CN112199457B - 一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，包括采用流域水文模型将整个流域进行划分，得到水文响应单元空间分布图层；在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；将它两次得到的结果相减得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持和水质净化作为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层。本发明考虑了水文循环过程和营养物质循环过程，模拟的流域水文生态系统服务结果准确性较高，能够为流域水资源的管理提供更为精准数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及水资源管理和规划技术领域，尤其涉及一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法。
背景技术
生态系统服务是人类从生态系统获得的各种产品与服务收益，强调对人类及人类发展有益的生态系统内在功能和过程，主要包括水源涵养、水土保持、水质净化等生态系统服务。其中，流域生态系统的不断退化以及环境问题的全球化，使得科学地管理流域生态系统和水资源成为流域生态学和水环境管理研究的热点。流域生态系统管理是流域生态系统与人类福祉的纽带，随着生态系统服务研究的深入，基于水文生态系统服务的流域生态系统和水环境管理已成为必然。因此，如何从生态系统角度量化流域水文生态系统服务的空间分布，成为构建新型生态系统服务计算方法的关键。
传统的流域水文生态系统服务管理方法多采用基于单位面积的价值量评估法、依据模型进行价值评估的模型评估法和定量指标法。前面两种评估方法所需数据较少，简便易行，但评估结果不确定性较高，难以应用。已有的模型评估法对流域水文生态系统服务的计算过程中，多采用流域和栅格为其基本计算单元，未能根据流域地形、土地利用类型和土壤在空间上的分布特征，划定基本计算单元，缺乏科学划分依据，具有主观性和任意性。另外，已有的评估模型未能以“格局-过程-功能-服务”为主线考虑基本计算单元内生态水文过程对生态系统服务的影响，且未能将水质净化服务进行细分，忽略了有机营养物质保持量和无机营养物质保持量的空间分布的异质性和权衡性。
目前，我国流域水文生态系统服务计算主要以基于单位面积的价值量评估法为主，该方法虽在理论上比较完备，但由于其数据需求很难得到充分满足，会在很大程度上制约研究结果的实际应用效果；因此，采用何种模型可以模拟基于“格局-过程-功能-服务”的流域水文生态系统服务；如何将水质净化中的有机营养物质保持量和无机营养物质保持量分开计算；如何构建流域水文生态系统服务的空间分布图层是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，解决了现有的技术研究分析中存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，所述计算方法包括：
采用流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个流域划分为多个子流域，并将每一个子流域划分为水文响应单元，得到全流域水文响应单元的空间分布矢量图；在每个水文响应单元内模拟水文循环过程和营养物质循环过程，进而模拟得到河道的流量、泥沙含量和营养物质含量，并将其与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析、率定和校正水文模型；
在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将它两次得到的结果相减得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持和水质净化作为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；
进一步地，所述在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量包括：
根据率定和校正的水文模型模拟各水文响应单元的水文循环过程和营养物质循环过程，得到各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将土壤截留和植被吸收参数配置为0、植被管理和植被覆盖参数配置为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量。
进一步地，所述得到总产水量水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据率定和校正的模型得到各个水文响应单元内的总产水量数据，并将该数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布图层进行连接，得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层。
进一步地，所述得到水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据不同条件下得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量的差值，并将该差值数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布矢量图层进行连接，得到水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布图层。
进一步地，所述水文响应单元是子流域的基本组成单元，也是流域水文模型的基本计算单元，表征同一个子流域可以由单个或多个水文响应单元组成，且该水文响应单元内有着相同的地表覆盖、土壤类型和管理模式。
本发明具有以下优点：
(1)本发明考虑了水文循环过程和营养物质循环过程，模拟的流域水文生态系统服务结果准确性较高，能够为流域水资源的管理提供更为精准数据支持；
(2)本发明将有机和无机营养物质保持量分开计算，是对传统水质净化生态系统服务模拟的完善，能够精准识别农作物和森林、草地水质净化的空间分布格局，为农田经济开发和森林、草地资源保护提供理论支撑。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明流域水文生态系统服务的空间分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，以下结合日本天盐川流域实例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，本发明涉及一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，该方法是基于流域水文模型和空间分析技术相结合的流域水环境和生态系统管理，其具体包括以下内容：
S1、通过实地调研和数据收集，获取研究区域的地形、气象、土地利用类型和土壤等基础数据；将所获取的基础数据输入到机理性流域水文模型，该模型将整个流域进行河网划分，得到研究流域的HRU空间分布矢量图层；
具体为，通过收集流域地形、气象、土地利用和土壤等基础信息，采用流域水文模型将整个流域进行划分，得到水文响应单元(Hydrologic Response Unit，HRU)空间分布图层，再在各HRU计算单元内模拟水文循环过程和营养物质循环过程，得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
S2、设定土壤截留和植被吸收参数为零、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
S3、将两次模型运转得到的泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量相减，得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持(泥沙含量之差)和水质净化(有机和无机营养物质含量之差)视为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；
优选地，如图2a所示，步骤S1中流域各HRU内总产水量、泥沙产生量和营养物质产生量的模拟，基于流域地形、气象、土地利用和土壤等基础信息，流域水文模型将整个研究流域划分成多个次流域，然后将每一个子流域再划为水文响应单元(Hydrologic ResponseUnits，HRUs)，得到HRUs的空间分布矢量图层。HRU是子流域的最基本单元，也是流域水文模型的基本计算单元，它表征同一子流域内有着相同的地表覆盖、土壤类型和管理方式，在此基础上，模型在每个HRU上模拟流域水文循环过程和营养物质循环过程，将模拟得到的流量、泥沙含量和营养物质含量与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析，率定和校正模型。基于率定和校正的模型，得到各HRU内的总产水量(包括：地表径流、壤中流和地下径流)，将各HRU内的总产水量在Excel中整理好后，通过空间分析软件，将Excel形式的数据转化成.dbf格式表，再通过ArcGIS软件将该表与HRU空间图层进行连接，进而得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层；
优选地，步骤S2中土壤和植被相关参数改变后，流域各HRU内泥沙产生量和营养物质产生量的模拟，设定土壤截留和植被吸收参数为零、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，模拟得到土壤、植被等相关参数改变后，各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量；
优选地，如图2b-2f所示，步骤S3中流域水文生态系统服务的模拟，将改变土壤、植被等相关参数后模拟得到的各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量减去未改变土壤、植被等相关参数模拟得到的各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量，得到各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量的差值，即该差值就是水土保持和水质净化水文生态系统服务。采用空间分析软件，将各HRU内的水土保持和水质净化水文生态系统服务制成属性表，连接到HRUs空间分布矢量图层，进而得到该水文生态系统服务空间分布图层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，其特征在于：所述计算方法包括：
基于流域地形、气象、土地利用和土壤的空间分布图层基础信息，采用流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个流域进行划分，得到子流域分布图，再通过设定土地利用、土壤类型和地形坡度的分布面积阈值，进行空间叠加将每个子流域划分为单个或多个水文响应单元，进而得到全流域水文响应单元空间分布图层；
在不同条件下模拟水文响应单元的模拟水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将它两次得到的结果相减得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持和水质净化作为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；
所述在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量包括：
通过机理性流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个研究流域划分为多个子流域，
再通过设定土地利用类型、土壤类型和地形坡度的空间分布面积阈值，并通过空间叠加分析将每一个子流域划分为水文响应单元，进而得到全流域水文响应单元的空间分布矢量图；
模拟在每个水文响应单元上的流域水文循环过程和营养物质循环过程，进而模拟得到河道的流量、泥沙含量和营养物质含量，并将其与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析、率定和校正水文模型；
基于率定和校正的水文模型，模拟各个水文响应单元的水文循环过程和营养物质循环过程，得到各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；
将土壤截留和植被吸收参数配置为0、植被管理和植被覆盖参数配置为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量。
2.根据权利要求1所述的一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，其特征在于：所述得到总产水量水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据率定、校正的水文模型得到各个水文响应单元内的总产水量数据，并将该数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布矢量图层进行连接，得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层。
3.根据权利要求1所述的一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，其特征在于：得到水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层包括：
根据不同条件下得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量的差值，并将该差值数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布矢量图层进行连接，得到水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布图层。
4.根据权利要求1所述的一种基于机理性流域水文模型的水文生态系统服务计算方法，其特征在于：所述水文响应单元是子流域的基本组成单元，也是流域水文模型的基本计算单元，表征同一个子流域由单个或多个水文响应单元组成，且水文响应单元内有着相同的地表覆盖、土壤类型和管理模式。
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