一种流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法与流程

本发明属于海绵流域建设中基础设施调蓄能力评价领域，具体涉及一种棕色基础设施调蓄能力评估的统计算法。

背景技术：

气候变化和人类活动影响下，流域水循环及其伴生过程发生极大改变，稳定性下降，原有的自然变化节律被改变，一致性假设被打破，极端事件发生频率大幅增加，由此而引发的旱涝灾害日益加重。为此，需要充分发挥流域自然调节能力，整体提升流域的综合调节性能，以应对水循环的“极值化”态势。

土壤作为一种由无数具有蓄水作用的团粒和微粒结构组成的，持水孔隙占土体30％的疏松多孔体，具有存蓄和调节水分的功能，是流域最大的“蓄水体”。降水落到地面后，大部分被土壤截留蓄存形成土壤水。以土壤为载体，坡改梯工程、坡垄沟建设、“土质改良”措施、耕作管理和城市低影响开发等棕色基础设施建设，可大幅提升流域有效降水的蓄存量，具有“坦化极值，蓄丰补枯”的作用。

截止到目前，相关学者就土壤对水资源的调蓄作用进行了大量研究。然而，人为扰动后，棕色基础设施对水资源的调蓄作用仍鲜有报道，缺乏定量化指标。针对以上不足，建立流域尺度棕色基础设施对水资源调蓄能力的量化评价方法，成为发明人拟解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法，可以简单、快捷的定量化计算流域尺度棕色基础设施对水资源的调蓄能力，为海绵流域和水生态文明建设提供数据支撑。

本发明采用的技术方案为：

一种流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法，包括步骤：

s1：对流域dem数据、坡度、土地利用类型、土壤类型和土壤有效深度进行空间展布和标准化处理，确定棕色基础设施调蓄能力的基本评价单元；

s2：利用土壤水分特征指标，结合土壤有效深度，计算各评价单元的“土壤水库”的特征库容；

s3：以特征库容为背景值，根据面积权重，计算各类基础设施的调蓄能力，获得各评价单元的棕色基础设施总调蓄能力；

s4：统计求和，定量化流域尺度棕色基础设施调蓄能力。

进一步，所述流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法中所述s1的具体步骤为：将包括流域dem数据、坡度、土地利用类型、土壤类型和土壤有效深度的数据进行重分类，并进行空间融合；在空间融合之后，将坡度、土地利用、土壤类型和土壤有效深度相同的区域作为一个基本评价单元。

进一步，所述流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法中所述s2的具体步骤为：

s21：根据土壤特性参数，利用spaw模型工具计算获得土壤水分特征指标；

s22：基于研究区土肥站和实验观测结果，利用arcgis对土壤有效深度数据进行空间展布，获得各评价单元的土壤有效深度值；

s23：计算各评价单元的“土壤水库”的特征库容。

其中，所述土壤特性参数包括土壤颗粒组成和有机质含量；所述土壤水分特征指标包括饱和含水量、田间持水量和凋萎含水量。

进一步，所述流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法中所述s23中“土壤水库”的特征库容包括：死库容、有效库容、滞洪库容和总库容，其中引入了土壤有效深度的概念，并且计算如下：

式中，w0、wf、wg、ws分别对应土壤水库的死库容、有效库容、滞洪库容和总库容，万立方米；h为土壤有效深度，cm；n为土壤分层数；hi为各层土层厚度，cm；ωi、mi、θi分别对应相应土层的凋萎含水量、田间持水量和饱和含水量，cm³/cm³；a为对应评价单元的面积，km²。

进一步，所述流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法中所述s3的具体步骤为：

s31：根据流域管理和发展规划，结合实地调研，确定评价单元上包括坡改梯、坡垄沟、土质改良、耕作管理和城市低影响开发的各类基础设施的面积权重；

s32：以“土壤水库”有效库容为背景值，量化计算评价单元上各类基础设施的调蓄能力；

s33：统计加和，计算各评价单元棕色基础设施总调蓄能力。

进一步，所述流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法中所述s32中各类基础设施的调蓄能力的计算方法为：

坡改梯的调蓄能力：w1＝c1×r×λ1a/10；

坡垄沟的调蓄能力：

土质改良的调蓄能力：w3＝c3×wf×λ3；

耕作管理的调蓄能力：w4＝c4×pe×λ4a；

城市低影响开发的调蓄能力：w5＝β×wf×λ5/100；

式中，wi为第i类基础设施的调蓄能力，万立方米；ci为折算系数，大田实验获得；λi表示第i类基础设施实施面积占评价单元总面积的比例，0≤∑λi≤1；r为径流深，mm；a为对应评价单元的面积，km²；h为垄高，m；d为沟宽，m；γ为栅格坡度；wf为土壤水库的有效库容，万立方米；pe为降雨深，mm；β表示低影响开发透水面积增加率，％；其中，i＝1，2，…，5。

进一步，所述流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法中所述s33评价单元棕色基础设施总调蓄能力的计算公式为：

式中，wj表示第j个评价单元棕色基础设施总调蓄能力，万立方米；wfj表示第j个评价单元土壤水库的有效库容，万立方米；wij表示第j个评价单元第i类基础设施的调蓄能力，万立方米。

进一步，所述流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法中所述s4流域尺度棕色基础设施调蓄能力表示为：

式中，w总为流域棕色基础设施调蓄能力，万立方米；n为流域内评价单元总个数。

附图说明

在下文中将参照附图更完全地描述本发明的一些示例实施例；然而，本发明可以以不同的形式体现，不应当被认为限于本文所提出的实施例。相反，附图与说明书一起例示本发明的一些示例实施例，并用于解释本发明的原理和方面。

在图中，为了例示清楚，尺寸可能被夸大。贯穿全文，相同的附图标记指代相同的元件。

图1示意性地示出根据本发明的流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法的流程图。

图2示意性地示出根据本发明一实施例的泗河流域边界及dem信息。

图3示意性地示出根据本发明一实施例的泗河流域“土壤水库”总库容计算结果。

图4示意性地示出根据本发明一实施例的泗河流域坡垄沟建设调蓄能力计算结果。

具体实施方式

在下面的详细描述中，本发明的某些示例性实施例简单地通过例示的方式被示出和描述。如本领域技术人员将认识到的那样，所描述的实施例可以以各种不同的方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。因此，图和描述将被视为在本质上是例示性的，而不是限制性的。

如图1所示，一种流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法，包括步骤：

s1：对流域dem数据、坡度、土地利用类型、土壤类型和土壤有效深度进行空间展布和标准化处理，确定棕色基础设施调蓄能力的基本评价单元。

其具体表现为：参照相关规范标准，利用arcgis平台中的栅格计算工具(rastercalculate)对包括流域dem数据、坡度、土地利用类型、土壤类型和土壤有效深度的数据进行重分类；利用arcgis平台空间分析工具，进行各个空间属性表的融合；在空间融合之后，将坡度、土地利用、土壤类型和土壤有效深度相同的区域作为一个基本评价单元。

s2：利用土壤水分特征指标，结合土壤有效深度，计算各评价单元的“土壤水库”的特征库容。

其具体表现为：

首先，根据土壤特性参数，利用spaw模型工具计算获得土壤水分特征指标。具体地，利用《中国土壤》、《中国土种志》相关记录，获取土壤颗粒组成和有机质含量数值，并利用三次样条函数将土壤颗粒组成转换成国际制。将转换后的土壤颗粒组成和有机质含量数据导入到spaw模型中，计算饱和含水量、田间持水量和凋萎含水量等土壤水分特征指标。

其次，基于研究区土肥站和实验观测结果，结合研究区矢量边界，添加属性表，利用arcgis对土壤有效深度数据进行空间展布，获得各评价单元的土壤有效深度值。

最后，根据土壤有效深度，利用计算获得的土壤水分特征指标，计算各评价单元的“土壤水库”的特征库容。“土壤水库”的特征库容包括：死库容、有效库容、滞洪库容和总库容，其中引入了土壤有效深度的概念，并且计算如下：

式中，w0、wf、wg、ws分别对应土壤水库的死库容、有效库容、滞洪库容和总库容，万立方米；h为土壤有效深度，cm；n为土壤分层数；hi为各层土层厚度，cm；ωi、mi、θi分别对应相应土层的凋萎含水量、田间持水量和饱和含水量，cm³/cm³；a为对应评价单元的面积，km²。

s3：以特征库容为背景值，根据面积权重，计算各类基础设施的调蓄能力，获得各评价单元的棕色基础设施总调蓄能力。

首先，根据流域管理和发展规划，结合实地调研，统计流域内包括坡改梯、坡垄沟、土质改良、耕作管理和城市低影响开发的各类基础设施的实施面积及空间分布，以此确定评价单元上各类基础设施的面积权重。

其次，以“土壤水库”有效库容为背景值，量化计算评价单元上各类基础设施的调蓄能力。计算公式具体为：

坡改梯的调蓄能力：w1＝c1×r×λ1a/10；

坡垄沟的调蓄能力：

土质改良的调蓄能力：w3＝c3×wf×λ3；

耕作管理的调蓄能力：w4＝c4×pe×λ4a；

城市低影响开发的调蓄能力：w5＝β×wf×λ5/100；

式中，wi为第i类基础设施的调蓄能力，万立方米；ci为折算系数，大田实验获得；λi表示第i类基础设施实施面积占评价单元总面积的比例，0≤∑λi≤1；r为径流深，mm；a为对应评价单元的面积，km²；h为垄高，m；d为沟宽，m；γ为栅格坡度；wf为土壤水库的有效库容，万立方米；pe为降雨深，mm；β表示低影响开发透水面积增加率，％；其中，i＝1，2，…，5。

最后，统计加和，计算各评价单元棕色基础设施总调蓄能力。计算公式具体为：

式中，wj表示第j个评价单元棕色基础设施总调蓄能力，万立方米；wfj表示第j个评价单元土壤水库的有效库容，万立方米；wij表示第j个评价单元第i类基础设施的调蓄能力，万立方米。

s4：统计求和，定量化流域尺度棕色基础设施调蓄能力。其具体表现为，将流域内各评价单元上棕色基础设施调蓄能力进行统计加和，计算获得流域棕色基础设施调蓄能力。计算公式为：

式中，w总为流域棕色基础设施调蓄能力，万立方米；n为流域内评价单元总个数。

下面将详细描述根据本发明一实施例的泗河流域棕色基础设施现状调蓄能力评估方法。

以泗河流域为例，研究区dem原始数据下载自美国太空总署提供的srtm(shuttleradartopographymission)数据，如图2所示；土地利用、土壤类型和土壤有效深度数据来源于淮河水利委员会及相关各县市水利局和土肥站等。

s1：对流域数字高程数据(dem)、坡度、土地利用类型、土壤类型和土壤有效深度等进行空间展布和标准化处理，确定棕色基础设施调蓄能力基本评价单元；其具体表现为，参照《水土保持综合治理规划通则gb_t15772-1995》中关于坡度分级的标准，利用arcgis平台中的rastercalculate工具对dem、坡度等进行重分类；利用arcgis平台dissolve工具，对土地利用和土壤类型等数据属性表进行融合；将空间融合后，坡度、土地利用、土壤类型和土壤有效深度等相同的区域作为一个基本评价单元。

s2：利用土壤水分特征指标，结合土壤有效深度，计算各评价单元“土壤水库”的特征库容；其具体表现为，利用《中国土壤》、《中国土种志》相关记录，统计泗河流域各土壤类型颗粒组成和有机质含量数据；利用三次样条函数将土壤颗粒组成转换成国际制；将土壤颗粒组成和有机质含量数据导入至spaw模型中，计算土壤水分特征指标；利用土壤水分特征指标，结合各类土壤有效深度，计算评价单元“土壤水库”特征库容，详见图3。

s3：以特征库容为背景值，根据面积权重，计算坡改梯、坡垄沟、土质改良、耕作管理和城市低影响开发等基础设施的调蓄能力，合计获得评价单元棕色基础设施总调蓄能力；其具体表现为，根据泗河流域管理和发展规划，统计流域内坡改梯、坡垄沟、土质改良、耕作管理和城市低影响开发等基础设施的实施面积及空间分布，以此确定评价单元上各类基础设施的面积权重；

其次，以“土壤水库”有效库容为背景值，量化计算评价单元上各类基础设施的调蓄能力。以坡垄沟调蓄能力为例，详见图4。

最后，累加各类基础设施的调蓄能力，计算获得评价单元棕色基础设施总调蓄能力。

s4：统计求和，定量化流域尺度棕色基础设施调蓄能力；其具体表现为，将流域内各评价单元上棕色基础设施总调蓄能力进行统计加和，计算获得泗河流域棕色基础设施调蓄能力。详见下表1。