CN108154270A - 中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法，以华南台风暴雨多发地区袂花江上游流域为研究区，分析气候变化和土地利用覆被变化条件下的流域洪水特征及其对变化环境的响应；首先建立研究区自然地理数据集，其次结合历史场次洪水资料，然后开展野外观测试验，结合历史观测数据，确定关键产汇流参数与环境因素的关系，探讨其在变化环境下的暴雨洪水产流机理；分析气候变化和土地利用覆被变化对台风暴雨地区洪水特征的影响；以期为华南台风暴雨地区中小流域洪水灾害预防和治理、未来时期的土地利用优化方案提供科学依据和基础支持。

Description

中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法
技术领域
本发明涉及地质灾害研究技术领域，具体是中小流域洪水特征对变化环境的响应模型 构建方法。
背景技术
全球环境变化产生的水文效应已经成为国际热点，近年来台风强度和频次增加引发的 中小流域山洪灾害形势严峻。
一、国际前沿问题。变化环境的水文效应受到国际普遍关注。全球变化既包含气候变 化与人类活动造成的环境变化，其中气候变化导致的降水变化和人类活动导致的土地利用 覆被变化产生的水文效应已经成为全球关注的热点问题。世界气象组织(WMO)、联合国 科教文组织(UNESCO)、联合国环境规划署(UNEP)、联合国发展署(UNDP)和国际水文科学协会(IAHS)等陆续实施了一系列国际水科学方面的合作发明或研究计划，如：政府间气候变化专门委员会(IPCC)、世界气候研究计划(WCRP)、国际地球生物圈计划(IGBP)、国际水文计划(IHP)和全球水系统计划(GWSP)等。均将变化环境的水文效应列为重要研究内容之一。
二、国家与区域发展重要需求。中小流域洪水灾害风险加大，中小河流治理势在必行。受全球气候变化和人类活动影响，近年来，我国极端水灾害事件呈突发、频发、并发、重发趋势，尤其是中小河流(流域面积100～1000km2)水灾害损失极为严重。据统计，一般年份中小河流的水灾害损失占全国水灾害总损失的70%～80%，近10年水灾造成的人员伤亡有2/3以上发生在中小河流(水利部水文局，2010)。受未来台风增强影响，华南台风暴雨地区洪水风险增加。气候变化对我国台风暴雨影响的相关研究表明：中国汛期降水呈现频率增多的趋势。南方的大雨日数将有所增加。最为重要的是，生成影响中国的台风数目将有所增加。这就预示着在未来，南方台风暴雨来得更频繁，大暴雨持续时间更长。受台风影响，华南和华东的台风降水强度和面雨量增加，降水的增加直接增加山洪灾害发生的风险。
三、典型研究区：袂花江上游流域，人类活动剧烈，台风暴雨导致洪水灾害频发，造成严重的社会经济损失。研究区位于广东省西部沿海地区，西与雷州半岛交界，南临南海，是广东省环北部湾经济区与中国--东盟自由贸易区，已成为广东经济增长极之一。受东亚季风和西南季风的影响，粤西地区是华南台风暴雨频发区，该地区河流流域面积小，暴雨常可覆盖整个流域，洪涝灾害历来严重。该区域41％-70％的洪涝皆由台风暴雨造成。其中，袂花江(新河以上流域面积649km2)发源于云雾山鹅凰嶂南坡，是广东省三大暴雨中心区之一；据广东省山区水资源调查，鹅凰嶂多年平均降水量为2700mm，且主要是受后汛期台风带来的暴雨影响，袂花江上游1958～2013年间出现超当地警戒水位63次的暴雨洪水中41次为台风暴雨造成，占65％；2013年8月14日受“尤特”影响，上游利垌站3小时雨量 达301mm，24小时雨量610mm，袂花江出现了接近50年一遇的洪水。台风暴雨占该区域后 汛期降水量的85％以上。该流域于粤西电白县境内，是电白县的“母亲河”，电白茂港等 地主要粮食产地之一，20世纪80年代末90年代初，该区域开展大规模荒山造林活动，种 植果树(荔枝、龙眼等)；同时流域自上世纪50、60年代以来开始修建水库、拦河坝、引 水工程，现已建成的有罗坑、黄沙等大中型及小型水库(蓄水工程)。2010年11号台风“凡 亚比”带来暴雨超过200年一遇，电白县发生洪涝灾害有8个镇、39个村委会、132条自 然村，受灾人口40万人，因灾转移群众34860人，直接经济损失共5.27亿元。在气候变 化和剧烈人类活动的影响下，华南台风暴雨地区中小流域洪水特性对变化环境的响应机理 复杂。
四、国内外研究现状。目前的研究结果表明：较长时间尺度上，气候变化对水文 源的影响更加明显，但短期内，LUCC是水文变化的主要驱动要素之一。针对流域尺LUCC水文效应研究日趋活跃，但因研究尺度、区域位置、气象条件、研究对象等方面的差 异性，使LUCC水文效应研究得出了不同的结论和认识。
(1)研究内容方面进展。
洪水是极端水文现象，洪水灾害的发生发展受气候、水文、下垫面和人类活动等众多 要素的作用、牵引和制约。暴雨的时空分布、强度、历时是重要的气候因素，下垫面特征对降雨在陆地表面再分配起重要的作用(史培军等，2001)。
土地利用/覆被变化(Land Use/Land Cover Change，LUCC)对水文循环过程产生深刻 影响(李秀彬，1996)。洪水作为水文循环的极端事件，土地利用覆被变化对其时空演变特 征及强度等产生显著影响。林地退化等土地利用变化是90年代北美和欧洲洪涝事件发生 的重要原因，同时增加了捷克斯洛伐克和意大利的洪水发生频率(Brath，2006)；国内学 者对长江(Yin andLi，2001；Ye and Zhang，2013)黄河(Lan and Zhang，2013)海河(Wangand Shao，2013)珠江(陈晓宏，王兆礼，2010；林凯荣，何艳虎，2012；杨宏伟，许崇育，2011) 东北嫩江(Zhang and Guan，2011)西辽河(Yang and Ren，2012)和西北内陆河(Jiang and Zhu，2005)等流域土地利用变化的水文效应研究表明，土地利用变化对洪水发生频率及特 征均有重要影响。
LUCC主要通过影响流域暴雨产-汇流过程和河道行洪过程，对流域洪水过程产生影响。 一般而言，提高流域植被覆盖一方面能够增大首场暴雨事件过程中的冠层截留量，此外能 够改变流域土壤理化特性，增大地表粗糙度、土壤下渗能力和土壤透水性，有利于暴雨过 程中地表水-土壤水-地下水的转换，减缓暴雨坡面产-汇流流速，减少暴雨事件直接产 流量，能够降低流域暴雨径流洪峰流量和延长暴雨坡面产-汇流历时。但在森林-土壤系 统被前期降雨充分润湿的情况下，紧接着的暴雨可引起洪峰流量的快速增加(钟祥浩，程 根伟，2001)；反之，当流域植被覆盖被破坏后，暴雨产流量将显著增加，导致洪峰流量增大、洪峰水位升高和传播时间延长，导致流域洪涝事件加剧如长江流域森林过度采伐、植被破坏严重等下垫面条件改变是导致1998年长江流域出现“中水量、高水位、大 洪涝的重要原因之一(熊明，许全喜，2010)。流域植被条件对于暴雨洪水消减作用具 定限度，对于后续暴雨洪水消减作用较弱，甚至可能加剧暴雨洪水事件(赵文武，傅伯杰， 2004)。此外，受到研究区域地形地貌条件、区域气候条件的差异的影响，流域植被条件 对于暴雨洪水的影响也存在一定的差别，如我国河西走廊马营河流域上游林、草地被大面 积开垦后，流域最大洪峰流量却减少35.77％(王根绪，张钰，2005)。
LUCC还将显著改变河道行洪过程和水体滞洪能力，进而对流域洪涝事件产生显著影 响。相对于植被覆盖率较高的流域，无植被覆盖流域水土流失更为严重，将导致流域次暴 雨产沙模数增大(方海燕，蔡强国，2009)，河流含沙量迅速增加，河流水沙条件变异造成自然河道萎缩、主河槽床面淤积，抬升洪水水位起涨基准点、洪水水位抬高、洪水水位涨 率增大，降低了河道排洪能力，加剧流域洪涝事件。相关研究结果表明，长江上游地区植 被条件退化，土壤侵蚀、流失是导致长江中游地区洪涝事件日益频繁的主要原因之一(YinandLi，2001)；而汶川地震后植被覆盖率下降也是加剧岷江上游山洪的重要条件(丁海容，李勇，2013)。
气候变化对水文要素变异的影响主要通过降水和蒸发(水汽循环、气温和湿度等通过 影响降水、蒸发间接影响水文要素的变化由降水、蒸发一并反映；此外，气温、湿度等对 需水尤其是灌溉需水也有一定的直接影响，但其影响相比降水和蒸发对需水的影响要小得 多)的变异来实现，而人类活动的影响则主要体现在下垫面土地利用/覆被变化以及取水用 水的变化上，并通过径流及其表现形式的变化来实现(陈晓宏，涂新军，2010)。气候变化 及其对水文水资源的影响方面的研究成果很多(郭生练，1995；刘昌明，张学成，2004；王浩，贾仰文，2005；王国庆，张建云，2006；Christensen，2003)。
(2)研究方法进展。
目前，有关变化环境的水文效应研究方法主要有四种：①试验流域法，该方法有利于 揭示植被-土壤-大气相互作用的机理，但试验周期较长，通常在小流域进行(穆兴民，王文龙，1999；赵文武，傅伯杰，2004；刘士余，孙阁，2012)。②特征变量时间序列法， 特征变量时间序列法是选择较长时段上反映LUCC水文效应的特征参数，尽量剔除其 素的作用，从特征参数的演化趋势上，评估LUCC的水文效应(史培军，袁艺，2001； 娟，王晓利，2013；陈晓宏，王兆礼，2010)。③水文模型法，试验流域法和特征变量时 间序列法的局限性可以部分地借助室内模拟实验和数学模型模拟的手段来克服。然而，目 前利用流域水文模型模拟LUCC水文效应的研究仍处在起步阶段(Isik，2013；郭军庭，张 志强，2014；史晓亮，杨志勇，2014)。④综合法，鉴于单一方法的局限性，近年来出现 了LUCC水文效应研究的多种综合方法。综合法能够弥补上述几种方法的不足，较好地模 拟LUCC的水文效应，但操作相对比较复杂。多种综合方法越来越多地应用在下垫面变化 的水文效应研究中，而“原型观测+数值模拟”的研究方法可能会成为一个发展趋势(邢子 强，严登华，2014)。
(3)华南珠江流域相关研究。
华南地区珠江流域相关研究主要集中在对水文变异分析(张强，崔瑛2012；杨涛，陈 永勤，2009)、气候变化和人类活动(土地利用覆被变化)对水文水资源的影响、贡献率分离(杨宏伟，许崇育，2011；林凯荣，何艳虎2012)、年径流极值及年内分配等方面。研究 表明，东江流域受气候变化和人类活动的影响，径流量在增加，且降水是该区域径流改变 的主要驱动因子(林凯荣，何艳虎2012)，但变化环境下东江流域径流极值朝着有利于流域 水资源开发利用的方向变化(陈晓宏，王兆礼，2010)；受华南地区近年来降水增加的影响， 西江流域洪水受灾面积大大超过以往；植被的减少使得北江径流增加，剧烈的人类活动使 得其径流发生突变。另外涂新军，陈晓宏(2011)对广东省河川径流量时空变异特征及成因 进行了分析。
华南台风暴雨地区具有降水强度大，变化范围宽，植被覆盖度高的特点，加之气候变 化和剧烈人类活动的影响，华南台风暴雨地区洪水过程更为复杂；当前在华南地区开展的 变化环境下水文效应的研究有对较大流域尺度水文要素变异分析、气候变化和土地利用覆 被变化对径流过程的影响、在时间尺度上主要有长时间年序列、月、日水文要素变化过程； 而对中小流域次洪过程及洪水特征的研究有待进一步开展。
(4)袂花江流域相关研究进展。
在袂花江流域，现存研究主要是在流水资源评价、水质评价预测等方面，黄燕( 在分析袂花江流域水资源现状的基础上，运用模糊模型对其缺水类型进行分析和评价；陈 子建(2010)对袂花江(吴川段)水质进行了评价，并对其变化趋势进行预测，分析袂花江的 月份和年度的超标和污染变化情况。而对袂花江上游暴雨洪水特征及变化环境对其影响的分析，尚未有相关研究见诸报道。而该流域人类活动剧烈，地处东亚季风和西南季风的交界处，是台风暴雨典型区，洪水灾害频发，造成严重的社会经济损失。所以选取袂花江上 游流域作为研究对象具有典型性。
发明内容
本发明的目的在于提供中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法，以解决上 述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法，包括以下步骤：
一、时间序列分析：建立袂花江上游水文气象数据集；采用时间序列分析方法分析研 究区降水、径流水文气象要素的时空格局变化特征，判断降水、径流变化突变点及趋势；包括：
1)突变分析：采用Mann-Kendall法检验研究区实测流量的变化趋势；
2)年际变化趋势：采用Kenda]l秩次相关法对研究区的降水和径流变化趋势进行分 析；Kendall法中的统计量τ、方差στ 2和标准化变量M的计算式分别为：
式中：p为研究序列所有的观测值(xi，xj，i＜j)中xi＜xj出现的次数；N为研 究系列的长度；在Kendall秩次相关分析中，取显著水平α＝0.05，则Kendall标准化变 量M相应的检验临界值Mα＝1.96；如果M＞Mα，且M＞0，则表示研究序列有明显的增加趋 势；相反，若M＜0，则序列有明显的减小趋势；
二、土地利用变化模型：应用GIS技术，采用研究区三期土地利用数据，分析 的时空格局特征；
三、降水控制条件下降水，进行入渗野外试验；根据研究的需求，在袂花江流域野外 实地调研的基础上，选定袂花江流域上游新河站附近为试验场地，进行人工降雨入渗产流 试验；试验内容：产流期内的土壤入渗强度，一般随着流域下垫面条件(土壤、土质、植被覆盖)，土壤前期含水量，产流历时，降雨强度，地形坡度而变化，需要研究各影响因 子对于入渗产流的影响，分析降雨入渗产流机理。
作为本发明进一步的方案：主要采用的土地利用变化模型有以下几个：
1)土地利用动态度：土地利用动态度能够刻画一定时段内土地利用类型的数量变化 情况，可以分为单一土地用类型动态度和综合土地利用类型动态度，公式如下：
式中：Ki为研究时段内第i类土地利用类型的动态度，Uia、Uib分别为第i类土地利用类型期初和期末的面积；LC是研究时段内的综合土地利用类型动态度，LUi为研究时段开始时第i类土地利用类型面积，ΔLUi-j是研究时段内第i类土地利用类型转为非i 类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时段长度；
2)土地利用程度综合指数及其变化模型：土地利用程度综合指数能够揭示土地利用的 广度和深度；其一方面可反映特定时期的土地利用程度和人类的干扰程度；另一方面通过 不同时期该指数的变化可反映区域土地利用程度的变化，从而也可用于判定区域土地利用 的发展期、调整期或衰退期，差值＞0是发展期，否则为调整期或衰退期；
式中：Lj是某区域土地利用程度综合指数，Ai为区域内第i级土地利用程度手 数，Ci为区域内第i级土地利用程度分级面积比重，n为土地利用程度分级指数，La分别是时间b和a区域土地利用程度的综合指数；
3)土地利用变化方向模型
土地利用变化类型是对某一时段土地利用变化图斑变化方向的判定，在GIS软件中将 空间数据的叠加分析和属性数据的字段运算相互结合，即可实现对土地利用变化图斑变化 方向的判定，当土地利用分类数量少于10时，字段运算的公式如下：
CodeCh＝CodeT1×10+CodeT2
式中：CodeCh是土地利用变化类型的代码，CodeT1、CodeT2分别是T1(期初)、T2(期末)的土地利用类型代码；利用ArcGIS软件中属性信息的统计分析功能，根据CodeCh 字段对面积信息进行统计汇总，即得到研究时段内的土地利用类型面积转移数据，进而可 以计算出以面积转移比重作为状态概率的土地利用变化转移概率矩阵，用于系统地分析研究期内土地利用变化的方向和规模，转移概率矩阵的数学表达式为：
其中
式中：Pij为期初至期末由类型i转化为类型j的概率，Ci-j表示期初至期末由类型i转化为类型j的面积，LUi为期初i类土地利用类型的面积，n为土地利用类型的数目。
作为本发明进一步的方案：实验内容包括：〔1)不同雨强下的入渗产流规律：雨强是影响入渗强度的主要因素，保证同样的土壤类型和植被覆盖条件、土壤前期含水量、地形坡度相同的情况下，对比不同雨强下产流期平均入渗产流变化规律；设计5档降雨雨强，根据试验前期标定的雨强结果，实际选用的6档雨强分别为：0.5、1.0、1.8、2.5、3.2、4.0mm/min；分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、 土壤含水率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰 度)、退水体积、入渗强度历时曲线；
(2)不同下垫面之间的入渗产流规律：下垫面条件(主要指土壤类型、植被覆盖)是影响降雨入渗强度的另一个重要因素，根据袂花江流域内主要的下垫面类型；在保持降雨强度、土壤前期含水量、地形坡度相同的情况下，分析不同下垫面条件下的降雨入渗产流规律的变化，分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、土壤含水率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水体积、入渗强度历时曲线，需要特别分析的是最大入渗率和稳定入渗率的差异；气候和下垫面变化对游袂花江流域径流的影响研究；
(3)不同的土壤前期含水量对于入渗产流的影响：土壤前期含水量对于降雨入渗产 流的影响也较明显，设置三种不同的土壤前期含水量：干旱、半湿润、湿润，用土壤水分测定仪对前期土壤含水量进行测定；设定同一雨强进行降雨径流试验，分析三种不同土壤含水量下降雨产流的变化情况，分析的有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入 渗率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退 水体积、入渗强度历时曲线；
(4)不同植被覆盖度对于入渗产流的影响：野外植被覆盖度的测量采用“照相法”测定；北京师范大学地理学与遥感科学学院自主研发了照相法植被覆盖度动态监测系统，该软件可以快速、准确的测定植被覆盖度；试验中，对于本身植被覆盖度存在稀疏、中等、稠密的草地而言，稍微修剪达到试验所需的覆盖度值，而对于稠密草地而言，采用“网格 等分法”修剪同一块稠草地的不同植被覆盖度等级，从而达到所需的植被覆盖度等级；试 验中，拟定采用30％、60％和100％(稠密草地天然状态近似为100％)三档植被覆盖度，分 别测定不同植被覆盖度等级条件下的降雨入渗产流规律，试验中测定发明与其他条件相 同；
(5)不同坡度对于入渗产流的影响：在同一土壤类型下，设置3种坡度：5°、15°、25°，保证相同的降雨强度、土壤前期含水量，进行三种不同坡度下的降雨入渗产流规律，分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、土壤含水 湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水 入渗强度历时曲线。
作为本发明进一步的方案：借助中国科学院地理科学与资源研究所研制的小型人工模 拟降雨器，开展野外人工控制降水的降水-径流过程观测，系统监测降水与坡面径流、壤 中流之间的水量转换过程；观测不同植被覆盖下的降水截留、降水入渗、土壤水分衰减等 关键产流过程；采用物理成因与统计分析相结合的方法，分析“降水-土壤水分-坡面径流” 的转换关系及主要影响因子；结合流域尺度历史观测数据和多种时间序列分析方法，从产 汇流过程出发，辨识华南台风暴雨地区土地利用覆被及降水强度变化对洪水特征影响的关 键驱动因子及物理形成机制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以华南台风暴雨多发地区袂花江上游流域为研究区，分析气候变化和土地利用 覆被变化条件下的流域洪水特征及其对变化环境的响应；首先建立研究区自然地理数据 集，分析季风强度变化与该区降水关系、水文要素及土地利用覆被的时空变化特征；其次 结合历史场次洪水资料，初步确定气候变化和土地利用覆被变化对洪水特征的变异作用； 然后开展野外观测试验，结合历史观测数据，采用物理成因与统计分析方法，确定关键产 汇流参数与环境因素的关系，探讨其在变化环境下的暴雨洪水产流机理；分析气候变化和 土地利用覆被变化对台风暴雨地区洪水特征的影响；以期为华南台风暴雨地区中小流域洪 水灾害预防和治理、未来时期的土地利用优化方案提供科学依据和基础支持。
附图说明
图1为华南台风暴雨地区中小流域洪水特征对变化环境的响应模型的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1，中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法，包括以下步骤：
一、时间序列分析：建立袂花江上游水文气象数据集；采用时间序列分析方法分析研 究区降水、径流等水文气象要素的时空格局变化特征，判断降水、径流变化突变点及；
包括：
1)突变分析：突变现象是一种非线性变化，能在一定程度上揭示系统的本质；对于了解水循环演变规律，不仅需要分析总体趋势，还必须判断并检验突变发生的时间、次数以及变化幅度；本发明采用Mann-Kendall法检验研充区实测流量的变化趋势；
2)年际变化趋势：本发明采用Kendall秩次相关法对研究区的降水和径流变化趋势 进行分析；Kendall法中的统计量τ、方差στ 2和标准化变量M的计算式分别为：
式中：p为研究序列所有的观测值(xi，xj，i＜j)中xi＜xj出现的次数；N为研 究系列的长度；在Kendall秩次相关分析中，取显著水平α＝0.05，则Kendall标准化变 量M相应的检验临界值Mα＝1.96；如果M＞Mα，且M＞0，则表示研究序列有明显的增加趋 势；相反，若M＜0，则序列有明显的减小趋势；
二、土地利用变化模型：应用GIS技术，采用研究区三期土地利用数据，分析LUCC的时空格局特征，主要采用的土地利用变化模型有以下几个：
1)土地利用动态度：土地利用动态度能够刻画一定时段内土地利用类型的数量变化 情况，可以分为单一土地用类型动态度和综合土地利用类型动态度，公式如下：
式中：Ki为研究时段内第i类土地利用类型的动态度，Uia、Uib分别为第i类土地利用类型期初和期末的面积；LC是研究时段内的综合土地利用类型动态度，LUi为研究时段开始时第i类土地利用类型面积，ΔLUi-j是研究时段内第i类土地利用类型转为非i 类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时段长度；
2)土地利用程度综合指数及其变化模型：土地利用程度综合指数能够揭示土地利广度和深度；其一方面可反映特定时期的土地利用程度和人类的干扰程度；另一方面 不同时期该指数的变化可反映区域土地利用程度的变化，从而也可用于判定区域土地利用 的发展期、调整期或衰退期，差值＞O是发展期，否则为调整期或衰退期；
式中：Lj是某区域土地利用程度综合指数，Ai为区域内第i级土地利用程度分数指数，Ci为区域内第i级土地利用程度分级面积比重，n为土地利用程度分级指数，Lb和 La分别是时间b和a区域土地利用程度的综合指数；
3)土地利用变化方向模型
土地利用变化类型是对某一时段土地利用变化图斑变化方向的判定，在GIS软件中将 空间数据的叠加分析和属性数据的字段运算相互结合，即可实现对土地利用变化图斑变化 方向的判定，当土地利用分类数量少于10时，字段运算的公式如下：
COdeCh＝COdeT1×1O+COdeT2
式中：CodeCh是土地利用变化类型的代码，CodeT1、CodeT2分别是T1(期初)、T2(期末)的土地利用类型代码；利用ArcGIS软件中属性信息的统计分析功能，根据CodeCh 字段对面积信息进行统计汇总，即得到研究时段内的土地利用类型面积转移数据，进而可 以计算出以面积转移比重作为状态概率的土地利用变化转移概率矩阵，用于系统地分析研究期内土地利用变化的方向和规模，转移概率矩阵的数学表达式为：
其中
式中：Pij为期初至期末由类型i转化为类型j的概率，Ci-j表示期初至期末由 i转化为类型j的面积，LUi为期初i类土地利用类型的面积，n为土地利用类型的数
三、降水控制条件下降水，进行入渗野外试验：借助中国科学院地理科学与资源研究 所研制的小型人工模拟降雨器，开展野外人工控制降水的降水-径流过程观测，系统监测 降水与坡面径流、壤中流之间的水量转换过程；观测不同植被覆盖下的降水截留、降水入 渗、土壤水分衰减等关键产流过程；采用物理成因与统计分析相结合的方法，分析“降水-土壤水分-坡面径流”的转换关系及主要影响因子；结合流域尺度历史观测数据和多种时间序列分析方法，从产汇流过程出发，辨识华南台风暴雨地区土地利用覆被及降水强度变化对洪水特征影响的关键驱动因子及物理形成机制；
3.1实验方案
3.1.1试验目的：根据研究的需求，在袂花江流域野外实地调研的基础上，选定袂花 江流域上游新河站附近为试验场地，进行人工降雨入渗产流试验，主要的试验目的是：(1) 通过对不同条件(雨强、前期土壤含水量、下垫面类型、植被覆盖度、坡度)人工降雨径流 试验，定量研究袂花江流域的降水入渗产流规律；(2)在降雨入渗产流单因素试验基础上，运用统计学方法综合分析多因素对坡面降雨入渗产流的影响；
3.1.2试验内容：产流期内的土壤入渗强度，一般随着流域下垫面条件(土壤、土质、 植被覆盖)，土壤前期含水量，产流历时，降雨强度，地形坡度而变化，需要研究各影响因子对于入渗产流的影响，分析降雨入渗产流机理；包括以下几个方面：
(1)不同雨强下的入渗产流规律：雨强是影响入渗强度的主要因素，保证同样的土壤类型和植被覆盖条件、土壤前期含水量、地形坡度相同的情况下，对比不同雨强下产流期平均入渗产流变化规律；设计5档降雨雨强，根据试验前期标定的雨强结果，实际选用 的6档雨强分别为：0.5、1.0、1.8、2.5、3.2、4.0mm/min；分析的主要物理量有：初损 历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、土壤含水率、湿润峰深度(主要是刚产流 时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水体积、入渗强度历时曲线等；
(2)不同下垫面之间的入渗产流规律：下垫面条件(主要指土壤类型、植被覆盖)是影响降雨入渗强度的另一个重要因素，根据袂花江流域内主要的下垫面类型；在保 雨强度、土壤前期含水量、地形坡度相同的情况下，分析不同下垫面条件下的降雨入 流规律的变化，分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、 土壤含水率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深 度)、退水体积、入渗强度历时曲线，需要特别分析的是最大入渗率和稳定入渗率的差异； 气候和下垫面变化对游袂花江流域径流的影响研究；
(3)不同的土壤前期含水量对于入渗产流的影响：土壤前期含水量对于降雨入渗产 流的影响也较明显，设置三种不同的土壤前期含水量：干旱、半湿润、湿润，用土壤水分测定仪对前期土壤含水量进行测定；设定同一雨强进行降雨径流试验，分析三种不同土壤含水量下降雨产流的变化情况，分析的有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入 渗率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退 水体积、入渗强度历时曲线；
(4)不同植被覆盖度对于入渗产流的影响：野外植被覆盖度的测量采用“照相法”测定；北京师范大学地理学与遥感科学学院自主研发了照相法植被覆盖度动态监测系统，该软件可以快速、准确的测定植被覆盖度；试验中，对于本身植被覆盖度存在稀疏、中等、稠密的草地而言，稍微修剪达到试验所需的覆盖度值，而对于稠密草地而言，采用“网格 等分法”修剪同一块稠草地的不同植被覆盖度等级，从而达到所需的植被覆盖度等级；试 验中，拟定采用30％、60％和100％(稠密草地天然状态近似为100％)三档植被覆盖度，分 别测定不同植被覆盖度等级条件下的降雨入渗产流规律，试验中测定发明与其他条件相 同；
(5)不同坡度对于入渗产流的影响：在同一土壤类型下，设置3种坡度：5°、15°、25°，保证相同的降雨强度、土壤前期含水量，进行三种不同坡度下的降雨入渗产流规律，分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、土壤含水率、 湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水体积、 入渗强度历时曲线。
本发明以华南台风暴雨多发地区袂花江上游流域为研究区，分析气候变化和土地覆被变化条件下的流域洪水特征及其对变化环境的响应；首先建立研究区自然地理 集，分析季风强度变化与该区降水关系、水文要素及土地利用覆被的时空变化特征；其次 结合历史场次洪水资料，初步确定气候变化和土地利用覆被变化对洪水特征的变异作用； 然后开展野外观测试验，结合历史观测数据，采用物理成因与统计分析方法，确定关键产 汇流参数与环境因素的关系，探讨其在变化环境下的暴雨洪水产流机理；分析气候变化和 土地利用覆被变化对台风暴雨地区洪水特征的影响；以期为华南台风暴雨地区中小流域洪 水灾害预防和治理、未来时期的土地利用优化方案提供科学依据和基础支持。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在 本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各 种变化。

Claims (4)

1.中小流域洪水特征对变化环境的响应模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、时间序列分析：建立袂花江上游水文气象数据集；采用时间序列分析方法分析研究区降水、径流水文气象要素的时空格局变化特征，判断降水、径流变化突变点及趋势；包括：
1)突变分析：采用Mann-Kendall法检验研究区实测流量的变化趋势；
2)年际变化趋势：采用Kendall秩次相关法对研究区的降水和径流变化趋势进行分析；Kendall法中的统计量τ、方差στ 2和标准化变量M的计算式分别为：
式中：p为研究序列所有的观测值(xi，xj，i＜j)中xi＜xj出现的次数；N为研究系列的长度；在Kendall秩次相关分析中，取显著水平α＝0.05，则Kendall标准化变量M相应的检验临界值Mα＝1.96；如果M＞Mα，且M＞0，则表示研究序列有明显的增加趋势；相反0若M＜0，则序列有明显的减小趋势；
二、土地利用变化模型：应用GIS技术，采用研究区三期土地利用数据，分析LUCC的时空格局特征；
三、降水控制条件下降水，进行入渗野外试验；根据研究的需求，在袂花江流域野外实地调研的基础上，选定袂花江流域上游新河站附近为试验场地，进行人工降雨入渗产流试验；试验内容：产流期内的土壤入渗强度，一般随着流域下垫面条件(土壤、土质、植被覆盖)，土壤前期含水量，产流历时，降雨强度，地形坡度而变化，需要研究各影响因子对于入渗产流的影响，分析降雨入渗产流机理。
2.根据权利要求1所述的华南台风暴雨地区中小流域洪水特征对变化环境的响应模型，其特征在于，主要采用的土地利用变化模型有以下几个：
1)土地利用动态度：土地利用动态度能够刻画一定时段内土地利用类型的数量情况，可以分为单一土地用类型动态度和综合土地利用类型动态度，公式如下：
式中：Ki为研究时段内第i类土地利用类型的动态度，Uia、Uib分别为第i类土地利用类型期初和期末的面积；LC是研究时段内的综合土地利用类型动态度，LUi为研究时段开始时第i类土地利用类型面积，ΔLUi-j是研究时段内第i类土地利用类型转为非i类土地利用类型面积的绝对值，T为研究时段长度；
2)土地利用程度综合指数及其变化模型：土地利用程度综合指数能够揭示土地利用的广度和深度；其一方面可反映特定时期的土地利用程度和人类的干扰程度；另一方面通过不同时期该指数的变化可反映区域土地利用程度的变化，从而也可用于判定区域土地利用的发展期、调整期或衰退期，差值＞0是发展期，否则为调整期或衰退期；
式中：Lj是某区域土地利用程度综合指数，Ai为区域内第i级土地利用程度分数指数，Ci为区域内第i级土地利用程度分级面积比重，n为土地利用程度分级指数，Lb和La分别是时间b和a区域土地利用程度的综合指数；
3)土地利用变化方向模型
土地利用变化类型是对某一时段土地利用变化图斑变化方向的判定，在GIS软件中将空间数据的叠加分析和属性数据的字段运算相互结合，即可实现对土地利用变化图斑变化方向的判定，当土地利用分类数量少于10时，字段运算的公式如下：
CodeCh＝CodeT1×10+CodeT2
式中：CodeCh是土地利用变化类型的代码，CodeT1、CodeT2分别是T1(期初)(期末)的土地利用类型代码；利用ArcGIS软件中属性信息的统计分析功能，根据C字段对面积信息进行统计汇总，即得到研究时段内的土地利用类型面积转移数据，进而可以计算出以面积转移比重作为状态概率的土地利用变化转移概率矩阵，用于系统地分析研究期内土地利用变化的方向和规模，转移概率矩阵的数学表达式为：
其中
式中：Pij为期初至期末由类型i转化为类型j的概率，Ci-j表示期初至期末由类型i转化为类型j的面积，LUi为期初i类土地利用类型的面积，n为土地利用类型的数目。
3.根据权利要求1所述的华南台风暴雨地区中小流域洪水特征对变化环境的响应模型，其特征在于，实验内容包括：(1)不同雨强下的入渗产流规律：雨强是影响入渗强度的主要因素，保证同样的土壤类型和植被覆盖条件、土壤前期含水量、地形坡度相同的情况下，对比不同雨强下产流期平均入渗产流变化规律；设计5档降雨雨强，根据试验前期标定的雨强结果，实际选用的6档雨强分别为：0.5、1.0、1.8、2.5、3.2、4.0mm/min；分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、土壤含水率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水体积、入渗强度历时曲线；
(2)不同下垫面之间的入渗产流规律：下垫面条件(主要指土壤类型、植被覆盖)是影响降雨入渗强度的另一个重要因素，根据袂花江流域内主要的下垫面类型；在保持降雨强度、土壤前期含水量、地形坡度相同的情况下，分析不同下垫面条件下的降雨入渗产流规律的变化，分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、土壤含水率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水体积、入渗强度历时曲线，需要特别分析的是最大入渗率和稳定入渗率的差异；气候和下垫面变化对游袂花江流域径流的影响研究；
(3)不同的土壤前期含水量对于入渗产流的影响：土壤前期含水量对于降雨入流的影响也较明显，设置三种不同的土壤前期含水量：干旱、半湿润、湿润，用土壤水分测定仪对前期土壤含水量进行测定；设定同一雨强进行降雨径流试验，分析三种不同土壤含水量下降雨产流的变化情况，分析的有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水体积、入渗强度历时曲线；
(4)不同植被覆盖度对于入渗产流的影响：野外植被覆盖度的测量采用“照相法”测定；北京师范大学地理学与遥感科学学院自主研发了照相法植被覆盖度动态监测系统，该软件可以快速、准确的测定植被覆盖度；试验中，对于本身植被覆盖度存在稀疏、中等、稠密的草地而言，稍微修剪达到试验所需的覆盖度值，而对于稠密草地而言，采用“网格等分法”修剪同一块稠草地的不同植被覆盖度等级，从而达到所需的植被覆盖度等级；试验中，拟定采用30％、60％和100％(稠密草地天然状态近似为100％)三档植被覆盖度，分别测定不同植被覆盖度等级条件下的降雨入渗产流规律，试验中测定发明与其他条件相同；
(5)不同坡度对于入渗产流的影响：在同一土壤类型下，设置3种坡度：5°、15°、25°，保证相同的降雨强度、土壤前期含水量，进行三种不同坡度下的降雨入渗产流规律，分析的主要物理量有：初损历时、到达稳渗时候的产流历时、稳定入渗率、土壤含水率、湿润峰深度(主要是刚产流时的入渗深度和达到稳定入渗时的入渗峰面深度)、退水体积、入渗强度历时曲线。
4.根据权利要求1所述的华南台风暴雨地区中小流域洪水特征对变化环境的响应模型，其特征在于，借助中国科学院地理科学与资源研究所研制的小型人工模拟降雨器，开展野外人工控制降水的降水-径流过程观测，系统监测降水与坡面径流、壤中流之间的水量转换过程；观测不同植被覆盖下的降水截留、降水入渗、土壤水分衰减等关键产流过程；采用物理成因与统计分析相结合的方法，分析“降水-土壤水分-坡面径流”的转换关系及主要影响因子；结合流域尺度历史观测数据和多种时间序列分析方法，从产汇流过程辨识华南台风暴雨地区土地利用覆被及降水强度变化对洪水特征影响的关键驱动因物理形成机制。
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