本發明涉及海綿流域建設中海綿體調蓄能力的評價領域，具體涉及一種流域綠色基礎設施對地表徑流調蓄能力的評價方法。

背景技術：

氣候變化和人類社會的快速發展改變了流域水循環及其伴生過程，產生了嚴重的水資源、水環境和水生態問題；因此，開展生態海綿流域建設，降低自然水循環的極值過程，減少社會水循環過程對自然水循環的干擾，既是流域綜合治理的需要，也是人類文明發展的必然趨勢。

林地、草地和濕地等綠色基礎設施作為主要的海綿體，影響流域徑流過程，在流域暴雨-徑流過程中，綠色基礎設施一般可作為地表調蓄設施，用于調節流域水循環的極值過程。

圖2示意性的給出了植被變化影響流域水文過程，圖3示意性的給出了濕地作為重要的水文單元影響流域水文過程；目前，生態海綿流域的研究正處于萌芽階段，缺乏海綿體調蓄能力的標準值的問題；因此提出綠色基礎設施對暴雨-徑流過程調蓄能力的標準值，可為生態海綿流域綠色基礎設施的選取和布設提供依據。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種更科學、更合理地計算單位面積綠色基礎設施調洪能力、為生態海綿流域綠色基礎設施的選取和布設提供依據的流域綠色基礎設施對地表徑流調蓄能力的評價方法。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：提供一種流域綠色基礎設施對地表徑流調蓄能力的評價方法，其包括：

S1：將流域內綠色基礎設施進行標準化處理，得到綠色基礎設施單元；

S2：確定暴雨頻率下、類型為綠色基礎設施和為裸地的坡面斑塊的流域洪水過程線；

S3：根據流域洪水過程線分析確立綠色基礎設施的調洪庫容；

S4：對調洪庫容和綠色基礎設施單元進行分析計算，得到單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值。

優選地，流域綠色基礎設施為林地或草地。

進一步地，S1的具體步驟為：獲取流域內的高程數字模型，將高程數字模型單元格上坡度為15°、郁閉度或植被覆蓋率為1的綠色基礎設施作為綠色基礎設施單元。

進一步地，S2的具體步驟為：通過遙感和GIS技術獲得流域內暴雨頻率下、類型為綠色基礎設施或裸地的坡面斑塊；

設定坡面斑塊類型為綠色基礎設施，根據流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線；

設定坡面斑塊類型為裸地，根據流域分布式水文模型確定與綠色基礎設施相對應的暴雨頻率下的流域洪水過程線。

進一步地，S3的具體步驟為：將綠色基礎設施和裸地條件下流域洪水過程線間的陰影部分面積作為綠色基礎設施的調洪庫容；

綠色基礎設施調洪庫容的計算公式為：

進一步地，S4的具體步驟為：根據面積統計算式統計流域內綠色基礎設施單元的總面積，根據調洪庫容和流域內綠色基礎設施單元的總面積，通過調蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值；

面積統計算式為：

其中，A_G為流域內綠色基礎設施單元的總面積，A_G標為綠色基礎設施單元的單元面積，為第i個高程數字模型單元格的坡度與綠色基礎設施單元坡度的面積比；β_i為第i個高程數字模型單元格的植被覆蓋度或郁閉度與綠色基礎設施單元的植被覆蓋度或郁閉度下的面積比；

調蓄能力算式為：

其中，V_G為單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流量的標準值；V_調為綠色基礎設施的調洪庫容；A_G為流域內綠色基礎設施單元的總面積。

優選地，流域綠色基礎設施為濕地。

進一步地，S2的具體步驟為：通過遙感和GIS技術獲得濕地這一流域綠色基礎設施或其它坡面斑塊類型；

保持流域內含有濕地的坡面斑塊類型，根據流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線；

將流域內濕地坡面斑塊類型設置為裸地，根據流域分布式水文模型確定與濕地這一綠色基礎設施的相對應的暴雨頻率下的流域洪水過程線。

進一步地，S3的具體步驟為：將綠色基礎設施和裸地條件下流域洪水過程線間的陰影部分面積作為綠色基礎設施的調洪庫容；

綠色基礎設施調洪庫容的計算公式為：

進一步地，S4的具體步驟為：統計流域內濕地這一綠色基礎設施單元的總面積，根據調洪庫容和流域內綠色基礎設施單元的總面積，通過調蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值；

調蓄能力算式為：

其中，V_GW為單位面積的濕地這種綠色基礎設施調蓄地表徑流的量，V_調為濕地這種綠色基礎設施的調洪庫容；A_GW為流域內濕地這種綠色基礎設施的總面積。

本發明的有益效果為：該流域綠色基礎設施對地表徑流調蓄能力的評價方法針對目前研究正處于萌芽階段的生態海綿流域，提供了一種綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值；且其綠色基礎設施包括草地、林地和濕地，在綠色基礎設施影響流域水文過程中，當流域發生暴雨事件時，在綠色基礎設施在地表徑流過程中起主要作用的理論基礎上，應用流域分布式水文模型并參考防洪庫容的計算獲得流域綠色基礎設施的調洪庫容，具有評價準確性、合理性強的特點，而得出的綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值可以為生態海綿流域綠色基礎設施的選取和布設提供依據。

附圖說明

圖1示意性的給出了流域綠色基礎設施對地表徑流調蓄能力的評價方法的步驟示意圖。

圖2示意性的給出了草地和林地這一綠色基礎設施對水文過程的影響示意圖。

圖3示意性的給出了濕地這一綠色基礎設施對水文過程的影響示意圖。

圖4示意性的給出了草地、綠地或濕地這一綠色基礎設施調洪庫容的確定示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一種實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明的保護范圍。

如圖1所示，該流域綠色基礎設施對地表徑流調蓄能力的評價方法包括：

S1：將流域內綠色基礎設施進行標準化處理，得到綠色基礎設施單元；

S2：確定暴雨頻率下、類型為綠色基礎設施和為裸地的坡面斑塊的流域洪水過程線；其中，優選暴雨頻率包括5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇中的一個或多個。

S3：根據流域洪水過程線分析確立綠色基礎設施的調洪庫容；

S4：對調洪庫容和綠色基礎設施單元進行分析計算，得到單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值。

在具體實施中，當該綠色基礎設施為草地或林地時，獲取流域內的高程數字模型，將高程數字模型單元格上坡度為15°、郁閉度或植被覆蓋率為1的綠色基礎設施作為綠色基礎設施單元。

通過遙感和GIS技術獲得流域內暴雨頻率下、類型為綠色基礎設施或裸地的坡面斑塊；設定坡面斑塊類型為綠色基礎設施，根據流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線；設定坡面斑塊類型為裸地，根據流域分布式水文模型確定與綠色基礎設施相對應的暴雨頻率下的流域洪水過程線。

當該綠色基礎設施為濕地時，通過遙感和GIS技術獲得濕地這一流域綠色基礎設施或其它坡面斑塊類型；保持流域內含有濕地的坡面斑塊類型，根據流域分布式水文模型確定暴雨頻率下的流域洪水過程線；將流域內濕地坡面斑塊類型設置為裸地，根據流域分布式水文模型確定與濕地這一綠色基礎設施的相對應的暴雨頻率下的流域洪水過程線。

應該說明的是，綠色基礎設施在本發明中可指林地、草地和濕地；流域中不同坡度和覆蓋度(或者郁閉度)的林地或草地直接影響了其自身調蓄地表徑流的能力，對林地或草地這種綠色基礎設施的標準化具有可操作性和推廣性。

眾所周知，林地或草地影響流域水文過程與濕地的有所不同；如圖2所示，圖2示意性的給出了植被變化影響流域水文過程，其過程可簡化為：1、植被通過根系吸水和蒸騰作用直接參與水循環過程；2、植物冠層攔截降水，增大了蒸發量，減少到達地表的降水量，對降水進行了重新分配；3、植被枯枝落葉層截持降水，枯枝落葉層的吸水能力很強，持水率一般在300％以上；4、植被枯枝落葉層提高了地表粗糙度，對坡面徑流的流速產生影響，增加地表水下滲；5、植被土壤的孔隙度，特別是非毛管孔隙大，使植被土壤具有較大的入滲率、入滲量和滲蓄能力。

當植被流域發生暴雨事件時，植被蒸發可忽略不計，土壤調蓄有限，故林地或草地這類地表植被調蓄在地表徑流過程中起主要作用。

如圖3所示，圖3示意性的給出了濕地作為重要的水文單元影響流域水文過程，其過程可簡化為：1、濕地水量補給；濕地補給的水源主要有大氣降水、地表徑流、河流泛濫水和地下水等多種水源；2、濕地徑流；降水到達濕地后，首先被草根層吸收，草根層飽和后才開始產流，即其產流模式一般為蓄滿產流；3、濕地水量支出；濕地蒸散發(主要包括濕地水面蒸發、植物截流蒸發、植物的散發和土壤蒸發)是濕地水量支出的主要途徑；4、地表水/地下水交換量；地表水與地下水之間的水量交換過程是濕地水文循環的重要環節；由于濕地具有高度分解的有機沉積物和植物的作用，濕地地表水和地下水的交互作用是緩慢的、受限制的；濕地地表水和地下水的交互作用主要受濕地水力傳導度、地形坡度和濕地土壤的滲透性特征的影響；5、濕地出流量；對于開放性濕地，在雨季特別是洪水期，濕地容易蓄滿，并產生出流量，濕地出流過程滯后于入流，且出流量明顯小于入流量。

當流域發生暴雨事件時，濕地植被蒸發可忽略不計，濕地初始土壤含水量較高，在較短時間內土壤調蓄本次暴雨量有限，故在暴雨事件中，濕地的地表調蓄作用在濕地的地表、土壤和地下調蓄作用中扮演主要角色；即在暴雨事件中，濕地調蓄流域水文過程中以調蓄地表徑流為主。

同時，該發明采用分布式水文模型這一處理方式，而分布式水文模型能對流域下坡面斑塊類型(例如地形、植被和土壤等)進行細致的描述，是解決和回答植被在多大程度上影響洪水這一問題的最有效途徑，并能真實反映濕地水文過程，更準確地評估濕地的水文生態效應；且遙感和地理信息系統技術的發展以及和水文模型的整合更是從模型結構到數據源獲取和輸入等方面推動了濕地水文模擬向分布式模型邁進。

如圖4所示，將綠色基礎設施和裸地條件下流域洪水過程線間的陰影部分面積作為綠色基礎設施的調洪庫容，對林地、草地和濕地而言；對于林地和草地綠色基礎設施，設定流域坡面斑塊類型分別為林地或草地綠色基礎設施，分別依靠流域分布式水文模型獲得暴雨頻率下的流域洪水過程線Q_林(t)或Q_草(t)。

對于林地和草地綠色基礎設施，設定流域坡面斑塊類型為裸地，依靠流域分布式水文模型獲得與林地或草地綠色基礎設施的相對應的暴雨頻率下的流域洪水過程線Q_裸(t)。

對于濕地綠色基礎設施，保持流域內含有濕地的流域土地利用類型，依靠流域分布式水文模型獲得暴雨頻率下的流域洪水過程線Q_濕(t)。

對于濕地綠色基礎設施，將流域內濕地土地利用類型設置為裸地，依靠流域分布式水文模型獲得與濕地綠色基礎設施的相對應的暴雨頻率下的流域洪水過程線Q_裸(t)。

在暴雨頻率下為草地或林地的綠色基礎設施和為裸地的綠色基礎設施流域洪水過程線獲得后，可以了解到同一暴雨頻率下綠色基礎設施流域洪峰起伏程度小，曲線長而平穩；裸地流域洪峰起伏程度大，曲線陡峭，洪水歷時短。

在功能上，綠色基礎設施與地表水庫在調蓄地表徑流中的角色一致，因此可將綠色基礎設施作為一種地表水庫，參照防洪庫容的計算方法，將為草地或林地的綠色基礎設施和為裸地的綠色基礎設施條件下流域洪水過程線間陰影部分的面積作為綠色基礎設施的調洪庫容V_調；

其草地或林地這一綠色基礎設施調洪庫容的計算公式為：

對于林地或草地綠色基礎設施，為便于推廣，消除流域差異，可統計流域內林地或草地標準綠色基礎設施單元的總面積，將林地或草地綠色基礎設施的調洪庫容除以流域內林地或草地標準綠色基礎設施單元的總面積，從而獲得林地或草地綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值。

在確立單位面積為林地或草地這一綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值時，根據面積統計算式統計流域內綠色基礎設施單元的總面積，根據調洪庫容和流域內綠色基礎設施單元的總面積，通過調蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值；

其綠色基礎設施的面積統計算式為：

其中，A_G為流域內綠色基礎設施單元的總面積，A_G標為綠色基礎設施單元的單元面積，為第i個高程數字模型單元格的坡度與綠色基礎設施單元坡度的面積比；β_i為第i個高程數字模型單元格的植被覆蓋度或郁閉度與綠色基礎設施單元的植被覆蓋度或郁閉度下的面積比；每個DEM單元格的坡度和覆蓋度可分別依靠ArcGIS技術和遙感技術獲得。

調蓄能力算式為：

其中，V_G為單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流量的標準值；V_調為綠色基礎設施的調洪庫容；A_G為流域內綠色基礎設施單元的總面積。

對于濕地綠色基礎設施，則簡單統計流域內濕地面積，將濕地綠色基礎設施的調洪庫容除以流域內濕地的總面積，從而評價出濕地綠色基礎設施調蓄地表徑流的能力。

在確立單位面積為濕地這一綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值時，統計流域內濕地這一綠色基礎設施單元的總面積，根據調洪庫容和流域內綠色基礎設施單元的總面積，通過調蓄能力算式獲得單位面積綠色基礎設施調蓄地表徑流的標準值；

其濕地這一綠色基礎設施調洪庫容的計算公式為：

調蓄能力算式為：

其中，V_GW為單位面積的濕地這種綠色基礎設施調蓄地表徑流的量，V_調為濕地這種綠色基礎設施的調洪庫容；A_GW為流域內濕地這種綠色基礎設施的總面積。

綜上所述，本發明提供的流域綠色基礎設施對地表徑流調蓄能力的評價方法，在綠色基礎設施影響流域水文過程中，當在流域發生暴雨事件時，在綠色基礎設施在地表徑流過程中起主要作用的理論基礎上，應用流域分布式水文模型并參考防洪庫容的計算獲得流域綠色基礎設施的調洪庫容，提高了其準確性和合理性。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將使顯而易見的，本文所定義的一般原理可以在不脫離發明的精神或范圍的情況下，在其他實施例中實現。因此，本發明將不會被限制與本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎性特點相一致的最寬的范圍。