；
步骤五、统计分离方法：在分离气候变化对径流的影响时，土地利用情景L1对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC1，土地利用情景L2对应的气候变化为ΔC时的水文要素值为ΔQC2，采用ΔQC1和ΔQC2的算术平均值作为气候变化对径流的影响值ΔQC；在分离土地利用变化对径流的影响时，气候情景C1对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL1，气候情景C2对应的土地利用变化为ΔL时的水文要素值为ΔQL2，采用ΔQL1和ΔQL2的算术平均值为土地利用对径流的影响值ΔQL；
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7.根据权利要求6所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，
在基准期，气候为C1，土地利用为L1，对应的径流值为
在基准期，气候为C1，土地利用为L2，对应的径流值为
在评价期，气候为C2，土地利用为L1，对应的径流值为
在评价期，气候为C2，土地利用为L2，对应的径流值为
其中，
其中，
8.根据权利要求6所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，在步骤四中，建立模型后，进行参数率定和验证。
9.根据权利要求6所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤五之后进行的步骤六；
步骤六、分离后验证：分离后的径流影响值ΔQC和ΔQL与基准期、评价期总的径流总变化量ΔQ进行验证，考察ΔQC、ΔQL、ΔQ是否满足
10.一种径流预估方法，其特征在于，采用如权利要求1～9中任一项所述的分离气候和土地利用变化对径流影响的方法对气候和土地利用对流域水文过程的作用方式进行识别。
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