CN110766223A - 一种计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法,获取研究流域DEM图以及土地利用图;将DEM图加载到GIS软件中,剪切原DEM图为本流域的DEM图,按照自然流域的划分方法将研究流域划分为多个自然子流域,给每个子流域赋予水文识别号,编辑流域面文件,将其分割成各子流域面文件;通过GIS的空间分析工具生成流域的坡度图,通过再分类工具将流域坡度按照1度进行重分类,计算各坡度的流域面积,通过GIS统计工具计算各子流域对应的各坡度的流域面积;再计算各子流域的平均坡度以及各子流域的不透水率,依据流域不透水率、平均坡度与流域表面坑洼滞蓄量的经验关系,计算各子流域的表面坑洼滞蓄量,从而有效提高水文预报的精度。
Description
技术领域
本发明属于水文预报技术领域,特别涉及一种计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法。
背景技术
当前为进行分布式水文预报,计算各种滞蓄(如植物截留、土壤滞蓄、表面坑洼滞蓄等)对降雨产流的损失是必不可少的步骤之一。现广泛使用的计算各种滞蓄对产流的损失的方法是将这三种滞蓄(植物截留、土壤滞蓄和表面坑洼滞蓄)合并作为土壤蓄水量来处理,这种处理方法简化了流域产流损失的物理过程,计算简便,便于应用。然而三种滞蓄对产流产生影响的机制和消耗机制并不相同,当天然流域的植物截留和表面坑洼滞蓄量比较大的时候,这种将三种滞蓄量合并作为土壤蓄水量来处理的方法就会产生较大的误差,因此分别单独计算三种损失是有必要的。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明将自然流域表面坑洼滞蓄量单独进行计算,提供了一种计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法,将研究流域按照自然流域划分的方法划分为几个子流域,然后依据各子流域的平均坡度和不透水率计算该子流域的表面坑洼滞蓄量,目的在于提高水文预报精度。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1,资料的收集与处理
收集所研究流域DEM图,通过GIS软件加载该DEM图,将其文件类型转化为栅格文件类型,在GIS软件中加载GeoHMS工具条,对DEM栅格文件进行水文分析,通过包括填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域在内的操作,提取出按照自然流域划分法划分子流域的研究流域面文件;
S2,生成流域坡度图
对S1中生成的研究流域面文件,通过GIS空间分析工具进行坡度分析,得到流域坡度图;
S3,计算流域中各坡度所占的流域面积
对S2中所生成的流域坡度图,通过GIS空间分析工具中的重分类工具按照坡度1度的标准进行重分类,得到坡度重分类栅格图,打开该图的属性表,可查询流域上各坡度所对应的栅格数以及栅格尺寸,计算出流域上每个坡度所对应的流域面积;
S4,计算研究流域的各子流域各坡度的面积
将S3中生成的坡度重分类栅格图转化为坡度重分类矢量图,通过GIS统计分析工具中的”tabulate intersection”功能,合并研究流域面文件的属性以及坡度重分类矢量图的属性,生成各子流域的坡度数据属性表;
S5,计算研究流域的各子流域的平均坡度
S6,计算研究流域的各子流域的不透水率
在GIS软件中加载土地利用数据,查询各子流域中各种不同的土地利用类型的土地所占有的面积,计算不透水率PtcIMP;
S7,计算研究流域的各子流域的表面坑洼滞蓄量
所述流域坡度与表面坑洼滞蓄量之间的经验关系见表1。
表1流域坡度与表面坑洼滞蓄量的经验关系
进一步的,S3中流域上每个坡度所对应的流域面积的计算方式为:
在所述分类栅格图的重分类属性表上新建字段“area”,打开字段计算器,输入以下公式(1)计算出流域上每个坡度所对应的流域面积;
Areai=Counti×Sizeli×Sizeci (1)
式(1)中i表示第i个坡度,单位为1;Areai表示流域中第i个坡度的坡度值所占的流域面积,单位为m2;Counti表示流域中第i个坡度的坡度值所占的栅格的数量,单位为1;Sizeli表示流域中第i个坡度的坡度值的栅格的长度,单位为m;Sizeci表示流域中第i个坡度的坡度值的栅格的宽度,单位为m。
进一步的,S5中所述子流域的平均坡度的计算根据以下公式(2)得到:
Sj,i表示子流域j中第i个坡度的坡度值;fj,i表示在子流域j中第i个坡度的坡度值的分布面积占该子流域面积的比例。
进一步的,S6中所述不透水率的计算根据以下公式(3)得到:
式中:PtcIMP表示不透水率;Type1表示耕地所占的面积;Type2表示林地所占的面积;Type3表示草地所占的面积;Type4表示水域所占的面积;Type5表示城乡、工矿、居民用地所占的面积;Type6表示未利用土地所占的面积。
本发明相比现有技术的有益效果为:
本发明所述自然流域表面坑洼滞蓄量的计算方法,将研究流域按照自然流域划分的方法划分为几个子流域,然后依据各子流域的平均坡度和不透水率计算该子流域的表面坑洼滞蓄量。本发明所述方法能够结合研究流域的物理特性单独对研究流域的表面坑洼滞蓄量进行计算,能够有效提高水文预报的精度。
附图说明
图1为澴河流域图;
图2为澴河流域坡度图;
图3为澴河流域坡度重分类栅格图;
图4为澴河流域每个坡度对应的流域面积;
图5为澴河流域坡度重分类矢量图;
图6为W110子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图7为W120子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图8为W120子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图9为W140子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图10为W150子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图11为W160子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图12为W170子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图13为W180子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图14为W200子流域各坡度所占流域面积及面积比;
图15为W210子流域各坡度所占流域面积及面积比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及附表,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例以澴河孝昌县花园镇站以上流域表面坑洼滞蓄量的计算为例,以表现本发明达到的效果。
澴河流域位于湖北省长江以北,大别山南麓,江汉平原北部的孝感市地区,流域界于东经113°72'~114°33',北纬30°86'~31°89'之间。干流全长8km,流域面积2590.88km2。流域地势东北高西南低,溶蚀低山与切割丘陵互为穿插。地貌以丘陵山地为主,东北部为低山区,海拔500~1000米,相对高度在100~300米,西南部低矮缓丘,海拔在100~500米。本实例基于GIS和GEOHMS工具对流域进行自然流域划分,利用GIS工具处理流域DEM图和流域土地利用图分别计算出各子流域的平均坡度和不透水率,依据坡度、不透水率以及表面坑洼滞蓄量之间的关系,推求研究流域各个子流域的表面坑洼滞蓄量。
本实施例计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法的步骤如下:
步骤一:收集所研究流域DEM图,通过GIS软件加载该DEM图,将其文件类型转化为栅格文件类型,在GIS软件中加载GeoHMS工具条,对DEM栅格文件进行水文分析,通过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域等操作,提取出按照自然流域划分法划分子流域的研究流域面文件,见图1。
步骤二:对步骤一中生成的流域面文件,通过GIS空间分析工具进行坡度分析,得到流域的坡度图,见图2。
步骤三:对步骤二中所生成的流域坡度图,通过GIS空间分析工具中的重分类工具按照坡度1度的标准进行重分类,得到重分类栅格图,见图3;打开该图的属性表,可查询流域上个坡度所对应的栅格数以及栅格尺寸,在Recalss_Slope6重分类属性表上新建字段“area”,打开字段计算器,输入公式(1)计算出流域上每个坡度所对应的流域面积,见图4。
Areai=Counti×Sizeli×Sizeci (1)
公式(1)中i表示第i个坡度,单位为1;Areai表示流域中第i个坡度的坡度值所占的流域面积,单位为m2;Counti表示流域中第i个坡度的坡度值所占的栅格的数量,单位为1;Sizeli表示流域中第i个坡度的坡度值的栅格的长度,单位为m;Sizeci表示流域中第i个坡度的坡度值的栅格的宽度,单位为m。
步骤四:将步骤三中生成的坡度重分类栅格图转化为矢量图,见图5,通过GIS统计分析工具中的”tabulate intersection”功能,合并研究流域面文件(Subbasin.shape)属性以及坡度重分类矢量图(RasterT_Recalss1)属性,生成各子流域的坡度数据属性表,见图6-图15。
步骤五:通过GIS工具箱格式转换工具,将步骤四得到的各子流域的坡度数据属性表(Subasin315_Tabulateintersec4)转化为EXCEL表格(记为Subbasin315_TabulateIntersec4_TableToExcel),在EXCEL表中,通过公式(2)计算子流域的平均坡度,结果见表2。
式中:表示子流域j的平均坡度,单位为度;j表示子流域的编号;i表示子流域j的第i个坡度,单位为1;n表示子流域j中共有的坡度的数量;Sj,i表示子流域j中第i个坡度的坡度值;fj,i表示在子流域j中第i个坡度的坡度值的分布面积占该子流域面积的比例。
表2各子流域的平均坡度
子流域编号 | 平均坡度(度) | 子流域编号 | 平均坡度(度) |
W110 | 8.15 | W160 | 2.55 |
W120 | 6.36 | W170 | 2.04 |
W130 | 2.60 | W180 | 1.11 |
W140 | 3.37 | W200 | 7.54 |
W150 | 2.02 | W210 | 8.72 |
步骤六:在GIS中加载流域土地利用数据,得出各子流域中各种不同的土地利用类型的土地所占有的面积,经过计算得出各子流域的不透水率PtcIMP,结果见表3。
所述不透水率PtcIMP的计算根据以下公式(3)得到:
式中:PtcIMP表示不透水率;Type1表示耕地所占的面积;Type2表示林地所占的面积;Type3表示草地所占的面积;Type4表示水域所占的面积;Type5表示城乡、工矿、居民用地所占的面积;Type6表示未利用土地所占的面积。
所述流域土地利用数据下载自资源环境数据云平台上,下载地址如下:
http://www.resdc.cn/data.aspx DATAID=197;
下载的流域土地类型空间分布图数据中有数据说明,其中编码11、12代表耕地;编码21-24代表林地;编码31-33代表草地;编码41-46代表水域;编码51-53代表城乡、工矿、居民用地;编码61-67代表未利用土地;通过GIS软件加载土地利用数据,查询各个编码所代表的土地利用类型的土地的面积。
表3各子流域1990年的不透水率
子流域编号 | 不透水率(%) | 子流域编号 | 不透水率(%) |
W110 | 0.977574 | W160 | 0.517755 |
W120 | 1.377108 | W170 | 9.137092 |
W130 | 0.325755 | W180 | 14.99479 |
W140 | 0 | W200 | 0.859355 |
W150 | 0 | W210 | 0.340805 |
步骤七:根据不透水率、流域坡度及表面坑洼滞蓄量之间的经验关系,建立三者之间的函数关系式,见公式(4)-(5),推求各子流域的表面坑洼滞蓄量。流域坡度与表面坑洼滞蓄量之间的经验关系见表1。
经计算,各子流域的表面坑洼滞蓄量见表4。
表4各子流域1990年的表面坑洼滞蓄量
子流域编号 | 表面坑洼滞蓄量(mm) | 子流域编号 | 表面坑洼滞蓄量(mm) |
W110 | 9.5 | W160 | 50.6 |
W120 | 9.5 | W170 | 46.6 |
W130 | 50.7 | W180 | 43.9 |
W140 | 9.6 | W200 | 9.5 |
W150 | 50.8 | W210 | 9.5 |
Claims (4)
1.一种计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
S1,资料的收集与处理
收集所研究流域DEM图,通过GIS软件加载该DEM图,将其文件类型转化为栅格文件类型,在GIS软件中加载GeoHMS工具条,对DEM栅格文件进行水文分析,通过包括填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域在内的操作,提取出按照自然流域划分法划分子流域的研究流域面文件;
S2,生成流域坡度图
对S1中生成的研究流域面文件,通过GIS空间分析工具进行坡度分析,得到流域坡度图;
S3,计算流域中各坡度所占的流域面积
对S2中所生成的流域坡度图,通过GIS空间分析工具中的重分类工具按照坡度1度的标准进行重分类,得到坡度重分类栅格图,打开该图的属性表,可查询流域上各坡度所对应的栅格数以及栅格尺寸,计算出流域上每个坡度所对应的流域面积;
S4,计算研究流域的各子流域各坡度的面积
将S3中生成的坡度重分类栅格图转化为坡度重分类矢量图,通过GIS统计分析工具中的”tabulate intersection”功能,合并研究流域面文件的属性以及坡度重分类矢量图的属性,生成各子流域的坡度数据属性表;
S5,计算研究流域的各子流域的平均坡度
S6,计算研究流域的各子流域的不透水率
在GIS软件中加载土地利用数据,查询各子流域中各种不同的土地利用类型的土地所占有的面积,计算不透水率PtcIMP;
S7,计算研究流域的各子流域的表面坑洼滞蓄量
2.根据权利要求1所述的计算自然流域表面坑洼滞蓄量的方法,其特征在于,S3中流域上每个坡度所对应的流域面积的计算方式为:
在所述分类栅格图的重分类属性表上新建字段“area”,打开字段计算器,输入以下公式(1)计算出流域上每个坡度所对应的流域面积;
Areai=Counti×Sizeli×Sizeci (1)
式(1)中i表示第i个坡度,单位为1;Areai表示流域中第i个坡度的坡度值所占的流域面积,单位为m2;Counti表示流域中第i个坡度的坡度值所占的栅格的数量,单位为1;Sizeli表示流域中第i个坡度的坡度值的栅格的长度,单位为m;Sizeci表示流域中第i个坡度的坡度值的栅格的宽度,单位为m。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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