一种人工化流域产流量确定方法及系统
本发明涉及流域产流量计算技术领域，特别是涉及一种人工化流域产流量确定方法及系统。
背景技术：
在流域水循环中，产流量的确定是最重要的部分之一，包括植物截留、填洼、下渗等许多环节。相应的，在流域水文模型中对产流量的确定过程的模拟需要进行重点的考虑，为反映流域内水文响应特征的分布，利用水文模型进行模拟时必须考虑流域内的空间异质性。研究者考虑到流域内地貌因子、地形曲率或山坡宽度等因素同流域内蓄水容量分布的关联性，以经验性规律、土壤类型或地形指数为基础进行蓄水容量空间分布的研究，均能很好地反映出自然流域下的产流空间异质性，进而用相应的流域结构特征反映出对应的流域蓄水容量曲线。
现有流域蓄水容量曲线都是基于经验的方法来确定，因此将其称为经验性蓄水容量曲线，具体过程为：令流域内某一点的蓄水容量为w'm，则流域蓄水容量曲线定义为蓄水容量小于或等于某w'm的流域面积，如图1，图中f为部分流域面积，f为全流域面积，w'mm为w'm的最大值。根据经验，蓄水容量曲线的线型为b次方的抛物线，即：
随着气候的变化和人类活动的不断加剧，自然流域逐渐变成高度人工化的非自然流域，由于受到人类活动参与，流域内的空间异质性变化复杂，使用以往方法在高度人工化的流域进行产流过程的模拟出现了诸多问题，进而降低了产流量模拟的精度。
技术实现要素：
基于此，本发明的目的是提供一种人工化流域产流量确定方法及系统，以提高人工化流域产流量模拟的精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种人工化流域产流量确定方法，所述方法包括：
步骤s1：计算不同土地利用类型下的蓄水容量；
步骤s2：以不同土地利用类型的流域面积占比为横坐标，以不同土地利用类型下的蓄水容量为纵坐标，构建人工化流域的蓄水容量曲线；
步骤s3：基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a；
步骤s4：降雨时，根据降雨量p、蒸发量e和雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a确定产流量。
可选地，所述降雨时，根据降雨量p、蒸发量e和雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a确定产流量，具体包括：
步骤s41：判断降雨量p是否大于蒸发量e；如果降雨量p小于或等于蒸发量e，则说明没有产流；如果降雨量p大于蒸发量e，则说明产流，执行“步骤s42”；
步骤s42：判断p-e+a是否大于或等于wn；如果p-e+a≥wn，则根据
可选地，所述基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a，具体公式为：
其中，a为雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值，wi为第i种土地利用类型的蓄水容量，si为第i种土地利用类型的流域面积占比，αm为前m种土地利用类型的流域面积占比和。
可选地，所述计算不同土地利用类型下的蓄水容量，具体包括：
步骤s11：根据地形指数和基流资料确定各土地利用类型下的包气带厚度；
步骤s12：通过土壤特性确定各土地利用类型下的田间持水率及凋萎系数；
步骤s13：通过所述包气带厚度、所述田间持水率及所述凋萎系数计算得到各土地利用类型下的蓄水容量。
可选地，所述不同土地利用类型包括建设用地、水体、裸地、草地、耕地和林地。
本发明还提供一种人工化流域产流量确定系统，所述系统包括：
蓄水容量确定模块，用于计算不同土地利用类型下的蓄水容量；
蓄水容量曲线构建模块，用于以不同土地利用类型的流域面积占比为横坐标，以不同土地利用类型下的蓄水容量为纵坐标，构建人工化流域的蓄水容量曲线；
蓄水容量值a确定模块，用于基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a；
产流量确定模块，用于降雨时，根据降雨量p、蒸发量e和雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a确定产流量。
可选地，所述产流量确定模块，具体包括：
第一判断单元，用于判断降雨量p是否大于蒸发量e；如果降雨量p小于或等于蒸发量e，则说明没有产流；如果降雨量p大于蒸发量e，则说明产流，执行“第二判断单元”；
第二判断单元，用于判断p-e+a是否大于或等于wn；如果p-e+a≥wn，则根据
可选地，所述基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a，具体公式为：
其中，a为雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值，wi为第i种土地利用类型的蓄水容量，si为第i种土地利用类型的流域面积占比，αm为前m种土地利用类型的流域面积占比和。
可选地，所述蓄水容量确定模块，具体包括：
包气带厚度确定单元，用于根据地形指数和基流资料确定各土地利用类型下的包气带厚度；
参数确定单元，用于通过土壤特性确定各土地利用类型下的田间持水率及凋萎系数；
蓄水容量定单元，用于通过所述包气带厚度、所述田间持水率及所述凋萎系数计算得到各土地利用类型下的蓄水容量。
可选地，所述不同土地利用类型包括建设用地、水体、裸地、草地、耕地和林地。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种人工化流域产流量确定方法及系统，首先计算不同土地利用类型下的蓄水容量；其次以不同土地利用类型的流域面积占比为横坐标蓄水容量为纵坐标，构建人工化流域的蓄水容量曲线；然后确定雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a；最后降雨时，根据降雨量p、蒸发量e和雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a确定产流量。本发明引入不同土地利用类型的流域面积占比构建人工化流域的蓄水容量曲线，进而使用基于人工化流域的蓄水容量曲线进行水文过程的模拟，以克服传统经验性蓄水容量曲线在受人类活动干扰大、土地利用变化复杂的高度人工化流域中应用的缺陷，进一步地提高了确定人工化流域产流量模拟的精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例经验性蓄水容量曲线图；
图2为本发明实施例人工化流域产流量确定方法流程图；
图3为本发明实施例6种土地利用类型与蓄水容量对应关系示意图；
图4为本发明实施例人工化流域的蓄水容量曲线图；
图5为本发明实施例降雨前土湿为s时流域状态示意图；
图6为本发明实施例在p-e较小时流域内产流计算示意图；
图7为本发明实施例降雨与产流量的关系图；
图8为本发明实施例人工化流域产流量确定系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种人工化流域产流量确定方法及系统，以提高人工化流域产流量模拟的精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示，本发明公开一种人工化流域产流量确定方法，所述方法包括：
步骤s1：计算不同土地利用类型下的蓄水容量。
步骤s2：以不同土地利用类型的流域面积占比为横坐标，以不同土地利用类型下的蓄水容量为纵坐标，构建人工化流域的蓄水容量曲线。本实施例中，流域面积占比为不同土地利用类型面积占整体流域面积的比重。
步骤s3：基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a。
步骤s4：降雨时，根据降雨量p、蒸发量e和雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a确定产流量。
下面对各个步骤进行详细论述：
步骤s1：计算不同土地利用类型下的蓄水容量，具体包括：
步骤s11：根据地形指数和基流资料确定各土地利用类型下的包气带厚度。
步骤s12：通过土壤特性确定各土地利用类型下的田间持水率及凋萎系数。
步骤s13：通过所述包气带厚度、所述田间持水率及所述凋萎系数计算得到各土地利用类型下的蓄水容量。一般情况下所得到的蓄水容量仍然是一条曲线，但是人工化流域由于同种土地利用内部受到人类活动干扰强度大，蓄水容量差异较小，所以用均值来代表该种土地利用类型下的蓄水容量。
本实施例中，不同土地利用类型包括建设用地、水体、裸地、草地、耕地和林地。在实际的流域应用中具体土地利用类型根据流域内具体情况可以有所调整。
步骤s2：以不同土地利用类型的流域面积占比为横坐标，以不同土地利用类型下的蓄水容量为纵坐标，构建人工化流域的蓄水容量曲线。
本发明认为同种土地利用类型的区域内蓄水容量相等，不同土地利用类型的区域内蓄水容量具有显著差异。具体包含以下两部分解释：第一，人工化流域内部某种土地利用类型的分布区域内，整体的蓄水容量大小满足统计规律分布(如正态分布、erlang分布)，并以统计规律分布的均值作为该种土地利用类型的蓄水容量值。在某种土地利用类型分布范围内，不同点的蓄水容量值差异是真实存在的，本发明以统计规律中的均值来概化其差异分布，在统计意义上具有可信性。第二，人工化流域内部不同点的蓄水容量在空间上受到土地利用分布的制约，即在一定面积内所有点的蓄水容量大小相等，同种土地利用类型蓄水容量值相同，不同土地利用类型蓄水容量值不同。最后，需要确定不同土地利用类型蓄水容量值的大小差异，作为蓄水容量曲线中横坐标排列顺序的依据，不同土地利用类型的蓄水容量值在蓄水容量曲线中通过纵坐标来体现。在具体实施时，通过对不同土地利用类型下的蓄水容量相关研究可以得到不同土地利用类型下的蓄水容量值，根据人工化流域内不同土地利用类型的面积大小和蓄水容量差异，可以依次将其反映到蓄水容量曲线当中。
本发明认为，对土地利用分类及其分析，可以得到人工化流域内不同土地利用类型的流域面积占比(即l/f，某一种土地利用类型的流域面积l占整体流域面积f的比重)，而l/f与经验性蓄水容量曲线的f/f关系密切，通过经验性蓄水容量曲线的定义可知，其横坐标f/f代表流域内不同区域的蓄水容量值大小的分布面积累计和，而不同土地利用类型下的蓄水容量值也存在相对大小及面积分布，与经验性蓄水容量曲线的横坐标定义具有相似性，因此可以利用不同土地利用类型的流域面积占比(l/f)作为人工化流域的蓄水容量曲线的横坐标，该种土地利用类型下的蓄水容量值的相对大小作为人工化流域的蓄水容量曲线的横坐标。具体的，令某一人工化流域内存在n种不同土地利用类型，其流域面积占比分别为s1、s2…sn，αi为前i种土地利用类型的流域面积占比和，在人工化流域的蓄水容量曲线中以横坐标参数αi来体现，即不同土地利用类型在曲线中横坐标分布范围为(α0,α1]、(α1,α2]…(αn-1,αn]，其中α0＝0,αi-αi-1＝si(1≤i≤n)；而令不同土地利用类型的蓄水容量分别为w1、w2…wn，相关研究表明蓄水容量与地形、土壤、植被信息息息相关，不同土地利用类型下的蓄水容量值可以通过具有物理意义的这些因子综合计算得到。具体的，可以通过地形指数及基流资料获得流域各土地利用类型下的包气带厚度，通过土壤特性确定各土地利用类型下的田间持水率及凋萎系数，通过包气带厚度、田间持水率及凋萎系数即可计算得到不同土地利用类型下的蓄水容量值。计算完成之后，以不同土地利用类型下蓄水容量作为蓄水容量曲线中的纵坐标。
综上所述，以不同土地利用类型的流域面积占比作为蓄水容量曲线的横坐标，以不同土地利用的蓄水容量值作为蓄水容量曲线的纵坐标，将经验性蓄水容量曲线转化为了具有物理意义的基于土地利用的不同土地利用类型下的蓄水容量曲线，用以反映受人类活动影响大的高度人工化流域的产流计算，即构建了本发明的基于土地利用的蓄水容量曲线。引入土地利用信息(不同土地利用类型的流域面积占比)经过变换后得到的蓄水容量曲线如图3，横坐标代表不同土地利用类型的流域面积占比(l/f，l代表某一种土地利用类型的流域面积，f代表整个流域面积)，纵坐标代表不同土地利用类型的蓄水容量(w’m)，α1为前1种不同土地利用类型的流域面积占比和，α6为前6种不同土地利用类型的流域面积占比和，w1至w6为不同土地利用类型下的蓄水容量。图3中该分段型蓄水容量曲线是单调不下降的函数，各段函数代表了流域内不同土地利用类型的流域面积占比及其蓄水容量值。
如图5所示，步骤s3：基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a，具体公式为：
其中，a为雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值，wi为第i种土地利用类型的蓄水容量，si为第i种土地利用类型的流域面积占比(即流域面积占整体流域面积的比重)，αm为前m种土地利用类型的流域面积占比和。
步骤s4：降雨时，根据降雨量p、蒸发量e和雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a确定产流量，具体包括：
步骤s41：判断降雨量p是否大于蒸发量e；如果降雨量p小于或等于蒸发量e，则说明没有产流；如果降雨量p大于蒸发量e，则说明产流，执行“步骤s42”；
步骤s42：判断p-e+a是否大于或等于wn(即土地利用蓄水容量最大值)；如果p-e+a≥wn，则根据
如图4，人工化流域内第i(1≤i≤n)种土地利用类型的占流域面积占比为αi-αi-1＝si，反映在蓄水容量曲线中的横坐标范围为(αi-1,αi]，是本发明蓄水容量曲线中不同部分的分段范围。在横坐标为(αi-1,αi]范围内第i种土地利用类型的蓄水容量为wi，反映在蓄水容量曲线的纵坐标，令蓄水容量曲线的第i段与横轴w'm＝0、l/f＝αi-1、l/f＝αi所围成的矩形面积wsi，则wsi能够反映流域内不同土地利用类型的蓄水容量总值；而各土地利用类型的函数围成的矩形面积之和∑wsi，即代表了流域内的平均蓄水容量值wmlucc-wscc，与流域平均蓄水容量值的计算公式(2)中第二个公式相符。
由公式(2)、(3)可知，在流域缺水量完全得到满足之后，人工化流域内的蓄水容量由降雨量完全填充，降雨中剩余的部分由蓄满产流机制可知全部产流。而在降雨量较小时的情况如图6所示，人工化流域内的部分蓄水容量(即横线部分)由降雨量填充，降雨中剩余的部分(即右斜线部分)在人工化流域内的产生径流量(即产流量)。
由公式(2)、(3)能够得到降雨与产流量的关系图，如图7所示。而与经验性蓄水容量曲线的降雨径流关系不同，由于引入土地利用信息(即不同土地利用类型的流域面积占比)后，流域蓄水容量曲线变换为分段函数的形式，降雨径流曲线则也变为相应的分段形式，不过同分段型蓄水容量曲线不同，降雨径流曲线(即降雨与产流量的关系曲线)相邻分段之间是连续的。
在降雨与产流量的关系图中，当土湿为si(令s0＝0)时，令此时土湿刚好能够使得第i种土地利用类型达到蓄水容量上限。
由图7可知，当s＝s0时，降雨与产流量的关系图为n段不同斜率的直线，其斜率依次分别为1/αi(1≤i≤n)；当s＝s1时，降雨径流曲线分为n-1段，其斜率分别为1/αi(2≤i≤n)；依此类推。当前期土湿s在si-1和si之间时，其形式与土湿等于si-1时的曲线形式相似，但在坐标系中的位置有所变化。当s＝sn＝wmlucc-wscc时，径流量(即产流量)r＝p-e，即降雨径流曲线是从原点出发的，斜率为1的直线，此时所有的降雨均转化为径流，满足蓄满产流机制的原理。
土地利用信息(即不同土地利用类型的流域面积占比)是反映人类活动程度的重要因子，同时也是对流域内下垫面变化最直接的反映，且同植被覆盖、土壤下渗、土壤深度等具有高度的相关性，其对产流空间异质性的影响必须加以考虑，大量研究表明土地利用信息与产流量关系最为密切，分析流域土地利用时空变化规律，是揭示流域产流过程变化的有效方式，本发明利用土地利用信息构建蓄水容量曲线，然后将蓄水容量曲线应用到受人类活动干扰大、土地利用变化复杂的高度人工化流域中进行水文过程的模拟计算，提高了确定人工化流域的产流量模拟的精度。
本发明基于matlab编程，建立了基于土地利用的蓄水容量曲线，从而基于蓄水容量曲线进行人工化流域产流量的精确计算。该方法通过流域土地利用类型的流域面积占比、土壤、地形、植被等多重具有特定物理意义的因子，综合其对产流量的影响及人为活动对这些因子的影响，构建出一种基于土地利用类型的蓄水容量曲线函数，求解流域内的产流过程，该方法名称为lucc-wscc。
如图8所示，本发明还提供一种人工化流域产流量确定系统，所述系统包括：
蓄水容量确定模块801，用于计算不同土地利用类型下的蓄水容量。
蓄水容量曲线构建模块802，用于以不同土地利用类型的流域面积占比为横坐标，以不同土地利用类型下的蓄水容量为纵坐标，构建人工化流域的蓄水容量曲线。
蓄水容量值a确定模块803，用于基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a。
产流量确定模块804，用于降雨时，根据降雨量p、蒸发量e和雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a确定产流量。
作为一种实施方式，本发明所述产流量确定模块804，具体包括：
第一判断单元，用于判断降雨量p是否大于蒸发量e；如果降雨量p小于或等于蒸发量e，则说明没有产流；如果降雨量p大于蒸发量e，则说明产流，执行“第二判断单元”。
第二判断单元，用于判断p-e+a是否大于或等于wn；如果p-e+a≥wn，则根据
作为一种实施方式，本发明所述基于人工化流域的蓄水容量曲线确定前m种土地利用类型达到蓄水容量的上限，第m+1种土地利用类型未达到或刚好达到蓄水容量上限时雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值a，具体公式为：
其中，a为雨前人工化流域土湿s对应的蓄水容量值，wi为第i种土地利用类型的蓄水容量，si为第i种土地利用类型的流域面积占比，αm为前m种土地利用类型的流域面积占比和。
作为一种实施方式，本发明所述蓄水容量确定模块801，具体包括：
包气带厚度确定单元，用于根据地形指数和基流资料确定各土地利用类型下的包气带厚度。
参数确定单元，用于通过土壤特性确定各土地利用类型下的田间持水率及凋萎系数。
蓄水容量定单元，用于通过所述包气带厚度、所述田间持水率及所述凋萎系数计算得到各土地利用类型下的蓄水容量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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