CN112507635A - 一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，包括：步骤一：构建耦合湿地模块的流域水文模型；步骤二：根据所述流域水文模型开展不同湿地分布情境下的流域水文过程模拟，并基于不同的流域水文过程模拟结果来获得对应的河道径流量；步骤三：根据洪水事件阈值以及所述不同湿地分布情境下对应的河道径流量来确定洪水事件；并根据所述洪水事件提取洪水特征；步骤四：根据所述洪水特征来定量评估流域湿地洪水调蓄功能。本发明通过“湿地”洪水调蓄功能，首先开展耦合湿地模块的流域水文模型的构建，大大提高了水文过程模拟精度，可精细化量化评估流域湿地洪水调蓄功能大小及其时空差异性。

Description

一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法
技术领域
本发明涉及湿地生态水文学技术领域，尤其涉及一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法。
背景技术
湿地是流域水资源和水循环的重要组成部分，是重要的天然蓄水空间与流域水量平衡的调节器，其洪水调蓄功能对维护流域水安全具有重要意义。湿地具有独特的水文过程，其对理解流域尺度产汇流方式起着至关重要的作用，然而湿地水文过程在流域水文研究中常常被忽视，且在很多流域水文模型的开发中没有完全引入进来，进而影响水文过程模拟精度和实际的水资源精准调控与决策，尤其是对湿地洪水调蓄功能的定量评估。
基于现有的水文或水动力模型，学者尝试将湿地水文过程引入到已有的流域水文模型中，在开展湿地水文过程模拟与评价的基础上，对流域湿地洪水调蓄功能进行了初步研究。但由于：①流域水文模型或水动力模型无法精细刻画流域内湿地水量平衡尤其是不同湿地类型的水文过程；②缺少湿地洪水调蓄功能定量评估方法，导致湿地洪水调蓄功能评估结果与实际出入较大，无法应用于我国实际的洪水风险管理和应对中；其次，现有的理论方法和模型技术无法开展湿地位置及其类型变化(孤立湿地、河滨湿地等)对洪水过程及其特征调蓄作用评估等一些国际前沿科学问题的研究。
可见，目前尚缺乏较为科学和精细化的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法。
一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，包括以下步骤：
步骤一：构建耦合湿地模块的流域水文模型；
步骤二：根据所述流域水文模型开展不同湿地分布情境下的流域水文过程模拟，并基于不同的流域水文过程模拟结果来获得对应的河道径流量；
步骤三：根据洪水事件阈值以及所述不同湿地分布情境下对应的河道径流量来确定洪水事件；并根据所述洪水事件提取洪水特征；
步骤四：根据所述洪水特征来定量评估流域湿地洪水调蓄功能。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，所述不同湿地分布情境包括：有湿地分布情景和无湿地分布情景。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，所述洪水特征包括：洪峰流量、平均流量、洪水持续时间和洪量。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，所述步骤四包括：
采用以下指数量化湿地对洪水的影响：
Dwet＝(Rwet-R0)/R0×100％ (1)
式中，Dwet为湿地对洪水的影响程度指数，Dwet为负值表明湿地对洪水的削减作用，反之则为对洪水的增强作用；Dwet的绝对值越大，表明其对洪水的影响程度越明显；Rwet为有湿地分布情景下模拟而得的所述洪水特征；R0为无湿地分布情景下模拟而得的所述洪水特征。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，所述步骤一包括：
步骤11：根据流域出口水文站逐日流量资料、流域内逐日气象观测资料以及地理空间资料建立流域模型数据库；
步骤12：基于土地利用类型分布图，PHYSITE平台首先从土地利用类型中识别出湿地，然后基于连通度阈值划分孤立湿地和河滨湿地，并计算每个湿地类型对应的湿地参数和水文参数；将PHYSITEL平台获得的湿地参数和水文参数直接导入到HYDROTEL水文模型以模拟不同湿地分布情境下的流域水文过程；
所述湿地参数包括：水文响应单元面积；水文响应单元内湿地面积、湿地率；湿地正常/最大水位及对应的正常/最大面积、湿地蒸散发折算系数、湿地土壤水力传导度；河床饱和水力传导度、湿地基底饱和水力传导度；
所述水文参数包括：蒸散发优化系数、积雪模块参数、气温降水模块、不同土层深度、消光系数、退水系数和土壤湿度最大变异性；
步骤13：基于地理空间资料、流域出口水文站逐日流量资料以及逐日气象观测数据，首先开展参数的敏感分析，得到HYDROTEL模型最为敏感的湿地和水文参数；然后，对最为敏感的参数进行率定和模拟结果验证。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，所述地理空间资料包括：流域内数字高程模型、土壤质地数据、数字化河网水系和土地利用数据。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，所述HYDROTEL水文模型由8个模块组成，分别为气温和降水插值模块、积雪累积和融化模块、冻土模块、潜在蒸散发模块、垂向水量收支平衡模块、陆面产汇流模块、河道径流模块和湿地模块。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，所述积雪模块参数包括：压实系数、最大积雪密度、落叶林积雪融化温度阈值、针叶林积雪融化温度阈值、开阔地积雪融化温度阈值、开阔地积雪融化率、落叶林积雪融化率、针叶林积雪融化率和积雪-土壤界面的积雪融化率；所述气温降水模块包括：降雨-降雪临界温度、降水垂直递减率和气温垂直递减率。
进一步地，如上所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，步骤12中，所述模拟不同湿地分布情境下的流域水文过程包括：
孤立湿地汇水区、孤立湿地和低地之间的产汇流过程；
河滨湿地汇水区、河滨湿地和低地之间的产汇流过程。
有益效果：
本发明通过创建精细刻画流域湿地水文过程的模块，并与HYDROTEL模型耦合，精细模拟流域水文过程，从而提高了湿地水文过程和流域水文过程模拟精度，可以更好地定量评估湿地水文功能；其次，提出了基于水文模型量化评估流域湿地洪水调蓄功能定量评估的方法，可以更为精确和真实反映的流域湿地实际洪水调蓄功能的大小和时空差异性。
国内外开展湿地洪水调蓄功能评估往往缺乏对湿地特殊的水文过程(包括湿地特殊的蓄水-产流过程及湿地与河道径流的水量交互等)的考虑，从而导致水文过程模拟精度不高或学者们的评估结果大相径庭。而本发明通过“湿地”洪水调蓄功能，首先开展耦合湿地模块的流域水文模型的构建，即在一个流域建立考虑湿地水文过程的水文模型，从而大大提高了水文过程模拟精度。
流域湿地洪水调蓄功能评估是当前湿地生态水文学研究的前沿科学问题，该方法可丰富和发展湿地生态水文学研究的理论方法与技术体系，提升我国湿地生态水文学研究水平，更好地服务于我国水生态文明建设。其次，可从水文学视角为流域湿地的恢复与保护提供科学依据和决策支持，也可为我国长江、黄河等大江大河流域湿地水文功能研究提供新思路，助推生态海绵智慧流域建设，践行中国的“基于自然的水资源与气候变化解决方案”。
附图说明
图1为本发明流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法流程图；
图2为本发明耦合孤立湿地和河滨湿地模块的HYDROTEL水文模型；
图3为基于流量频率曲线洪水事件和洪水特征的确定方法；
图4为流域洪水调蓄功能定量评估方法。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明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。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。
如图1所示，本发明提供一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，包括以下步骤：
步骤一：构建耦合湿地模块的流域水文模型；
步骤二：根据所述流域水文模型开展不同湿地分布情境下的流域水文过程模拟，并基于不同的流域水文过程模拟结果来获得对应的河道径流量；
步骤三：根据洪水事件阈值以及所述不同湿地分布情境下对应的河道径流量来确定洪水事件；并根据所述洪水事件提取洪水特征；
步骤四：根据所述洪水特征来定量评估流域湿地洪水调蓄功能。
具体地，在生态水文学研究中，利用水文模型进行模拟研究是开展生态系统服务功能(如湿地、森林的水源涵养、保持水土等的功能)一个重要的手段。在流域上(如嫩江流域、松花江流域)，学者们常借助于流域水文模型开展模拟研究，而构建流域水文模型是使用水文模型开展模拟的第一步，即通过模型的拟合和验证完成流域水文模型的构建。
步骤二就是利用验证后的模型开展不同湿地分布情境下的流域水文过程模拟，基于不同情景模拟结果可以获得不同的河道径流量(此处是采用有湿地分布情景和无湿地分布情景开展水文过程模拟，分别获得两种情境下的河道径流量)。
步骤三流域不同湿地分布情境下洪水特征的提取需要基于步骤二模拟获得的河道径流才可以实现。因此，步骤三中，首先基于历史观测的河道径流数据确定洪水事件阈值(也就是高于一定的径流量，就可以定义为一次洪水事件；水文学家确定洪水事件都是基于观测数据获得的，如20年一遇的洪水)，然后利用模拟的“两种情境下的河道径流量”分别定义洪水事件，并分别提取洪水事件的四个特征(洪水的洪峰流量、平均流量、洪水持续时间和洪量)。步骤三，实现流域湿地洪水调蓄功能定量评估，首先要找到可以量化的评价指标，然后将这些指标应用在步骤四的公式中。故步骤三的目的就是确定不同湿地分布情境下的洪水特征指标，为步骤四奠定基础。
步骤四，提出湿地洪水调蓄功能定量评估的公式，然后从洪水的四个特征角度，开展流域湿地洪水调蓄功能定量评估。即通过开展有和无湿地分布情景的流域水文过程模拟，对比分析有/无湿地分布情境下的洪水特征变化(也就是说有湿地情景时洪水特征如何，无湿地情景时洪水特征如何，基于有/无湿地情境下洪水特征的相对差异性，量化湿地的洪水的调蓄作用)，从而实现流域湿地洪水调蓄功能定量评估。
其中，所述步骤一具体包括以下步骤：
步骤11：流域模型数据库的建立
收集流域出口水文站逐日流量资料、流域内逐日气象观测资料以及地理空间资料，对这些资料进行预处理，建立模型数据库；其中地理空间资料包括流域内数字高程模型、土壤质地数据、数字化河网水系和土地利用(包含湿地)等数据；
所述预处理主要包括：基于ArcGIS软件，对土壤质地、土地利用资料和数字高程模型等数据统一坐标系并提取研究区流域数据；水文和气象数据基于模型格式要求，处理成模型格式数据库；土壤质地和土地利用数据基于模型要求进行重分类。
模型需要基于数据库方可建立和开展后续模拟研究，“对这些资料进行预处理”就是建立模型需要的数据库。
步骤12：湿地参数获取与模块构建
采用PHYSITEL/HYDROTEL水文模型平台开展流域尺度湿地水文模拟与评价研究。基于土地利用类型分布图，PHYSITEL平台会首先从土地利用类型中识别出湿地，然后基于连通度阈值(湿地汇水区内与河流连通的像素单元所占总汇水区的比例。该阈值基于流域野外调查监测可以确定，一般取值1％)划分孤立湿地和河滨湿地，并计算每个湿地类型(孤立湿地和河滨湿地)对应的最大面积(即湿地水域面积最大)和湿地汇水区面积。随后，PHYSITEL平台获得的湿地参数和水文参数直接导入到HYDROTEL水文模型，开展湿地水文过程和流域水文过程的模拟。其中，HYDROTEL为一个分布式水文模型，该模型主要由8个模块组成，分别为气温和降水插值模块、冻土模块、积雪累积和融化模块、潜在蒸散发模块、垂向水量收支平衡模块(BV3C)、陆面产汇流模块、河道径流模块和湿地模块(图2)。HYDROTEL模拟湿地水文过程包含：①孤立湿地汇水区(不包含湿地)、孤立湿地和低地(湿地蓄满产流的下游地区)之间的产汇流过程；②河滨湿地汇水区、河滨湿地和低地之间的产汇流过程(图2)。其中，湿地参数包括水文响应单元面积；水文响应单元内湿地面积、湿地率；湿地正常/最大水位及对应的正常/最大面积、湿地蒸散发折算系数、湿地土壤水力传导度；河床饱和水力传导度、湿地基底饱和水力传导度等。
具体地，水文模型就是一系列公式组合而成的，这一堆公式就是不同的模块，如气象数据插值模块、积雪模块、冻土模块、蒸散发模块、垂向水量收支平衡模块(BV3C)、陆面产汇流模块、河道径流模块和湿地模块(图2)。每一个模块又是一系列公式组成的，公式里面的变量就是参数，类似于y＝ax+b中的a和b。步骤12就是利用输入的数据和PHYSITEL平台获得这些参数并赋予给HYDROTEL模型，这样才能开展步骤13。
步骤13：模型的拟合和验证
具体地，基于地理空间资料、流域出口水文站逐日流量资料以及逐日气象观测数据等，首先开展参数的敏感分析，得到HYDROTEL模型最为敏感的湿地和水文参数；然后，对最为敏感的参数进行率定和模拟结果验证；可采用动态维度搜索算法对模型进行铝锭，同时可选择Nash-Sutcliffe系数、均方根误差、决定系数和相对偏差等拟合优度指数对拟合和验证结果进行评价。
模型的拟合和验证是下一步“用模型”的前提和基础，通过拟合和验证就是让模型模拟的结果接近于现实，即让模型变得靠谱。通过数千次的模型拟合，不断的调整模型的参数，逐渐提高模型的适用性，最终确定模型的最优参数；然后检验确定参数后模型模拟的效果好不好，就是验证。
如图2-4所示，本发明提供的流域湿地洪水调蓄功能定量评估方法，该评估方法包括以下步骤：
1、耦合湿地模块的流域水文模型的构建
(1)水文气象观测数据和地理空间资料预处理
收集流域出口水文站逐日流量资料、流域内逐日气象观测资料以及地理空间资料，对这些资料进行预处理；其中地理空间资料包括流域内数字高程模型(DEM)、土壤质地数据和土地覆被资料(包含湿地)。
(2)湿地参数获取与模块构建
采用PHYSITEL/HYDROTEL水文模型平台开展流域尺度湿地水文模拟与评价研究。基于土地利用类型分布图，PHYSITEL平台会首先从土地类型中识别出湿地，然后基于连通度阈值(湿地汇水区内与河流连通的像素单元所占总汇水区的比例)划分孤立湿地和河滨湿地，并计算每个湿地类型(孤立湿地或河滨湿地)对应的最大面积和湿地汇水区面积。随后，PHYSITEL平台获得的湿地参数和水文参数直接导入到HYDROTEL水文模型，开展湿地水文过程和流域水文过程的模拟。其中，HYDROTEL模拟湿地水文过程包含：①孤立湿地汇水区(不包含湿地)、孤立湿地和低地(湿地蓄满产流的下游地区)之间的产汇流过程；②河滨湿地汇水区、河滨湿地和低地之间的产汇流过程(图2)。
(3)模型的拟合和验证
基于地理空间资料、流域出口水文站逐日流量资料以及逐日气象观测数据等,进行HYDROTEL模型参数率定和结果验证；采用采用动态维度搜索算法，选择克林效率系数对模型中的关键参数进行优化。选择拟合优度指数中，选取Nash-Sutcliffe系数、均方根误差、决定系数和相对偏差对拟合和验证结果进行评价。
2、湿地分布情景模拟
基于验证后的耦合湿地模块的HYDROTEL水文模型，分别开展有湿地和无湿地情景下的流域水文过程模拟。其中，水文过程模拟主要采用了气象数据插值模块、积雪模块、冻土模块、蒸散发模块、垂向水量收支平衡模块、陆面产汇流模块、河道径流模块和湿地模块等8个模块。
3、流域洪水特征的提取
如图3所示，基于有/无湿地情景下的嫩江流域水文过程模拟，选取典型洪水事件，从湿地对洪水特征(洪峰流量、平均流量、洪水持续时间和洪量)影响的角度定量评估了湿地的洪水调蓄功能。基于实测的日流量，首先绘制多年的日流量频率曲线，选取特定重现期的流量作为洪水阈值(如2年重现期洪水对应的流量)。当日流量超过该阈值，即为洪水发生；当日流量开始低于该阈值，则洪水结束。
4、流域湿地洪水调蓄功能定量评估
利用已构建的耦合湿地模块的嫩江流域水文模型，基于有/无湿地情景下流域水文过程模拟结果，采用以下指数量化湿地对洪水的影响：
Dwet＝(Rwet-R0)/R0×100％ (1)
式中，Dwet为湿地对洪水的影响程度指数(％)，Dwet为负值表明湿地对洪水的削减作用，反之则为对洪水的增强作用；Dwet的绝对值越大，表明其对洪水的影响程度越明显。Rwet和R0分别为有湿地情景和无湿地情景下模拟而得的洪水要素指数(洪峰流量、洪水持续时间、洪水期间的平均流量和洪量等)。该方法的技术路线如图4所示。
本发明通过创建精细刻画流域湿地水文过程的模块，并与HYDROTEL模型耦合，精细模拟流域水文过程，提高湿地水文过程和流域水文过程模拟精度，可以更好地定量评估湿地水文功能；其次，提出了基于水文模型量化评估流域湿地洪水调蓄功能定量评估的方法，可以更为精确和真实反映的流域湿地实际洪水调蓄功能的大小和时空差异性。
流域湿地洪水调蓄功能评估是当前湿地生态水文学研究的前沿科学问题，该方法可丰富和发展湿地生态水文学研究的理论方法与技术体系，提升我国湿地生态水文学研究水平，更好地服务于我国水生态文明建设。其次，可从水文学视角为嫩江流域湿地的恢复与保护提供科学依据和决策支持，也可为我国长江、黄河等大江大河流域湿地水文功能研究提供新思路，助推生态海绵智慧流域建设，践行中国的“基于自然的水资源与气候变化解决方案”。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建耦合湿地模块的流域水文模型；
步骤二：根据所述流域水文模型开展不同湿地分布情境下的流域水文过程模拟，并基于不同的流域水文过程模拟结果来获得对应的河道径流量；
步骤三：根据洪水事件阈值以及所述不同湿地分布情境下对应的河道径流量来确定洪水事件；并根据所述洪水事件提取洪水特征；
步骤四：根据所述洪水特征来定量评估流域湿地洪水调蓄功能。
2.根据权利要求1所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，所述不同湿地分布情境包括：有湿地分布情景和无湿地分布情景。
3.根据权利要求1所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，所述洪水特征包括：洪峰流量、平均流量、洪水持续时间和洪量。
4.根据权利要求2所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，所述步骤四包括：
采用以下指数量化湿地对洪水的影响：
Dwet＝(Rwet-R0)/R0×100％ (1)
式中，Dwet为湿地对洪水的影响程度指数，Dwet为负值表明湿地对洪水的削减作用，反之则为对洪水的增强作用；Dwet的绝对值越大，表明其对洪水的影响程度越明显；Rwet为有湿地分布情景下模拟而得的所述洪水特征；R0为无湿地分布情景下模拟而得的所述洪水特征。
5.根据权利要求1所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤11：根据流域出口水文站逐日流量资料、流域内逐日气象观测资料以及地理空间资料建立流域模型数据库；
步骤12：基于土地利用类型分布图，PHYSITE平台首先从土地利用类型中识别出湿地，然后基于连通度阈值划分孤立湿地和河滨湿地，并计算每个湿地类型对应的湿地参数和水文参数；将PHYSITEL平台获得的湿地参数和水文参数直接导入到HYDROTEL水文模型以模拟不同湿地分布情境下的流域水文过程；
所述湿地参数包括：水文响应单元面积；水文响应单元内湿地面积、湿地率；湿地正常/最大水位及对应的正常/最大面积、湿地蒸散发折算系数、湿地土壤水力传导度；河床饱和水力传导度、湿地基底饱和水力传导度；
所述水文参数包括：蒸散发优化系数、积雪模块参数、气温降水模块、不同土层深度、消光系数、退水系数和土壤湿度最大变异性；
步骤13：基于地理空间资料、流域出口水文站逐日流量资料以及逐日气象观测数据，首先开展参数的敏感分析，得到HYDROTEL模型最为敏感的湿地和水文参数；然后，对最为敏感的参数进行率定和模拟结果验证。
6.根据权利要求5所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，所述地理空间资料包括：流域内数字高程模型、土壤质地数据、数字化河网水系和土地利用数据。
7.根据权利要求5所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，所述HYDROTEL水文模型由8个模块组成，分别为气温和降水插值模块、积雪累积和融化模块、冻土模块、潜在蒸散发模块、垂向水量收支平衡模块、陆面产汇流模块、河道径流模块和湿地模块。
8.根据权利要求5所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，所述积雪模块参数包括：压实系数、最大积雪密度、落叶林积雪融化温度阈值、针叶林积雪融化温度阈值、开阔地积雪融化温度阈值、开阔地积雪融化率、落叶林积雪融化率、针叶林积雪融化率和积雪-土壤界面的积雪融化率；所述气温降水模块包括：降雨-降雪临界温度、降水垂直递减率和气温垂直递减率。
9.根据权利要求5所述的流域湿地洪水调蓄功能量化评估方法，其特征在于，步骤12中，所述模拟不同湿地分布情境下的流域水文过程包括：
孤立湿地汇水区、孤立湿地和低地之间的产汇流过程；
河滨湿地汇水区、河滨湿地和低地之间的产汇流过程。
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