CN110795516B - 一种计算自然流域植物截流量的方法 - Google Patents

一种计算自然流域植物截流量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种计算自然流域植物截流量的方法，所述方法将目标流域按照自然流域划分的方法划分为几个子流域，然后通过GIS软件计算各子流域的各种植被覆盖率结合各种植被的植物截留量的经验值，采用面积加权法计算各子流域的植物截流量。采用本发明所述的方法，可以在掌握资料较少的情况下，通过较简单的操作可以单独计算出较高精度的子流域植物截留量，能够有效提高水文预报的精度。

Description

一种计算自然流域植物截流量的方法
技术领域
本发明属于水文预报技术领域，特别涉及一种计算自然流域植物截流量的方法。
背景技术
当前为进行分布式水文预报，计算各种滞蓄(如植物截留、土壤滞蓄、表面坑洼滞蓄等)对降雨产流的损失是必不可少的步骤之一。现广泛使用的计算各种滞蓄对产流的损失的方法是将这三种滞蓄(植物截留、土壤滞蓄和表面坑洼滞蓄)合并作为土壤蓄水量来处理，这种处理方法简化了流域产流损失的物理过程，计算简便，便于应用。然而三种滞蓄对产流产生影响的机制和消耗机制并不相同，当天然流域的植物截留和表面坑洼滞蓄量比较大的时候，这种将三种滞蓄量合并作为土壤蓄水量来处理的方法就会产生较大的误差，因此分别单独计算三种损失是有必要的。
发明内容
针对上述存在的问题，为了弥补这一不足，本发明提供了一种计算自然流域植物截流量的方法，将自然流域植物截留量单独进行计算，将目标流域按照自然流域划分的方法划分为几个子流域，然后依据各子流域的各植被种类植被覆盖率结合各种植被的植物截留量经验数据，采用面积加权法单独计算各子流域的植物截流量，从而提高水文预报精度。
本发明的目的的通过以下技术方案实现的：
一种计算自然流域植物截流量的方法，包括以下步骤：
S1，流域面文件的制作
收集目标流域出口断面的经纬度，将该位置点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，文件名记为OutletStation.shap；收集目标流域范围的DEM图，并将所述DEM图的文件类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中加载GeoHMS工具条，将栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析，经过包括填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域、给子流域赋予水文编号在内的一系列操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域面文件，记为subbasin315.shape；
S2，合并流域土地利用图
根据目标流域的范围，从地理环境数据云平台下载土地利用图，在GIS软件中加载该土地利用图，得到一幅包括完整目标流域的土地利用栅格图，合并后的栅格图记为MergeLU；
S3，提取目标流域的土地利用数据
将S2中得到的土地利用栅格图MergeLU，通过GIS空间分析工具，按照S1中得到的流域面文件subbasin315.shape进行提取，提取出目标流域的土地利用栅格图，记为Subbasin315LU；
S4，将栅格数据转换为矢量数据
通过GIS转换工具，将S3中得到的目标流域的土地利用栅格图转换为土地利用矢量图，记为RasterT_SubbasinLU；
S5，统计各子流域各土地利用类型
利用GIS统计工具，将S4中得到的土地利用矢量图RasterT_SubbasinLU的属性数据和S1中得到的流域面文件subbasin315.shape的属性数据进行交叉统计，得到各子流域的各土地利用类型的土地面积以及其在各子流域中所占的面积百分比，并筛选出其中与植被相关的土地面积以及其在各子流域中所占的面积百分比；
S6，计算各子流域的各种植被覆盖率
根据S5统计的各子流域中与植被相关的土地所占有的百分比，应用公式(1)-(4)计算植被覆盖率：
Figure BDA0002243066480000021
Figure BDA0002243066480000022
Figure BDA0002243066480000023
Figure BDA0002243066480000024
式中：GenVegeCovRate表示一般的不知种类的植被在子流域中的植被覆盖率；GrassCovRate表示草地在子流域中的植被覆盖率；DeciCovRate表示落叶林在子流域中的植被覆盖率；ConiCovRate表示针叶林在子流域中的植被覆盖率；
GenVegeCov、GrassCov、DeciCov、ConiCov分别表示一般的不知种类的植被在子流域中的土地面积，草地在子流域中的土地面积，落叶林在子流域中的土地面积，针叶林在子流域中的土地面积；SubbasinArea表示子流域的土地面积；
S7，计算各子流域的植物截流量
根据经验数据，一般的不知种类的植被植物截流量为1.3mm，草地和落叶林的植物截流量为2.0mm，针叶林的植物截流量为2.5mm；结合S6中得到的各种植被的植被覆盖率，采用面积加权的方法计算各子流域的植物截流量，计算公式见公式(5)：
Canopy＝1.3×GenVegeCovRate+2.0×(GrassCovRate+DeciCovRate)+2.5×ConiCovRate (5)
式中，Canopy表示植物截流量；GenVegeCovRate表示一般的不知种类的植被在子流域中的植被覆盖率；GrassCovRate表示草地在子流域中的植被覆盖率；DeciCovRate表示落叶林在子流域中的植被覆盖率；ConiCovRate表示针叶林在子流域中的植被覆盖率。
进一步的，S2中，若从地理环境数据云平台上下载的土地利用图的地理范围不能完全涵盖目标流域的地理范围，则下载多个区域的土地利用图，将下载的多个区域的土地利用图通过GIS数据管理工具进行合并操作，得到包括一幅包括完整目标流域的土地利用栅格图。
本发明相比现有技术的有益效果为：
本发明所述的计算自然流域植物截留量的方法，将目标流域按照自然流域划分的方法划分为几个子流域，然后通过GIS软件计算各子流域的各种植被覆盖率结合各种植被的植物截留量的经验值，采用面积加权法计算各子流域的植物截流量。采用本发明所述的方法，可以在掌握资料较少的情况下，通过较简单的操作可以单独计算出较高精度的子流域植物截留量，能够有效提高水文预报的精度。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及附表，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
附图说明
图1为实施例中所述A点位置图；
图2为实施例中所述A点属性图；
图3为所述澴河流域图；
图4为合并后的土地利用图
图5为澴河流域1990年土地利用图；
图6为澴河流域1990年土地利用矢量图；
图7-1、图7-2为各子流域土地利用类型及面积。
具体实施方式
本实施例以澴河孝昌县花园镇站以上流域植物截流量计算为例，以表现本发明达到的效果。
澴河流域位于湖北省长江以北，大别山南麓，江汉平原北部的孝感市地区，流域界于东经113°72＇～114°33＇，北纬30°86＇～31°89＇之间。干流全长8km，流域面积2590.88km2。流域地势东北高西南低，溶蚀低山与切割丘陵互为穿插。地貌以丘陵山地为主，东北部为低山区，海拔500～1000米，相对高度在100～300米，西南部低矮缓丘，海拔在100～500米。
本实施例基于GIS和GEOHMS工具对流域进行自然流域划分，利用GIS工具处理流域土地利用图计算出各子流域中不同植被的植被覆盖率，依据各种植物种类的植物截流量经验值以及不同种类的植被在子流域中的覆盖率，采用面积加权的方法推求目标流域各子流域的植物截流量。
本实施例计算自然流域植物截流量的方法的步骤如下：
S1：流域面文件制作
澴河流域出口断面在花园口水文站，该点A的经纬度坐标为(113.966667,31.25)，将该位置点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，文件名记为OutletStation.shap，见附图1，其属性见附图2；收集目标流域范围的DEM图，并将该文件类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中加载GeoHMS工具条，将栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析，经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域、给子流域赋予水文编号等操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域面文件，记为subbasin315.shape，见附图3。
S2：合并流域土地利用图
根据澴河流域地跨湖北、河南两省，本次从地理环境数据云平台下载1990年湖北、河南两省的土地利用图，将这两省的土地利用图通过GIS数据管理工具进行合并操作，得到包括一幅包括完整目标流域的土地利用栅格图，合并后的栅格图记为MergeLU，见附图4。
S3：提取目标流域的土地利用数据
将S2中合并后的流域土地利用栅格图MergeLU，通过GIS空间分析工具，按照S1中得到的流域面文件subbasin315.shape进行提取，提取出目标流域的土地利用栅格图，记为Subbasin315LU，见附图5。
S4：将栅格数据转换为矢量数据
通过GIS转换工具，将S3中得到的澴河流域的土地利用栅格图转换为土地利用矢量图，记为RasterT_SubbasinLU，见附图6。
S5：统计各子流域各土地利用类型
利用GIS统计工具，S4中得到的土地利用矢量图RasterT_SubbasinLU的属性数据和步骤一中得到的流域面文件subbasin315.shape的属性数据进行交叉统计，得到各子流域的各土地利用类型的土地面积以及其在各子流域中所占的面积百分比，见附图7，其中Gridecode为各种土地利用类型的编码。
从中筛选出其中与植被相关的土地面积以及其在各子流域中所占的面积百分比。编码31为林地；41、43和46均属于草地。根据实际情况，澴河流域的林地均为落叶林。
S6：计算各子流域的各种植被覆盖率
根据S5的统计的1990年各子流域中各种不同的土地利用类型的土地所占有的百分比，澴河流域的植被主要为草地和落叶林，由于这两种植被的植物截留量经验值相同，所以此处统计这两种植被总的植被覆盖率，统计结果见表1。
表1各子流域1990年的植被覆盖率
子流域编号 覆盖率(％) 子流域编号 覆盖率(％)
W110 59.77 W160 5.40
W120 52.99 W170 14.47
W130 9.81 W180 0
W140 25.38 W200 56.09
W150 1.93 W210 56.12
S7，计算各子流域的植物截流量
表1统计的各子流域总的植被覆盖率乘以草地和落叶林的植物截流量2.0mm，即为各子流域1990年的的植物截流量，计算结果见表2。
表2各子流域1990年的植物截留量
子流域编号 植物截流量(mm) 子流域编号 植物截流量(mm)
W110 1.20 W160 0.11
W120 1.06 W170 0.29
W130 0.20 W180 0
W140 0.51 W200 1.12
W150 0.04 W210 1.12

Claims (2)

1.一种计算自然流域植物截流量的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1，流域面文件的制作
收集目标流域出口断面的经纬度，将该位置点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件；收集目标流域范围的DEM图，并将所述DEM图的文件类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中加载GeoHMS工具条，将栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析，经过包括填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域、给子流域赋予水文编号在内的一系列操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域面文件；
S2，合并流域土地利用图
根据目标流域的范围，从地理环境数据云平台下载土地利用图，在GIS软件中加载该土地利用图，得到一幅包括完整目标流域的土地利用栅格图；
S3，提取目标流域的土地利用数据
将S2中得到的土地利用栅格图，通过GIS空间分析工具，按照S1中得到的流域面文件进行提取，提取出目标流域的土地利用栅格图；
S4，将栅格数据转换为矢量数据
通过GIS转换工具，将S3中得到的目标流域的土地利用栅格图转换为土地利用矢量图；
S5，统计各子流域各土地利用类型
利用GIS统计工具，将S4中得到的土地利用矢量图的属性数据和S1中得到的流域面文件的属性数据进行交叉统计，得到各子流域的各土地利用类型的土地面积以及其在各子流域中所占的面积百分比，并筛选出其中与植被相关的土地面积以及其在各子流域中所占的面积百分比；
S6，计算各子流域的各种植被覆盖率
根据S5统计的各子流域中与植被相关的土地所占有的百分比，应用公式(1)-(4)计算植被覆盖率：
Figure FDA0002717376200000011
Figure FDA0002717376200000021
Figure FDA0002717376200000022
Figure FDA0002717376200000023
式中：GenVegeCovRate表示一般的不知种类的植被在子流域中的植被覆盖率；GrassCovRate表示草地在子流域中的植被覆盖率；DeciCovRate表示落叶林在子流域中的植被覆盖率；ConiCovRate表示针叶林在子流域中的植被覆盖率；GenVegeCov、GrassCov、DeciCov、ConiCov分别表示一般的不知种类的植被在子流域中的土地面积，草地在子流域中的土地面积，落叶林在子流域中的土地面积，针叶林在子流域中的土地面积；SubbasinArea表示子流域的土地面积；
S7，计算各子流域的植物截流量
根据经验数据，一般的不知种类的植被植物截流量为1.3mm，草地和落叶林的植物截流量为2.0mm，针叶林的植物截流量为2.5mm；结合S6中得到的各种植被的植被覆盖率，采用面积加权的方法计算各子流域的植物截流量，计算公式见公式(5)：
Canopy＝1.3×GenVegeCovRate+2.0×(GrassCovRate+DeciCovRate)+2.5×ConiCovRate
(5)
式中，Canopy表示植物截流量；GenVegeCovRate表示一般的不知种类的植被在子流域中的植被覆盖率；GrassCovRate表示草地在子流域中的植被覆盖率；DeciCovRate表示落叶林在子流域中的植被覆盖率；ConiCovRate表示针叶林在子流域中的植被覆盖率。
2.根据权利要求1所述的计算自然流域植物截流量的方法，其特征在于，S2中，若从地理环境数据云平台上下载的土地利用图的地理范围不能完全涵盖目标流域的地理范围，则下载多个区域的土地利用图，将下载的多个区域的土地利用图通过GIS数据管理工具进行合并操作，得到包括一幅包括完整目标流域的土地利用栅格图。
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