CN116304161B - 一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法、系统及介质 - Google Patents
一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法、系统及介质 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及一种自然连通河流‑湖泊的水文连通度计算方法、系统及介质，方法包括，步骤1)，提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的空间关系；步骤2)，确定河流‑湖泊连通水道的水力参数；步骤3)，确定河流及湖泊水文参数；步骤4)，分别计算不同连通水道及河流‑湖泊连通度指数；步骤5)，确定河流‑湖泊综合水文连通度，结合长序列遥感及水文资料，分析对比河流‑湖泊水文连通度。本申请可实现对不同流域不同类型河流‑湖泊连通度进行定量计算，实现长时间序列连通度变化分析以及不同河‑湖系统的连通度横向对比，解决了目前针对单体河‑湖系统连通度无法定量分析的问题，为河网连通性综合评估体系构建提供了一种重要的技术手段。
Description
技术领域
本申请涉及水利工程领域，具体设计一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法、系统及介质。
背景技术
自然连通的河流-湖泊的水文连通可以直接表征河湖之间的水体交换程度与湖泊水位变化特征，也是河湖之间物质、能量及生物体进行交换的主要途径。河流自然连通湖泊的水文、水动力条件变化可归因于水文连通程度的变化，同时也影响河流及湖泊干旱洪水极端事件、水环境状况以及生物群落结构。对水文连通量化评价的研究一直是河湖生态、水资源管理及水环境修复等领域的热点问题。近年来，基于图论、GIS、景观分析等方法的河网系统水文连通评估日趋完善。这些方法可以较好地解决区域河网内景观斑块、水文连续性问题，但是局限于反映河流水系的水文结构连通特征。从物质输移角度分析水文连通结构及功能特征是水文连通量化评估的可行途径，对于特定河-湖系统，可以综合反映其结构及功能连通度。
目前国内外对于大尺度河网水系的结构连通计算的研究日趋成熟，在微观尺度的湿地水文连通评估方面也有较为系统的计算方法。然而，对于中尺度河-湖系统的水文连通定量评估、长时间序列演化、不同河-湖系统连通度对比方面的计算方法尚不完善，在综合反映结构及功能连通的计算方法方面尚不成熟。若能从物质输移角度对中尺度河流-湖泊水文连通度进行定量评估，则可直接对湖泊连通状况进行监测与实时计算，分析河流-湖泊水文连通的演变规律及趋势。该连通度指数还可以直接作为湖泊生态环境变化的影响因子。这对于湖泊演化规律、湖泊保护与治理等具有重要的意义。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法、系统及介质，可实现对不同流域不同类型河流-湖泊连通度进行定量计算，实现长时间序列连通度变化分析以及不同河-湖系统的连通度横向对比，解决了目前针对单体河-湖系统连通度无法定量分析的问题，为河网连通性综合评估体系构建提供了一种重要的技术手段。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法，包括以下具体步骤：
步骤1)，提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的空间关系；
步骤2)，确定河流-湖泊连通水道的水力参数；
步骤3)，确定河流及湖泊水文参数；
步骤4)，分别计算不同连通水道及河流-湖泊连通度指数；
步骤5)，确定河流-湖泊综合水文连通度，结合长序列遥感及水文资料，分析对比河流-湖泊水文连通度。
所述步骤1)中，基于遥感影像提取研究区域的水体信息；优选GEE平台JRC全球水体信息数据库，或者基于有中红外波段的传感器影像进行水体信息提取；提取水体信息后，利用ArcGIS10.7对水体面要素形心、连接点、面积这些空间信息进行分析。
所述采用GEE平台提供的计算代码运用改进归一化差异水体指数提取水体信息。
所述步骤2)中收集水力参数包括河道和漫滩断面形态、底质构成及植被状况、深泓及漫滩高程，限制断面在通江水道与湖泊连接点附近，通过非线性插值及积分方法构建限制断面过水面积、湿周与水位的关系曲线。
所述步骤3)中河道水位可通过站点水位数据进行插值，或利用一维水动力模型进行计算，湖泊水量数据通过用ACRGIS10.7平台分析工具中面积-体积统计模块进行计算，或者利用全湖区平均水深进行估算。
所述步骤4)中每一条连通水道的水文连通计算框架由湖泊及河道水文信息、连通水道水力参数构成，主要输入参数为河道或湖泊水位，每一条连通水道的水文连通计算公式如下：
式中fA-i、fx-i、fv分别为限制断面过水面积、水力半径及湖泊水量与水位之间的变化关系，Hlt-i为限制断面深泓高程，Hlake为湖泊水位，Hrive-i为第i条通江水道水位，ri为第i条通江水道的长度。
计算河流-湖泊综合连通度计算公式为：
式中Rlake湖泊水体面数据的等效圆半径，li为第i条通江水道连接点至湖泊形心G的距离。
第二方面，本申请实施例提供一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算系统，包括，
信息提取模块，用以提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的空间关系；
水力参数确定模块，用以确定河流-湖泊连通水道的水力参数；
水文参数确定模块，确定河流及湖泊水文参数；
计算模块，分别计算不同连通水道及河流-湖泊连通度指数；
水文连通度确定模块，确定河流-湖泊综合水文连通度，结合长序列遥感及水文资料，分析对比河流-湖泊水文连通度。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法的步骤。
与现有技术相比，本申请的有益效果是：首先基于遥感影像提取研究区域的水体信息，分析湖泊及连通水道形状参数及空间结构特征，然后，获取每通江水道的地形特点，确定主要水力参数与水位之间的变化曲线，之后，确定河流及湖泊水文参数，包括水位过程、湖容-水位曲线等，再之，计算不同连通水道河流-湖泊连通度指数，该指数包含了连通水道水力信息、水量交换强度及其对湖泊的影响程度、河流与湖泊空间关系等，最后，计算包含权重的河流-湖泊综合连通度。该方法使用较为简单，不需要精细的地形资料与复杂的数值模拟，可以较为全面地反映河流-湖泊的连通特征，使用该方法可以方便地对不同区域河流-湖泊水文连通的横向比较、反映河流-湖泊水文连通的演变规律。该方法也可以作为单体河流-湖泊水文连通的量化表征，引入到流域河网水文连通性评估中。该方法可以为定量分析水文连通提供参考。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请为具体实施方式提供的流程示意图。
图2为本申请提出的河流及湖泊关键空间参数及概化图。
图3为本申请实施例的基于GEE平台湖泊、连通水道及河道的水体识别结果图。
图4为本申请实施例的牛轭湖与长江水文连通年内变化规律图。
图5为本申请实施例系统框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
参照图1，本申请实施例提供一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法，包括以下具体步骤：
步骤1)，提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的空间关系；
步骤2)，确定河流-湖泊连通水道的水力参数；
步骤3)，确定河流及湖泊水文参数；
步骤4)，分别计算不同连通水道及河流-湖泊连通度指数；
步骤5)，确定河流-湖泊综合水文连通度，结合长序列遥感及水文资料，分析对比河流-湖泊水文连通度。
本申请提供一种适用于不同流域河流-湖泊(高原湖泊、平原湖泊)的水文连通度分析与评估的方法，以谷歌GEE平台数据、水文及地形监测资料为数据源，基于水文过程、水力特性、湖泊形态及空间信息，利用基于物质输移通道及效率的水文连通指数对河流-湖泊水文连通度进行分析。
根据本申请的一些优选实施方式，步骤1)中，基于遥感影像提取所研究湖泊及其与河流的连通水道的形态信息。可以选择GEE既有的水体信息数据库(JRC Monthly WaterHistory,v1.1；基于LANDSAT数据)，或者利用归一化差异指数(Modified NormalizedDifference Water Index，MNDWI)＝(GREEN-MIR)/(GREEN+MIR)(Green为绿波段；MIR为中红外波段)，由于MNDWI的构成采用了中红外波段，优先选择含有中红外波段的影像数据(如Landset 5)，GEE平台提供了计算代码。
提取湖泊、连通水道及河道水体信息后，确定湖泊形心(G)、面积(Alake)、与连通水道连接点(Ai，i为连通水道编号)；确定通江水道长度(ri，i为连通水道编号)及其与河道的连接点(Bi，i为连通水道编号)。
根据本申请的一些优选实施方式，步骤2)中需要收集水力参数包括河道和漫滩断面形态、底质构成及植被状况、深泓及漫滩高程。连通河道断面地形测量根据《水文测量规范》(SL58-2014)开展。
根据本申请的一些优选实施方式，确定过流面积最小断面为限制断面。
确定第i条连通水道限制断面深泓高程(Hlt-i)。
确定第i条连通水道限制断面过水面积(Ac-i)、湿周(χi)与水位(Hc-i)变化关系(Ac-i＝fA-i(Hc-i)，χi＝fx-i(Hc-i))。
根据本申请的一些优选实施方式，连通河道糙率参考河道糙率(ni)参考表(赵振兴,何建京.水力学.第2版[M].清华大学出版社,2010.)取值。
根据本申请的一些优选实施方式，步骤3)中，确定湖泊水位(Hlake)及每条连通水道连接点出的水位(Hrive-i，i为连通水道编号)，在实际操作中，Hrive-i可通过距离进行插值获得。
根据本申请的一些优选实施方式，对于没有水位测量数据的湖泊，Hlake可近似为每条连通水道连接点出的水位的平均值。确定湖泊水位-水量关系(Vl＝fv(Hlake))，在实际操作中，对于没有地形数据的湖泊，可根据遥感识别的水面面积与平均水深进行估算。
步骤4)中，需要逐条计算每条连通水道的水文连通度。
式中，左边项表征河流-湖泊水文连通的结构连通影响，即连通水道断面及水文特征对湖泊水体交换及物质输移的结构影响；右边项表征流-湖泊水文连通的功能连通影响，即连通水道水力参数对湖泊水体交换及物质输移效率的影响。在明确河道及湖泊形态参数后，仅输入河道或湖泊水位即可进行计算。湖泊水量单位为km2*m，通江水道长度单位为m，过水面积单位为m2，水位单位为m。
根据本申请的一些优选实施方式，若max(Hlake-Hrive-i)-hc-i≤0，则HCi＝0。
步骤5)中，计算通过遥感所得湖泊水体面数据的等效圆半径(Rlake)。
根据本申请的一些优选实施方式，每条连通水道对河流-湖泊连通度的贡献的权重，由等效圆半径与每条连通水道连接点到湖泊形心距离的比值(pi＝Rlake/li)确定。
根据本申请的一些优选实施方式，HC的计算方法对于长时间序列河流-湖泊水文连通性变化规律研究比较适用，连通水道的地形测量时间间隔需根据河道水沙条件确定，一般5～10年相对可靠。对于不同湖泊连通度之间的横向比较，最好获取湖泊地形资料。
通过对比分析HC与其他因子(如水质、生物完整性等)的关系，可通过自然间断点分级法对连通度进行分级。
已长江中游典型牛轭湖与长江水文连通度计算为例，对具体技术的实施步骤进行详细说明，其中关键步骤可参阅附图1。下述具体实施方式仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
本实施例提供一种基于景观连接度指数评价水文连通的方法，具体为以下步骤：
步骤1)，基于谷歌GEE平台(https://earthengine.google.com)，提取牛轭湖2010～2020年水体信息。使用GEE平台专用代码，采用经过辐射校正和大气校正的影像数据，采用归一化水体指数(Modified Normalized Difference Water Index,MNDWI)对影像进行处理，并通过Raster Color Slices功能对水体和非水体进行划分，并通过牛轭湖周边堤防及关键构筑物与水体空间关系对分类结果进行校验。图2为牛轭湖、通江水道及长江干流水体信息。
步骤2)，本实施例历史上上口与下均与长江连通，随着淤积及堤防建设等因素影响，上口已完全堵塞，仅下口与长江连通。因此，仅需分析下口与长江连通水道水力特性。本实施例对通江水道地形进行了测绘，测量断面间隔约500m，限制断面在通江水道如牛轭湖喇叭口附近。
根据通江水道河槽底质类型、通江水道河漫滩植被生长状况及构筑物情况，确定了糙率(n1)。绘制了湿周及过水面积随高程改变的变化曲线(Ac-1＝fA-1(Hc-1)，χi＝fx-1(Hc-1))。
步骤3)，确定河流与湖泊水文参数。通江水道与长江连接点年内逐日水位是基于附近上下游两个水位站(监利、调关)逐日水位数据，利用一维水动力模型求解所得。牛轭湖水位主要受长江水位变化影响，可近似为长江水位，并通过调查所得的几个水位数据进行校核。
步骤4)，计算河流-湖泊通江水道连通度。利用步骤2)确定的通江水道水力特征参数形成计算框架，以步骤3)确定的水位参数为输入变量，计算通江水道的水文连通度(HC1)。
步骤5)，计算河流-湖泊综合水文连通度。通过ArcGIS10.7对逐月水体信息面要素数据进行分析处理，提取逐月水体质心与水面面积，计算通江水道水文连通度加权值(p1)，确定计算河流-湖泊综合水文连通度(HC)。如图4，牛轭湖与长江干流水文连通度年内变化特征显著，全年连通度均大于零，但是季节变化显著，年内变化幅度在10万倍以上。长江干流水位变化可以从结构及功能两个方面影响水文连通度。通常情况下，在不同河-湖系统水文连通度横向比较时，湖泊水量及形态、通江水道断面形态、河湖水位及其变化是最关键的因素，本申请提供的包含水文水动力过程及空间结构特点的自然连通河流-湖泊水文连通度的计算方法，可以较好地考虑这些层面，并且提供适宜的量化指标。
步骤2)中提及的构建水位与过水面积、湿周之间的关系，可利用计算机语言(Matlab、R语言)编程实现，具体对实测的离散地形点插值，利用积分方法求解。步骤3)中提及的构建水位与湖泊水量之间的关系，在没有湖泊地形资料的前提下，可通过全湖区平均水深进行估算，在有湖泊地形时，利用ACRGIS10.7平台分析工具中面积-体积统计模块进行不同水位下湖泊水量的计算。
如图5，本申请实施例提供一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算系统，包括，
信息提取模块1，用以提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的空间关系；
水力参数确定模块2，用以确定河流-湖泊连通水道的水力参数；
水文参数确定模块3，确定河流及湖泊水文参数；
计算模块4，分别计算不同连通水道及河流-湖泊连通度指数；
水文连通度确定模块5，确定河流-湖泊综合水文连通度，结合长序列遥感及水文资料，分析对比河流-湖泊水文连通度。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
步骤1)，提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的空间关系；
步骤2)，确定河流-湖泊连通水道的水力参数；
步骤3)，确定河流及湖泊水文参数；
步骤4)，分别计算不同连通水道及河流-湖泊连通度指数；
步骤5)，确定河流-湖泊综合水文连通度，结合长序列遥感及水文资料，分析对比河流-湖泊水文连通度；
所述步骤1)中，基于遥感影像提取研究区域的水体信息；基于GEE平台JRC全球水体信息数据库，或者基于有中红外波段的传感器影像进行水体信息提取；提取水体信息后，利用ArcGIS10.7对水体面要素形心、连接点、面积这些空间信息进行分析；
采用GEE平台提供的计算代码运用改进归一化差异水体指数提取水体信息；
所述步骤2)中收集水力参数包括河道和漫滩断面形态、底质构成及植被状况、深泓及漫滩高程，过流面积最小断面为限制断面，限制断面在通江水道与湖泊连接点附近，通过非线性插值及积分方法构建限制断面过水面积、湿周与水位的关系曲线。
2.根据权利要求1所述的一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法，其特征在于，所述步骤3)中河道水位可通过站点水位数据进行插值，或利用一维水动力模型进行计算，湖泊水量数据通过用ACRGIS10.7平台分析工具中面积-体积统计模块进行计算，或者利用全湖区平均水深进行估算。
3.根据权利要求1所述的一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法，其特征在于，所述步骤4)中每一条连通水道的水文连通计算框架由湖泊及河道水文信息、连通水道水力参数构成，输入参数为河道或湖泊水位，每一条连通水道的水文连通计算公式如下：
式中fA-i、fx-i、fv分别为限制断面过水面积、水力半径及湖泊水量与水位之间的变化关系，Hlt-i为限制断面深泓高程，Hlake为湖泊水位，Hrive-i为第i条通江水道水位，ri为第i条通江水道的长度。
4.根据权利要求1所述的一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法，其特征在于，计算河流-湖泊综合连通度计算公式为：
式中Rlake为湖泊水体面数据的等效圆半径，li为第i条通江水道连接点至湖泊形心G的距离。
5.一种自然连通河流-湖泊的水文连通度计算系统，用以实现如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，包括，
信息提取模块，用以提取研究湖泊的形态信息以及湖泊与所连通河道的空间关系；
水力参数确定模块，用以确定河流-湖泊连通水道的水力参数；
水文参数确定模块，确定河流及湖泊水文参数；
计算模块，分别计算不同连通水道及河流-湖泊连通度指数；
水文连通度确定模块，确定河流-湖泊综合水文连通度，结合长序列遥感及水文资料，分析对比河流-湖泊水文连通度。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1-4任一所述的自然连通河流-湖泊的水文连通度计算方法的步骤。
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