一种大型区域水土要素耦合的测算方法与流程

本发明涉及一种水土要素评估方法，具体是一种大型区域水土要素耦合的测算方法。

背景技术：

水土资源既是生态经济系统中基础性、战略性和敏感性的因素，也是人类生产、生活的核心资源和社会经济发展的支撑与保障，其空间分布对区域粮食生产和耕地可持续利用有重要影响。2018年我国自然灾害造成1.3亿人次受灾，农作物受灾面积20814.3千公顷，直接经济损失3644.6亿。农业生产空间和生态空间是人类生存发展的重要载体，水土要素是两种空间的核心要素，水土要素耦合的实现尤其重要。目前国内外关于水土资源(要素)耦合方面的相关研究多侧重生产或生活单一功能空间的水土耦合，而综合考虑生产、生活、生态空间的水土要素耦合研究实为鲜见，且已有研究所采用的水资源量同土地面积之间的数量配和耦合协调度均不能有效刻画水土要素耦合的丰缺程度，难以满足国家、科研机构等对大区域农业和生态空间水分缺失的动态监测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑地形因素，充分利用各项数据来评估大区域农业生产和生态空间水土要素耦合，计算方法更加简单，结果可验证。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种大型区域水土要素耦合的测算方法，包括以下具体步骤：

(1)资料收集：获取研究区的地形数据(dem)、年月降水量、土壤类型、作物系数、土地利用、各种植被地表径流系数、实际蒸发量、潜在蒸散发量，建立研究区水土要素耦合评估的地理信息基础数据库；

(2)计算区域的水资源供给量指数和土地面积需水量指数；

其中，水资源供给量包括植被有效降水量和农作物的有效降水量，生态空间水资源供给量采用天然降水量减去地表径流量和植物截留量表示，农业生产空间水资源量采用有效降水量表示；

土地面积需水量包括植被需水量和作物需水量，植被需水量通过最小生态需水量计算得到，作物需水量采用联合国粮农组织推荐的方法。

具体的计算过程为：

(a)w＝(1-a-sv)×p+pe(1)

式中，w为水资源有效供给量，a为各种植被地表径流系数，sv为植被冠层截留降水量，p为年降水量，pe为作物年有效降水量。

(b)作物截留量sv:

式中，sv为累计植被冠层截留降水量(mm)，p为年降水量(mm)，smax为植被冠层最大截留能力(mm)，η为校正系数，lai为叶面积指数。

(c)有效降水量pe：

式中，pe为年有效降雨量，pm为月降雨量。

(d)l＝l1+l2

式中，l为土地面积需水量，l1为最小生态需水量，l2为作物水量

(e)最小生态需水量

最小土壤含水量是指能够维持植被的生命和正常生产所需要的土壤含水量，本发明采用临界土壤有效含水量表示最小土壤含水量，其值大约为田间持水量的70％-80％。关于田间持水量、凋萎系数和土壤容重的取值，需根据植被类型的土层厚度来确定相关系数。

式中，l1代表实际蒸散发量(mm)，etp为潜在蒸散量(mm)，β为蒸发比系数。其中，w为土壤有效含水量(cm³/cm³)；wk是临界土壤有效含水量(cm³/cm³)。

(f)作物需水量的计算

l2＝et0·kp·ks(5)

式中，l2为参考作物蒸发蒸腾量(mm)。kp为作物系数，根据研究区情况确定。ks为土壤水分限制系数，ks为土壤水分限制系数，其中砂土、黏土、粉砂土水分限制系数分别为0.9007、0.8936、0.9004。

(3)构建区域水土要素耦合指数，根据耦合指数分级为缺水区、平衡区和充沛区三种类型；

c＝w/l(6)

式中，c表示水土要素耦合指数，w表示水资源有效供给量，l表示土地面积需水量，水土资源供给量与需水量同土地利用方式有关；

(4)gis软件输出图片。

本发明考虑地形状况，对相关数据要素进行空间插值，将天然降水和有效降水作为水资源供给量，同时将直接和间接计算得到的农作物需水量和生态需水量作物供给量，对水资源供给量和作物与植被需水量进行匹配，得到水土要素耦合指数，并且分级为充沛区、平衡区、缺水区三种类型。最后通过arcgis进行空间可视化，本发明所需数据来源规范、操作便利，特别是改进了的生态需水量估算方法，弥补了国内现有研究采用一种或者几种植被代替研究小区域生态需水量的不足，同时气象数据采用anusplin插值方法，更加符合实际，为开展大区域粮食生产安全和生态文明建设监测提供帮助，为农业和环保部门因地制宜开展资源型缺水、工程型缺水诊断提供支撑。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为实施例的三大山区区位示意图；

图3a为实施例1990年太行山区水土耦合空间格局；

图3b为实施例1995年太行山区水土耦合空间格局；

图3c为实施例2000年太行山区水土耦合空间格局；

图3d为实施例2005年太行山区水土耦合空间格局；

图3e为实施例2010年太行山区水土耦合空间格局；

图3f为实施例2015年太行山区水土耦合空间格局；

图4a为实施例1990年横断山区水土耦合空间格局；

图4b为实施例1995年横断山区水土耦合空间格局；

图4c为实施例2000年横断山区水土耦合空间格局；

图4d为实施例2005年横断山区水土耦合空间格局；

图4e为实施例2010年横断山区水土耦合空间格局；

图4f为实施例2015年横断山区水土耦合空间格局；

图5a为实施例1990年黔桂喀斯特山区水土耦合空间格局；

图5b为实施例1995年黔桂喀斯特山区水土耦合空间格局；

图5c为实施例2000年黔桂喀斯特山区水土耦合空间格局；

图5d为实施例2005年黔桂喀斯特山区水土耦合空间格局；

图5e为实施例2010年黔桂喀斯特山区水土耦合空间格局；

图5f为实施例2015年黔桂喀斯特山区水土耦合空间格局。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本申请中的技术方案，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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

按照如图1所示的步骤，一种大型区域水土要素耦合的测算方法，包括以下具体步骤：

(1)资料收集：获取研究区的地形数据(dem)、年月降水量、土壤类型、作物系数、土地利用、各种植被地表径流系数、实际蒸发量、潜在蒸散发量，建立研究区水土要素耦合评估的地理信息基础数据库；

(2)计算区域的水资源供给量指数和土地面积需水量指数；

其中，水资源供给量包括植被有效降水量和农作物有效降水量，生态空间水资源供给量采用天然降水量减去地表径流量和植被截留量表示，农业生产空间水资源量采用有效降水量表示；

土地面积需水量包括植被需水量和作物需水量，植被需水量通过最小生态需水量计算得到，作物需水量采用联合国粮农组织推荐的方法。

具体的计算过程为：

(a)w＝(1-a-sv)×p+pe(1)

式中，w为水资源有效供给量，a为各种植被地表径流系数，sv为植被冠层截留降水量，p为年降水量，pe为作物年有效降水量。

(b)

式中，sv为累计植被冠层截留降水量(mm)，p为年降水量(mm)，smax为植被冠层最大截留能力(mm)，η为校正系数，lai为叶面积指数。

(c)效降水量s：

式中，pe为年有效降雨量，pm为月降雨量。

(d)l＝l1+l2(4)

l为土地面积需水量，l1为最小生态需水量，l2为作物水量。

(e)最小生态需水量

最小土壤含水量是指能够维持植被的生命和正常生产所需要的土壤含水量，本发明采用临界土壤有效含水量表示最小土壤含水量，其值大约为田间持水量的70％-80％。关于田间持水量、凋萎系数和土壤容重的取值，需根据植被类型的土层厚度来确定相关系数。

式中，l1代表实际蒸散发量(mm)，etp为潜在蒸散量(mm)，β为蒸发比系数。其中，w为土壤有效含水量(cm³/cm³)；wk是临界土壤有效含水量(cm³/cm³)，本实施例取75％。

(f)作物需水量的计算

l2＝et0·kp·ks(6)

式中，l2为参考作物蒸发蒸腾量(mm)。kp为作物系数，根据研究区情况确定。ks为土壤水分限制系数，ks为土壤水分限制系数，其中砂土、黏土、粉砂土水分限制系数分别为0.9007、0.8936、0.9004。

(3)构建区域水土要素耦合指数，根据耦合指数分级为缺水区、平衡区和充沛区三种类型；

c＝w/l(7)

式中，c表示水土要素耦合指数，w表示水资源有效供给量，l表示土地面积需水量。

水土资源供给量与需水量同土地利用方式有关。据水土要素耦合指数匹配程度划分为缺水区(c<0.8)、平衡区(0.8≤c≤1.5)、充沛区(c>1.5)3种类型。水土耦合类型需要结合研究区情况，进行确定。

(4)gis软件输出图片。

本实施例研究区域如图2所示，三大山区为研究区，基本概况：

1太行山区水土要素耦合时空特征

从图3a到图3f可知，太行山区绝大部分处于缺水区，无充沛区，平衡区仅分布在长治和晋城两市。就其时空变化而言，略呈周期性变化特征，即水土耦合平衡区从1990年的长治和晋城、以及阳泉、晋中向2000年的邯郸和安阳转移及收缩；而2015年水土耦合情形基本与1990年一致，表明气象水文周期直接影响水土要素耦合的时空差异性。整体上，太行山区资源型缺水严重，各年份大部分地区均为缺水区。

2横断山区水土要素耦合时空特征

从图4a到图4f可知，横断山区水土要素耦合空间上呈现出充沛区、平衡区和缺水区。1990年横断山区绝大部分为平衡区和充沛区，缺水区集中在西偏北地区，即迪庆、昌都、甘孜和阿坝部分地区；而2000年平衡区增加，缺水区减少，但充沛区仅零星分布西南角和东部；2015年缺水区扩大，迪庆和昌都近乎全域缺水，平衡区减少，充沛区有所增加，但不及1990年的充沛区。表明气候变化的周期性影响十分突出。

3黔桂喀斯特山区水土要素耦合时空特征

从图5a到图5f可知，1990-2015年黔桂喀斯特山区水土耦合指数表征的三个类型区空间变化很大，其中充沛区25年间经历了逐渐减少，2005年最少，而至2015年快速恢复且超过了1990年，表明气候变化主导水土耦合变化的大趋势特征，局部人类活动加剧了缺水区面积的增加。