基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法与流程

本发明属于空间信息技术在水利工程学领域应用技术，具体涉及一种基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法。

背景技术

未控区是一个无充足水文观测资料的区域。目前全球很多地方观测站网不完善，现有实测资料的密度很难满足正常流域水文预报精度的要求。未控区径流评估是水文研究中最具挑战性的任务之一。从流域水文测站到下游汇流水体，之间存在无径流观测资料区域。径流量缺乏阻碍了水文工程师和科学家准确预测水资源量和分析水量平衡。这一类型的未控区普遍存在于河流、湖泊和海洋边界外的缓冲区内。未控区多处于平原区，地势平坦，水流情况复杂；难以准确绘制河网与子流域，也很难准确模拟地下水交换、渗透、蒸散等机理，产汇流的空间变化不能被准确表达。此外，由于缺少径流观测数据，不能对水文模型进行校准和验证。因此，传统的水文模型很难方便并准确地计算未控区径流量。相关参考文献：

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另外，推理模型由于无需参数率定，因而被广泛应用于径流量预报中，公式如下：

q＝mpca(1)

其中，q表示径流量(m³/s)；p表示降雨(mm)；a表示流域面积(km²)，c径流系数，无量纲，反映了径流与降雨的比；m为无量纲单位转换的校正系数，一般设定为3.6。

传统水文计算应用中，推理模型中，径流系数在整个空间上数值统一。然而，径流反映了下垫面对产汇流的影响，尤其是土地利用类型与坡度。大量文献表明，在不同土地利用类型与坡度条件下，径流系数存在较大的差异。采用空间统一的径流系数很难准确模拟下垫面复杂的未控区径流量。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.准备未控区数据，包括地形数据、土地利用类型数据、降雨数据、上游控制区域实测径流数据；并且分别对地形数据、土地利用类型数据、降雨数据进行镶嵌、裁切、投影转换、空间插值操作，得到研究区范围内相应的栅格数据，其中，地形数据、土地利用类型数据、降雨数据的栅格数据空间分辨率相同；步骤2.构建基于空间分布式的径流系数模型，基于像素级别进行径流计算，确定未控区内各个像素所对应的径流系数，根据各个像素的径流系数计算出相应像素的网格径流量，进而对未控区内所有像素的网格径流量进行累加得到区域径流量；步骤3.对径流系数模型验证。

进一步地，本发明提供的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法，还可以具有以下特征：在步骤2中径流系数模型公式为：

qi＝mpiciai

式中，ci表示空间格网i处的径流系数，qi,pi,ai分别表示空间格网i处的径流量、降雨量与面积，m为校正系数。

径流系数定义为给定流域面积内径流总量与降雨总量的比值，表征降雨转为径流量的能力，由流域下垫面特性决定；流域下垫面复杂，其特征空间分布不同，流域的产汇流特征也不同，导致径流系数在空间上不是统一的，而是空间分布式的；因此，利用径流系数法进行径流预报时，需要考虑径流系数空间分布式特征。

进一步地，本发明提供的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，确定未控区内各个像素所对应的径流系数具体方法为：利用地形数据，计算未控区各像素区域的地形坡度；根据已有文献资料确定不同地形坡度下，各土地利用类型所对应的径流系数；针对各个像素，选取最接近的地形坡度和土地利用类型所对应的径流系数作为该像素的格网径流系数。

已有研究学者确定了不同地形坡度与不同土地利用类型下的径流系数，以下简称参考研究。但参考研究中土地利用类型分类与实际应用中的土地利用类型有很大差异。因此，在实际应用中，需要先确定流域的土地利用类型；然后，对于实际应用中的每一类土地利用类型，在参考研究中找到与其最接近的土地利用类型；最后设定实际研究中的径流系数为参考研究中对应的数值，并制定径流系数设定标准。

将坡度数据与土地利用类型数据进行叠置，通过不同土地利用类型和地形坡度的组合，并根据径流系数设定标准，确定未控区不同土地利用类型与坡度的径流系数，得到未控区径流系数空间分布图，即不同空间格网根据其不同土地利用类型和地形坡度给定一个确定的径流系数。

进一步地，本发明提供的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，具体验证方法为：将未控区上游的一个区域作为控制流域，并在该控制流域的出口与上游河道的入口处，分别设置一个水文站点，用于测量河道出口断面流量；控制流域上下游实测径流量之差表示控制流域的径流量，被用作实测径流量；利用径流系数模型计算控制流域的径流量；利用模型效率判定指标纳什系数(ens)和判定系数(r²)，对比实测径流与模拟径流，评估空间分布式径流系数模型的精度。

发明的作用与效果

根据本发明所提供的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法，由于径流计算是基于像素级别的，流域内每个像素被设定一个径流系数，构建一个全流域空间分布式的径流系数的方法用于计算径流，因此该方法更能充分体现流域不同空间位置的降雨径流特性，可以更为准确预报流域径流。本发明利用基于空间分布式径流系数计算未控区径流量，为无实测径流数据区域的水文预测提供一种新思路，以实现更准确的流域水量评估与水量平衡分析。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法的流程图；

图2为本发明实施例涉及的鄱阳湖流域未控区的地图；

图3为本发明实施例涉及的未控区土地利用类型空间分布图；

图4为本发明实施例涉及的未控区坡度空间分布图；

图5为本发明实施例涉及的未控区径流系数空间分布图；

图6为本发明实施例涉及的空间分布式径流系数水文预报模型的精度验证结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例所提供的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法包括以下步骤：

步骤1.准备未控区数据，包括地形数据、土地利用类型数据、降雨数据以及上游控制区域实测径流数据；并且分别对地形数据、土地利用类型数据、降雨数据进行镶嵌、裁切、投影转换、空间插值操作，得到研究区范围内相应的栅格数据，其中，地形数据、土地利用类型数据、降雨数据的栅格数据空间分辨率相同。

如图2所示，本实施例中研究区域为鄱阳湖流域未控区，从最临近湖泊的上游七个测站(虬津、万家埠、外洲，李家渡、梅港、虎山和杜锋坑等)延伸到湖泊下游出口。土地利用类型与坡度空间差异较大。土地利用类型影响土表径流过程，因此对水文响应具有重要影响。通过对2000年的landsattm/etm+图像，进行无监督分类方法获得最大似然聚类的土地利用结果，数据空间分辨率为30米。鄱阳湖未控区主要土地利用类型为林地、稻、草地和水体等，如图3所示。地形数据是数字高程模型(dem)数据，通过先进的星载热发射和反射辐射计(aster)获得，空间分辨率为30米，用于计算坡度百分比，结果如图4所示。降雨数据来源是trmm(热带降水测量任务)，实施例中使用了1998年1月至2013年12月期间trmm3b43v7月降水量，数据空间分辨率为0.25×0.25度。

石镇街与虎山站的月径流量来源于江西水文局，用于验证其模型的精度。

步骤2.构建基于空间分布式的径流系数模型，公式如下：

qi＝mpiciai

式中，ci表示空间格网i处的径流系数。此模型是在推理模型(公式1)基础上的改进，将空间统一的径流系数改进为空间分布式径流系数；qi,pi,ai分别表示空间格网i处的径流量、降雨量与面积；区域径流量为所有格网径流量的累加值。

径流系数ci的具体确定方法为：

(1)根据已有的研究成果确定不同坡度与土地利用类型条件下的径流系数，并制定研究区域的径流系数设定标准。

本实施例中，根据odot(2014)、guo(2006)、li(2014)等学者的研究成果，统计不同坡度与不同土地利用类型下的径流系数(简称为参考研究)，其中坡度分为三类：平坦(<2％)，起伏(2％～10％)，山地(>10％)。

但参考研究中土地利用类型分类与实际应用中的土地利用类型有很大差异。因此，在实际应用中，需要先确定流域的土地利用类型；然后，对于实际应用中的每一类土地利用类型，在参考研究中找到与其最接近的土地利用类型；最后设定实际研究中的径流系数为参考研究中对应的数值，并制定如下表1所示的径流系数设定标准。

表1本发明实施例的空间分布式径流系数根据不同土地里利用与坡度的取值

(2)利用地形数据，计算未控区坡度。将坡度数据与土地利用类型数据进行叠置，通过不同土地利用类型和地形坡度的组合，并根据径流系数设定标准，确定未控区不同土地利用类型与坡度的径流系数，得到未控区径流系数空间分布图，即不同空间格网根据其不同土地利用类型和地形坡度给定一个确定的径流系数。最终计算出鄱阳湖流域未控区空间分布式径流系数如图5所示。

步骤3.空间分布式径流系数的径流模型验证。

为了能够对空间分布式径流系数模型进行验证，整个研究区域需要包括未控区上游的一个控制流域。在此控制流域出口与上游河道入口，分别存在一个水文站点，用于测量河道出口断面流量。控制流域上下游实测径流量之差表示控制流域的径流量，被用作实测径流量。利用空间分布式径流系数模型计算控制流域的径流量。利用模型效率判定指标纳什系数(ens)、判定系数(r²)等，对比实测径流与模拟径流，评估空间分布式径流系数模型的精度。

在本实施例中，如图2所示石镇街与虎山站点之间的流域为控制流域，计算石镇街与虎山两个水文站点实测径流量之差，作为控制流域的实测数据。绘制控制流域边界，并利用空间分布式径流系数模型模拟控制流域径流量。

通过对比实测与模拟值，评估模型精度。实测数据与模拟值对比结果如图6所示，从中可以看出，实测值与模拟结果具有很好的一致性和同步性(r²>0.9,ens>0.9)。说明基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法具有较好的精度，可以真实地反映未控区径流量，在未控区径流预报研究中具有较好的应用前景。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于空间分布式径流系数的未控区径流计算方法并不限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。