CN109345054A - 一种计算内陆河流域绿洲适宜规模及其稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算内陆河流域绿洲适宜规模及其稳定性的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：1)现状绿洲规模的确定；2)水资源丰平枯划分；3)内陆河流域绿洲适宜规模模型构建；4)内陆河流域绿洲稳定性评估。与现有技术相比，发明的突出优点为：本发明通过构建绿洲适宜规模的计算公式，并结合当下卫星遥感技术，解决了长期以来内陆河流域干旱、半干旱地区绿洲适宜面积和稳定性无法准确确定的问题，为绿洲安全稳定发展提供技术支撑，对于绿洲面积的控制和规划具有较强的实用价值，同时该方法计算简单、结果合理，对内陆河流域干旱、半干旱地区绿洲的管理和社会经济效益起到巨大作用，可在实际项目中进行运用。
Description
技术领域
本发明涉及一种计算内陆河流域绿洲适宜规模及其稳定性的方法，具体涉及一种基于ArcGIS的内陆河流域干旱、半干旱地区绿洲适宜规模计算及其稳定性评估的方法，属于规模控制领域。
背景技术
绿洲是人与自然相结合的产物，是人类立身的根本，也是内陆河流域发展建设的基础。随着内陆河流域人口与经济的快速发展，扩张绿洲面积成为地区发展建设的主要动力。绿洲面积的扩张使得地区对水资源需求量不断加大，导致一些地区的地表水和地下水被过度开采，加上绿洲农业耕地面积的无限制扩张，使得原本有限的水资源更加紧缺，并逐渐成为制约地区发展关键因素。由此，造成生态平衡的严重失调、水循环过程发生改变、极端水文干旱事件频发、土地次生盐碱化加重等众多问题。可鉴，过度开发绿洲不仅不能给地区的发展带来长足的动力，而且限制了地区社会经济的可持续发展。
玛纳斯河流域绿洲作为我国西北内陆河流域干旱、半干旱地区典型的农业灌溉绿洲，是当地人类生产生活的重要场所，为区域人类生存和发展提供最为基础的保障。长期绿洲面积的不合理扩张，使流域脆弱的水资源系统受到影响，成为流域发展建设的重大阻碍，严重威胁到流域的生存和发展建设。基于此，构建一种绿洲适宜规模计算及其稳定性评估的方法，对内陆河流域绿洲的稳定发展及生态建设具有重要的科学和现实意义。
目前，国外对绿洲的研究主要集中在绿洲土地利用变化及驱动机理、绿洲的风险分析以及绿洲土壤生物多样性等方面。国内对于绿洲的研究主要集中在绿洲景观格局演化及驱动机制、绿洲-荒漠转化机理以及绿洲土地利用/覆盖变化与水环境响应关系等方面。对绿洲适宜规模和稳定性的研究甚少，自1995年，李小明等提出绿洲适宜规模之后,关于绿洲适宜规模的计算方法和模型也相继出现。2002年，王忠静等提出计算绿洲适宜规模的水热平衡模型。2006年，胡顺军等通过水热、水土平衡，对渭干河平原绿洲适宜规模进行确定。2008年，黄领梅等以水热平衡为基础，从生态与环境的角度，建立了适宜绿洲规模以及适宜灌溉规模的数学模型，对新疆和田绿洲适宜规模进行确定。2012年，凌红波等利用Z指数法和水热平衡模型，对克里雅河流域绿洲适宜规模进行确定等。
综上可知，目前，关于绿洲适宜规模和稳定性计算方法，主要是以水热平衡法和水量平衡法为基础进行确定，并未形成较为完善的计算方法，且不同的计算方法针对的目标不同，相应的解决和保护的目的也有所不同。可见，现有的方法并不能解决当下的实际问题，且现有的计算方法存在以下不足：1、在进行绿洲可利用水资源总量和非植被耗水计算时，由于计算方法的陈旧，使得计算结果过于粗略，导致最后计算的绿洲适宜规模出入较大，影响政策和规划的误判；2、由于时代发展和追求的目标的变化，大部分计算模型未能随之更改，未能进一步将新产生的耗水单元考虑进来，造成计算结果偏差较大。
因此，在明确现有绿洲实际面积的基础上，确定各单位用水，并建立与之相匹配的绿洲规模，对维持绿洲生态环境的稳定性和可持续发展具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种计算内陆河流域绿洲适宜规模及其稳定性的方法。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
1)现状绿洲规模的确定
选取所要研究时段的遥感影像，在ENVI、eCognition和ArcGIS软件支持下，根据绿洲发生机制和我国学者对人工绿洲与天然绿洲的研究以及我国土地资源分类系统的二级分类标准，结合内陆河流域绿洲土地利用的实际情况对内陆河流域人工绿洲和天然绿洲进行划分，对选取的遥感影像进行目视解译并数字化、建立拓扑关系，结合野外实地考察对解译结果进行修正，用计算机区分、统计出研究时段各地类面积，并根据研究时段内各地类面积，确定实际人工绿洲面积、天然绿洲面积以及绿洲总面积A。
ENVI(The Environment for Visualizing Images)是一个完整的遥感图像处理平台，应用汇集中的软件处理技术覆盖了图像数据的输入/输出、图像定标、图像增强、纠正、正射校正、镶嵌、数据融合以及各种变换、信息提取、图像分类、基于知识的决策树分类、与GIS的整合、DEM及地形信息提取、雷达数据处理、三维立体显示分析。
eCognition是由德国Definiens Imaging公司开发的智能化影像分析软件。eCognition是目前所有商用遥感软件中第一个基于目标信息的遥感信息提取软件，它采用决策专家系统支持的模糊分类算法，突破了传统商业遥感软件单纯基于光谱信息进行影像分类的局限性，提出了革命性的分类技术——面向对象的分类方法，大大提高了高空间分辨率数据的自动识别精度，有效地满足了科研和工程应用的需求。
2)水资源丰平枯划分
水资源量的多少，对绿洲的发展建设起到至关重要的作用，而绿洲的适宜规模是一个随水资源丰枯变化而变化的动态范围，通过标准化径流指数法(SRI指数法)，分析其长系列径流量的丰枯变化特征，假设某一时段径流量X服从Г分布，计算该时段内径流的分布概率，并进行标准正太化转换成标准正态分布函数，最后进行径流丰平枯划分，其中，SRI指数法计算公式为：
式中：c0＝2.515517，c1＝0.802853，c2＝0.010328；d1＝1.432788，d2＝0.189269，d3＝0.001308；
通过SRI指数法划分地表径流量的丰平枯类型，并对年径流量进行多年平均，确定丰平枯时期的径流量，另外确定可利用水库或者湖泊等地表水，即可确定总的可利用地表水量Ws，结合当地的可利用地下水量Wg，确定丰平枯不同时期内陆河流域可利用的水资源总量(Ws+Wg)。
3)内陆河流域绿洲适宜规模模型构建
基于水热平衡方法，结合内陆河流域实际情况，构建内陆河流域绿洲适宜规模计算方法，对内陆河流域绿洲适宜规模进行确定，
水热平衡，研究地表水分与热量的相互联系，以及这种相互联系在自然地理过程和地理综合体形成演变中的作用。水热平衡研究的基本思想是，在地表水分平衡和热量平衡各分量研究成果的基础上，建立水分和热量各组成要素之间的依赖关系，找出水热相互关系对地理环境形成演变和发展的影响，其基本任务是揭示地理综合体内的物理过程。
其计算公式为：
AC＝Kc*A'
式中，A'为绿洲适宜面积(km2)；Ws为可利用地表水量(108m3)；Wg为可利用地下水量(108m3)；Wi、Wl和We分别为工业用水、生活用水以及生态耗水(108m3)；ET0为按彭曼公式计算的参考作物腾发量(mm)；r为流域内年降水量(mm)；Kpi为流域内主要植物的综合植物系数；AC为适宜耕地面积(km2)；Kc为耕地利用系数；H0为水热平衡的指标，是一定水资源保证下绿洲充分给水程度，为保证内陆河流域绿洲安全，一般取值在0.75～1之间。
其中，公式中工业用水、生活用水以及生态用水等耗水量经公式计算获取，部分参数可从当地相应的年鉴资料获取，计算公式参见表1
表1部分参数计算方法
其中，所述生态耗水We包括水面蒸发量Ww、裸地蒸发量W0和河道内最小生态需水量Wr。
4)内陆河流域绿洲稳定性评估
绿洲是一个不断变化的系统，绿洲系统的稳定是指绿洲保持原有的状态，且不随时间的变化而变化。对于内陆河流域绿洲系统的稳定是实现绿洲有序演化和可持续发展的关键，也是内陆河流域人类生存发展所追求的基本目标。绿洲的稳定可用水热平衡的指标H0进行确定，计算公式为
式中，A为步骤1中的绿洲实际面积(km2)进行确定。
H0的大小能够反映绿洲的稳定性，H0越大，绿洲稳定性越高，反之，稳定性越低。因此，H0可以用来分析判断绿洲是否稳定。结合内陆河流域绿洲稳定性相关研究成果以及干旱、半干旱地区绿洲生态环境特点，将绿洲规模的稳定性划分为以下4个等级，如表2所示。
表2绿洲稳定性划分
与现有技术相比，本发明通过构建绿洲适宜规模的计算公式，并结合当下卫星遥感技术，解决了长期以来内陆河流域干旱、半干旱地区绿洲适宜面积和稳定性无法准确确定的问题，为绿洲安全稳定发展提供技术支撑，对于绿洲面积的控制和规划具有较强的实用价值，同时该方法计算简单、结果合理，对内陆河流域干旱、半干旱地区绿洲的管理和社会经济效益起到巨大作用，可在实际项目中进行运用。
附图说明
图1是本发明的流程框图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的优选实施方式。
实施例1：
为了使该发明便于理解，下面选取绿洲生态问题日益突出的玛纳斯河流域为例，对本发明进行阐述，详细步骤如下。
1)现状绿洲规模的确定
采用eCognition遥感分类软件，提取玛纳斯河流域的相关地物信息。根据玛纳斯河流域的土地利用的实际情况，结合绿洲发生机制和我国学者对人工绿洲与天然绿洲的研究以及我国土地资源分类系统的二级分类标准对人工绿洲和天然绿洲进行划分。因此，将玛纳斯河流域人工绿洲划分为林地、草地、耕地、水域和建筑用地等5种地类，其中将林地细划为乔木园林、乔木绿地、灌木园林和灌木绿；草地细划为草本绿地；耕地细划为水田和旱地；水域和建筑用地分别细划为水库/鱼塘、运河/水渠和居住地、工业用地、交通用地。将玛纳斯河流域天然绿洲划分为林地、草地和水域等3种地类，其中将林地细划为落叶阔叶林、常绿针叶林、落叶阔叶灌木林和稀疏灌木林；草地细划为草甸、草原和稀疏草地；水域细划为湖泊、河流和草本湿地，具体划分如下。
表3天然绿洲与人工绿洲要素划分
依据以上划分，选取玛纳斯河流域一期美国陆地卫星TM/ETM影像(2015年)(NASA网址：https://www.nasa.gov/)，利用ENVI和ArcGIS软件，对遥感影像进行目视解译并数字化、建立拓扑关系，结合野外实地考察对解译结果进行修正，统计出2015年各地类面积，最终统计得到2015年玛纳斯河流域人工绿洲面积为6862.766km2、天然绿洲面积为2735.734km2和绿洲总面积为9598.5km2。
2)水资源丰平枯划分
玛纳斯河流域是我国典型的内陆河流域，根据玛纳斯河流域1956-2015年径流资料，采用SRI指数法进行干旱性分析，经分析可发现其径流存在明显的丰平枯变化，基于此，对玛纳斯河流域地表径流进行径流丰平枯的划分。
式中：c0＝2.515517，c1＝0.802853，c2＝0.010328；d1＝1.432788，d2＝0.189269，d3＝0.001308。丰平枯类型划分参见表4。
表4玛纳斯河流域地表径流丰平枯类型划分
根据对2015年玛纳斯河流域地表径流不同丰平枯类型的划分，对年径流量进行多年平均，确定丰平枯下的径流量，并结合流域可利用地下水资源量，对流域可利用水资源总量进行计算，最终计算结果为2015年玛纳斯河流域丰水期、平水期和枯水期的可利用水资源总量分别为30.47亿m3、27.17亿m3和25.50亿m3。
3)确定绿洲适宜规模
AC＝Kc*A'
式中，Wi、Wl和We可根据表1中计算公式进行确定，计算结果表明2015年玛纳斯河流域工业用水Wi、生活用水Wl以及生态耗水量We分别为0.98亿m3、0.39亿m3和3.15亿m3；ET0为按彭曼公式计算的参考作物腾发量(mm)，这里取1252.4mm；r为流域年降水量(mm)，为324.5mm；Kpi为流域内主要植物的综合植物系数，这里参照小麦、玉米、棉花、油料及瓜果作物系数，经加权平均取0.85；Kc为耕地利用系数，一般不宜大于70％，这里取44.75％；H0为水热平衡的指标，是一定水资源保证下绿洲充分给水程度，一般取值在0.75～1之间，为保证玛纳斯河流域绿洲安全，这里初步取0.75。
经绿洲适宜规模模型计算，计算结果如下。
表5玛纳斯河流域绿洲适宜规模计算结果
其中，W是指丰水期、平水期和枯水期的可利用水资源总量即Ws+Wg，W′是指工业用水、生活用水以及生态耗水量的总和即Wi+Wl+We。
4)内陆河流域绿洲稳定性评估
式中，A为绿洲实际面积(km2)，由1)经计算为9598.5km2。
经水热平衡指标H0计算，计算结果如下。
表6玛纳斯河流域绿洲稳定性计算结果
本发明方法通过构建绿洲适宜规模计算模型，并结合当下卫星遥感技术，解决了长期以来内陆河流域干旱、半干旱地区绿洲适宜面积和稳定性无法准确确定的问题，为绿洲安全稳定发展提供技术支撑。通过结合实例发现，利用本发明方法所计算得到的结果贴近实际，对于绿洲面积的控制和规划具有较强的实用价值，同时该方法计算简单、结果合理，对内陆河流域干旱、半干旱地区绿洲的管理和社会经济效益起到巨大作用，可在实际项目中进行运用。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变化和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种计算内陆河流域绿洲适宜规模及其稳定性的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
1)现状绿洲规模的确定
根据绿洲发生机制和我国学者对人工绿洲与天然绿洲的研究以及我国土地资源分类系统的二级分类标准，结合内陆河流域绿洲土地的利用情况对内陆河流域人工绿洲和天然绿洲进行划分，并确定人工绿洲面积和天然绿洲面积，最终确定绿洲实际面积A；
2)水资源丰平枯划分
通过标准化径流指数法对内陆河流域径流量进行丰平枯的划分，对年径流量进行平均，确定丰平枯下的径流量，并结合流域内可利用的地下水资源，确定内陆河流域丰平枯时期的可利用水资源的总量；
标准化径流指数法的计算方法如下：
式中：c0＝2.515517，c1＝0.802853，c2＝0.010328；d1＝1.432788，d2＝0.189269，d3＝0.001308；
通过SRI指数法划分地表径流量的丰平枯类型，并对年径流量进行多年平均，确定丰平枯时期的径流量，结合流域内可利用地下水量Wg，确定丰平枯不同时期内陆河流域可利用的水资源总量(Ws+Wg)；
3)内陆河流域绿洲适宜规模模型构建
基于水热平衡方法，结合内陆河流域的实际情况，构建内陆河流域绿洲适宜规模计算方法，对内陆河流域绿洲适宜规模进行确定，
AC＝Kc*A'
式中：A'为绿洲适宜面积(km2)；Ws为可利用地表水量(108m3)；Wg为可利用地下水量(108m3)；Wi、Wl和We分别为工业用水、生活用水以及生态耗水(108m3)；ET0为按彭曼公式计算的参考作物腾发量(mm)；r为流域内年降水量(mm)；Kpi为流域内主要植物的综合植物系数；AC为适宜耕地面积(km2)；Kc为耕地利用系数；H0为水热平衡的指标；
4)内陆河流域绿洲稳定性评估
绿洲的稳定用水热平衡的指标H0进行评估确定，计算公式为：
式中：A为步骤1中的绿洲实际面积，
H0的大小能够反映绿洲的稳定性，H0越大，绿洲稳定性越高，反之，稳定性越低。
2.如权利要求1所述的计算内陆河流域绿洲适宜规模及其稳定性的方法，其特征在于，上述步骤3)中工业用水、生活用水以及生态用水的计算方式如下：
其中，所述生态耗水We包括水面蒸发量Ww、裸地蒸发量W0和河道内最小生态需水量Wr。
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-
2018
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