[发明专利]一种考虑土地利用时空演变的径流变化归因识别方法

摘要

本发明公开了一种考虑土地利用时空演变的径流变化归因识别方法，包括如下步骤：根据径流突变点将研究时期划分天然期和变化期；根据土地利用演变特征将变化期分段；建立流域SWAT模型；率定模型参数；对流域径流变化逐段逐项滚动式归因定量计算。本发明根据土地利用的演变特征将变化期细致划分，以充分考虑土地利用演变情况，基于SWAT模型能够准确描述流域下垫面特征、有效模拟水文过程的特征，建立起流域分布式水文模型以描述水文过程，通过对流域研究时期径流变化逐段、逐项滚动式计算，获得的归因定量识别结果充分考虑了土地利用演变对径流的影响。

主权项

1.一种考虑土地利用时空演变的径流变化归因识别方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据径流突变点将研究时期划分为天然期和变化期：采用如下检验方法找到径流时间序列突变点，判断突变点前后的累积分布函数是否存在显著的差异，构造统计量Ut，N：Ut，n式中：t＝1，2，...，N，θ＝x_j_x_i；x_j，x_i为时间序列；t为任一时间节点；sgn(·)为符号函数；N为时间序列长度；记统计量Ut，N的最大值为Kτ，对应的样本τ就是突变点，显著性水平检验公式如下：P＝2exp{‑6(kN)2/(N3+N2)}；式中，kN＝max[|Kτ|]；P为显著性水平；确定径流发生显著变化的时间后，以突变点为界将整个研究时期划分为天然时期和变化时期，并认为天然期受气候变化和人类活动的影响小于预期值，可反映上述径流时间序列所对应的流域的天然径流状况；步骤2，根据土地利用演变特征将变化期分成N段：搜集土地利用资料，统计不同时刻的各土地利用类型面积，反映各类型在数量上的变化，制作土地利用转移矩阵，反映不同土地类型在空间分布上的互相转换，根据土地利用的时空演变特征将变化期分成具有显著变化的N段，分段归因以充分考虑不同阶段土地利用对径流的影响，此时整个研究时期被划分成了N+1段；步骤3，通过ArcGIS平台下的ArcSWAT模块建立流域SWAT模型，具体分为以下几个子步骤：步骤31、子流域划分：根据流域DEM图层和人为设定的流域阈值，生成河网水系，以及与河网结构相关的若干出水口和入水口，在根据实际需要人为添加另外的出水口和入水口之后，确定流域总出水口，基于水力联系进行子流域划分，并分析计算各子流域的地形参数、几何参数和水流路径；步骤32、水文响应单元生成：划分子流域后，需要对各子流域划分水文响应单元HRU，反映不同下垫面条件下水文循环的特征，HRU是一个子流域内具有相同的土地利用类型、土壤类型和坡度类型的区域，是模型运行中的最小地块单元，将土地利用、土壤、坡度类型的空间分布数据集载入模型，根据其组合和分布，可生成若干个HRU；步骤33、数据输入与模型运行：将各类土壤属性数据、气象数据输入模型，在模型数据库中创建流域输入文件、子流域输入文件、HRU输入文件、管理输入文件、土壤输入文件和地下水输入文件，然后进行模型的运行；模型运行产生的结果主要包括流域内各HRU、各子流域和各演算河段的汇总信息，分别存放在HRU输出文件、子流域输出文件和主河道输出文件中；对模型运行结果进行分析计算，得出流域各部分的天然径流量；步骤4，根据天然期资料率定流域SWAT模型参数，具体分为以下几个子步骤：步骤41、参数敏感性分析：为了提高参数率定的效率，在进行参数敏感性分析后，排除众多参数中对模型结果影响较小的参数，选取敏感性较强的参数进行率定；敏感性是一个无量纲的指数，反映了模型结果随参数改变而变化的程度，敏感性结果的计算形式如下：式中：Si为参数i的敏感性结果；O为模型输出结果，其数学表达式为O＝f(F1，F2，…，Fn)；Fi为影响模型结果的参数；n为参数个数；敏感性结果通过绝对值、相对值或离差的形式进行表示；为对比不同参数的敏感性，选取相对值的形式，计算各参数的敏感性指数I，公式如下：步骤42、参数率定：采用SWAT‑CUP软件工具完成，选择SUFI‑2算法，该算法考虑了模型结构、输入数据、参数和实测数据的不确定性，通过拉丁超立方随机抽样法随机生成一组参数，代入SWAT模型中进行模拟，并比较模拟值与实测值的差异，减小参数范围，通过多次迭代运算，不断减小参数的不确定性范围，使模拟值不断与实测值相接近；步骤43、参数率定评价：选用相关系数R2和Nash Suttcliffe模型效率系数NSE评价SWAT模型参数的适用性；相关系数R2用于评价模拟值和实测值之间的吻合程度，计算公式如下：式中：Q_oi为第i时段的实测流量；为各时段实测流量的平均值；Q_si为第i时段的模拟流量；为各时段模拟流量的平均值；n为实测数据个数，等于参数率定的时段数；R2的值常介于0与1之间，愈接近1，说明实测值与模拟值线性相关程度愈高；R2大于0.8时，参数率定结果符合预期水平；NSE是一个整体综合指标，用于定量表示整个径流过程模拟值与实测值的拟合程度，计算公式如下：式中各变量含义同上，NSE的取值范围在0～1之间；当NSE＝1时，模拟效果最好；当NSE为负值时，模拟值可信度低；NSE大于0.7时，参数率定结果符合预期；步骤5，对流域径流变化逐段逐项滚动式归因定量计算，研究时期已经被分为N+1段，设i＝1，2，...，N，从变化时期第1段开始逐段逐项滚动式计算，具体分为以下几个子步骤：步骤51、保持阶段i‑1的下垫面条件不变，将阶段i的气象资料输入SWAT模型，则阶段i气候变化对径流的影响表示为：ΔRC，i＝R(Li‑1，Ci)‑R(Li‑1，Ci‑1)式中，ΔRc，i为阶段i气候变化引起的径流变化；Li‑1为阶段i‑1土地利用资料，Ci‑1和Ci分别为阶段i‑1和阶段i的气象资料；R(Li‑1，Ci)和R(Li‑1，Ci‑1)分别表示固定阶段i‑1的土地利用资料输入不变，分别采用阶段i和阶段i‑1的气象资料，经SWAT模拟得到的径流；步骤52、保持阶段i气候条件不变，模拟土地利用变化前后径流的变化，以表示阶段i土地利用对径流的影响：ΔRL，i＝R(Li，Ci)‑R(Li‑1，Ci)式中，ΔRL，i为阶段i土地利用变化引起的径流变化，即间接人类活动对径流的影响；R(Li，Ci)和R(Li‑1，Ci)分别表示固定阶段i的气象资料输入不变，分别采用阶段i和阶段i‑1的土地利用资料，经SWAT模拟得到的径流；步骤53、定量解析出气候变化和下垫面变化这种间接的人类活动对径流的影响后，剩下的径流变化归纳到流域内生活生产、流域外引水调水直接的人类活动：ΔRD，i＝ΔRT，i‑ΔRC，i‑ΔRL，i＝RO，i‑R(Li，Ci)式中，ΔRD，i为阶段i直接人类活动引起的径流变化，ΔRT，i为阶段i径流总变化，RO，i为阶段i实测径流。