一种基于Arcgis和SWMM的矿区植被修复规划方法

摘要

本发明公开了一种基于Arcgis和SWMM的矿区植被修复规划方法，涉及矿区植被生态修复技术领域，其技术方案要点是方法包括下述步骤：S1、计算矿区植被VCI指数并确定矿区植被修复规划区范围；S2、利用Arcgis数据管理功能，建立矿区植被修复规划数据库，准备矿区植被修复基础数据；S3、利用Arcgis图形编辑功能构建矿区植被修复规划方案并绘制规划图；S4、应用SWMM模拟评价矿区植被修复规划方案径流削减效果；S5、应用SEM模拟评价矿区植被修复规划方案植被修复效果；效果是细分不同LID设施类型，设置不同下垫面参数；利用Arcgis数据管理与图形编绘功能，实现了LID空间位置的确定，有效指导矿区植被修复实践；引入植被健康评价模型，模拟规划方案植被修复效果。

说明书

技术领域

本发明涉及矿区植被生态修复技术领域，具体是一种基于Arcgis和SWMM的矿区植被修复规划方法。

背景技术

经过长期研究已形成多种先进生态雨洪管理理念与完整技术体系，较典型的主要有美国的最佳管理措施(BMPs)及低影响开发(LID)体系、澳大利亚的水敏感城市设计(WSUD)、英国的可持续排水系统((SUDS)、新西兰的低影响城市设计和开发(LISD)等。

现有技术方案主要是应用与城市区域的海绵城市建设中，与海绵矿区建设相比，二者在土地利用类型、下垫面和适宜LID类型方面有较大差别。具体实现步骤如下：

(1)利用CAD编制规划底图；

(2)概化子汇水面；

(3)通过LID设施组合，设计透水面积和不透水面积的不同比例组合方案；

(4)构建暴雨模型；

(5)模拟不同比例组合方案径流削减效果；

参考文献：

[1]潘若平.LID组合措施在杭州低影响开发区项目中的应用研究—基于SWMM模型[J].工业用水与展水,2021，52(2):43～47.

[2]沈炜彬,邱梦雨,陈盛达.模型下海绵城市建设效果核心指标评价—以萧山世纪城区域为例[J].给水排水,2021,17(8):61～65.

[3]彭思琪，代文江.基于SWMM模型的西安地铁停车场海绵城市建设效果模拟[j].陕西水利,20221(1):18～22.

[4]黄诚,张晓祥,韩炜等。基于SWMM模型及GIS技术的城市雨洪调控情景模拟——以镇江市城区为例[J].人民长江,2022,53(4)；31～36。

已有技术结合CAD与SWMM软件，对基于LID的海绵城市径流削减进行的了模拟评价，主要缺点如下：

1、下垫面分类较简单，主要划分为绿化用地、公路和屋顶，统计时分别计入透水面积和不透水面积，不适用与矿区植被复杂自然表面；

2、现有技术只对不同LID组合方案进行数字比例设计，无法实现LID设施在空间上的布局，因而不能对矿区植被修复实践中规划方案的具体落实进行实际指导；

3、现有技术只能对不同LID组合方案的径流削减做模拟，缺少对方案植被恢复效果的模拟评价。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于Arcgis和SWMM的矿区植被修复规划方法，可以合理布设新型生态集雨设施，合理、高效利用区域雨水资源，加快植被修复。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于Arcgis和SWMM的矿区植被修复规划方法，包括下述步骤：

步骤S1、计算矿区植被VCI指数并确定矿区植被修复规划区范围；

步骤S2、利用Arcgis数据管理功能，建立矿区植被修复规划数据库，准备矿区植被修复基础数据；

步骤S3、利用Arcgis图形编辑功能构建矿区植被修复规划方案并绘制规划图；

步骤S4、应用SWMM模拟评价矿区植被修复规划方案径流削减效果；

步骤S5、应用SEM模拟评价矿区植被修复规划方案植被修复效果；

步骤S6、综合评定矿区植被修复最优规划方案。

进一步的，所述步骤S1具体包括：

S11、下载矿区归一化植被指数NDVI数据；

S12、计算植被条件指数VCI，反应植被健康程度，选取VCI指数低的区域作为规划修复区，VCI指数为当前的NDVI与多年来同一时间段NDVI最大与最小值比率，如下式所示：

式中，是i时的植被状态指数；是i时的NDVI值；NDVImax是所有图像中最大的NDVI值，NDVImin是所有图像中最小的NDVI值，是NDVI在i时的相对于最大NDVI的比例。

进一步的，所述步骤S2具体包括：

S21、利用Arcgis建立矿区植被修复规划数据库，收集并导入植被修复规划区坡度图、土地利用现状图、土壤类型图和给排水管网图基础图形数据，统一进行坐标转换和数据格式转换；收集并导入矿区气象数据；收集并导入矿区植被数据；收集并导入矿区土壤数据；收集并导入矿区开采数据；收集并导入矿区水文数据；收集导入LID设施参数；

S22、提取土地类型、土壤类型、高程点、河底标高、管道节点、管道长度、管径、管道埋深和检查井地面高程相关信息，录入属性表；

S23、添加相关的注记，编绘矿区植被修复规划方案底图。

进一步的，所述步骤S3具体包括：

S31、方案1，在矿区植被修复规划区主干道两侧依地势布设15m宽下沉绿地，在坡度20～25度范围的坡面内布设生态草沟，在以乔木、灌木类群落为主的区域布设生物滞留设施；

S32、方案2，在矿区植被修复规划区次要干道两侧依地势布设10m宽下沉绿地，在坡度15～25度范围的坡面内布设生态草沟，在以乔木、灌木及半灌木类群落均布设生物滞留设施；

S33、方案3，在矿区植被修复规划区主干道和次要干道的两侧均依地势分别布设15m和10m宽的沉绿地，在坡度10～25度范围的坡面内布设生态草沟，在乔木、灌木及半灌木、草本植物的区域均布设生物滞留设施。

进一步的，所述步骤S4具体包括：

S41、利用Arcgis统计三套方案对应SWMM模型参数，包括不同类型LID设施面积、汇水区面积、平均坡度、特征宽度和不渗透面积百分比参数；

S42、构建基于SWMM的矿区植被修复规划方案雨洪削减效果评价模型；

S43、导入矿区水文数据，输入SWMM模型对应参数，运行模型模拟计算三套方案径流削减效果评价。

进一步的，所述步骤S5具体包括：

S51、构建基于SEM构建矿区植被修复效果评价模型；

S52、拟合矿区降雨量与土壤水的数量关系；

S53、依据三套方案对应降雨量，计算相应的土壤水含量；

S54、假定其他环境条件不变，基于三套方案对应的土壤水因子指标值，应用矿区植被修复效果评价模型，测算三套方案对应土壤水含量条件下植被恢复状态。

进一步的，所述步骤S6具体包括：

S61、确定规划综合评价目标，包括径流削减目标、植被恢复目标；

S62、依据综合目标确定矿区植被修复最佳规划方案。

进一步的，所述步骤S41，构建基于SWMM的矿区植被修复规划方案雨洪削减效果评价模型，具体过程如下：

S411、划分子汇水区，用矿区植被修复规划数据库中的管道节点图层，借助Arcgis邻域分析功能选择泰森多边形，构建Delaunay三角网，划分子汇水区，导入SWMM软件；

S412、设计评价模型的雨量与雨型，具体过程如下：

选取芝加哥雨型，结合矿区暴雨强度公式，设计矿区暴雨雨型，具体计算公式如下：

式中，i矿区暴雨强度的芝加哥雨型表达，单位为mm*min-1；q为矿区暴雨强度公式；A为雨力参数，即重现期为1a时的1min设计降雨量，单位为mm；C为雨力变动参数，无量纲；P为该场降雨的重现期，单位为a；t为一场暴雨历时，单位为min；

b为降雨历时修正参数，即对暴雨强度公式两边求对数后能使曲线画成直线所加的一个时间常数，单位为min；n为暴雨衰减指数，与重现期关；

S413、设计评价模型参数，具体过程如下：

雨峰系数取r＝0.4，时间间隔为1min，暴雨重现期设定为1a、5a、20a和100a，降雨历时设定为3h，雨洪过程模拟的总时间为6h；渗入参数选择Horton模型，采用动力波法进行流量计算。

进一步的，所述步骤S51具体过程如下：

S511、构建矿区植被健康评价潜变量逻辑模型，选取采矿因素中的采深、采厚因子作为影响植被健康的内因性自变量，植被生长环境因素中的土壤水、土壤容重、土壤养分因子作为影响植被生态系统恢复力的外源性自变量，植被修复因素中的生物量、重要值、平均高度因子作为受采矿和环境影响的因变量，在Amos22.0软件中构建潜变量逻辑模型；

S512、构建矿区植被健康评价潜变量逻辑模型中的结构方程模型，具体过程如下：

结构方程模型表征潜变量和观测变量间相关关系，具体计算公式如下：

η＝Βη+Γξ+ζ

式中，是内生潜变量η，是外源潜变量ξ，Γ是外生潜变量ξ对内生潜变量η的相关系数，Β是内生潜变量η之间的相关系数，ζ是方程的残差项，模型建立的过程即通过Β系数矩阵、Γ系数矩阵和误差向量ζ，建立内生潜变量η和外源潜变量ξ的关系模型；

S513、构建因果模型中的测量模型，具体过程如下：

因果模型中表征潜变量间相关关系的测量模型，包括内生潜变量测量模型和外源潜变量测量模型，通过测量模型，可以利用观测变量表征潜变量，具体计算公式如下：

内生潜变量测量模型，具体计算公式如下：

式中，Y是内生潜变量的观测变量，y为内生潜变量各观测变量的相关系数矩阵，ε误差项；

(2)外生潜变量测量模型，具体计算公式如下：

式中，X为外源潜变量的观测变量，x为外源潜变量各观测变量的相关系数矩阵，σ是误差项；

S514、相关指标因子导入模型，构建矿区植被修复评价结果方程路径图，具体过程如下：

将矿区土壤环境因子指标、植被修复因子指标和矿区采高、采厚导入SWMM软件，运行植被修复评价结构方程，明确各因子间路径系数，构建植被修复评价结构方程路径图。

本发明的技术特点及有益效果：

1、细分不同LID设施类型，设置不同下垫面参数。

2、利用Arcgis数据管理与图形编绘功能，实现了LID空间位置的确定，有效指导矿区植被修复实践。

3、引入植被健康评价模型，模拟规划方案植被修复效果。

附图说明

图1为本发明一种基于Arcgis和SWMM的矿区植被修复规划方法的流程图。

图2为本发明植被修复规划区子汇水区图。

图3为本发明植被修复规划区规划方案一示意图。

图4为本发明植被修复规划区规划方案二示意图。

图5为本发明植被修复规划区规划方案三示意图。

图6为本发明植被修复规划方案径流1年削减拟合图。

图7为本发明植被修复规划方案径流5年削减拟合图。

图8为本发明植被修复规划方案径流20年削减拟合图。

图9为本发明植被修复规划方案径流100年削减拟合图。

图10为本发明植被修复评价模型的路径图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种基于Arcgis和SWMM的矿区植被修复规划方法，所述方法包括下述步骤：

步骤S1、计算矿区植被VCI指数并确定矿区植被修复规划区范围；

步骤S2、利用Arcgis数据管理功能，建立矿区植被修复规划数据库，准备矿区植被修复基础数据；

步骤S3、利用Arcgis图形编辑功能构建矿区植被修复规划方案并绘制规划图；

步骤S4、应用SWMM模拟评价矿区植被修复规划方案径流削减效果；

步骤S5、应用SEM模拟评价矿区植被修复规划方案植被修复效果；

步骤S6、综合评定矿区植被修复最优规划方案；

其中所述步骤S1具体包括：

S11、下载矿区归一化植被指数NDVI(Normalized Difference VegetationIndex)数据；

S12、计算植被条件指数VCI(Virtual Channel Identifier)，反应植被健康程度，选取VCI指数低的区域作为规划修复区，VCI指数为当前的NDVI与多年来同一时间段NDVI最大与最小值比率，如下式所示：

式中，VCI

其中所述步骤S2具体包括：

S21、利用Arcgis建立矿区植被修复规划数据库，收集并导入植被修复规划区坡度图、土地利用现状图、土壤类型图和给排水管网图等基础图形数据，统一进行坐标转换和数据格式转换；收集并导入矿区气象数据；收集并导入矿区植被数据；收集并导入矿区土壤数据；收集并导入矿区开采数据；收集并导入矿区水文数据；收集导入LID设施参数；

S22、提取土地类型、土壤类型、高程点、河底标高、管道节点(管道起点与终点)、管道长度(即节点间距离)、管径、管道埋深和检查井地面高程等相关信息，录入属性表；

S23、添加相关的注记，编绘矿区植被修复规划方案底图。

其中所述步骤S3具体包括：

S31、方案1，在矿区植被修复规划区主干道两侧地势低洼处依地势布设15m宽下沉绿地，在坡度20～25度范围的坡面内布设生态草沟，在以乔木、灌木类群落为主的区域布设生物滞留设施；

S32、方案2，在矿区植被修复规划区次要干道两侧地势低洼处依地势布设10m宽下沉绿地，在坡度15～25度范围的坡面内布设生态草沟，在以乔木、灌木及半灌木类群落均布设生物滞留设施；

S33、方案3，在矿区植被修复规划区主干道和次要干道的两侧均依地势分别布设15m和10m宽的沉绿地，在坡度10～25度范围的坡面内布设生态草沟，在乔木、灌木及半灌木、草本植物的区域均布设生物滞留设施。

其中所述步骤S4具体包括：

S41、利用Arcgis统计三套方案对应SWMM模型参数，包括不同类型LID设施面积、汇水区面积、平均坡度、特征宽度和不渗透面积百分比等参数；

S42、构建基于SWMM的矿区植被修复规划方案雨洪削减效果评价模型；

S43、导入矿区水文数据，输入SWMM模型对应参数，运行模型模拟计算三套方案径流削减效果评价；

其中所述步骤S5具体包括：

S51、构建基于SEM构建矿区植被修复效果评价模型；

S52、拟合矿区降雨量与土壤水的数量关系；

S53、依据三套方案对应降雨量，计算相应的土壤水含量；

S54、假定其他环境条件不变，基于三套方案对应的土壤水因子指标值，应用矿区植被修复效果评价模型，测算三套方案对应土壤水含量条件下植被恢复状态。

其中所述步骤S6具体包括：

S61、确定规划综合评价目标，包括径流削减目标、植被恢复目标；

S62、依据综合目标确定矿区植被修复最佳规划方案；

优选的，步骤S41，构建基于SWMM的矿区植被修复规划方案雨洪削减效果评价模型，具体过程如下：

S411、划分子汇水区，具体过程如下：

利用矿区植被修复规划数据库中的管道节点图层，借助Arcgis邻域分析功能选择泰森多边形，构建Delaunay三角网，划分子汇水区，导入SWMM软件；

S412、设计评价模型的雨量与雨型，具体过程如下：

选取芝加哥雨型，结合矿区暴雨强度公式，设计矿区暴雨雨型，具体计算公式如下：

式中，i矿区暴雨强度的芝加哥雨型表达，单位为mm*min

b为降雨历时修正参数，即对暴雨强度公式两边求对数后能使曲线画成直线所加的一个时间常数，单位为min；n为暴雨衰减指数，与重现期关。

S413、设计评价模型参数，具体过程如下：

雨峰系数取r＝0.4，时间间隔为1min，暴雨重现期设定为1a、5a、20a和100a，降雨历时设定为3h，雨洪过程模拟的总时间为6h；渗入参数选择Horton模型，采用动力波法进行流量计算。

其中所述步骤S51，构建基于SEM构建矿区植被修复效果评价模型，具体过程如下：

S511、构建矿区植被健康评价潜变量逻辑(因果)模型，具体过程如下：

选取采矿因素中的采深、采厚等因子作为影响植被健康的内因性自变量，植被生长环境因素中的土壤水、土壤容重、土壤养分等因子作为影响植被生态系统恢复力的外源性自变量，植被修复因素中的生物量、重要值、平均高度等因子作为受采矿和环境影响的因变量，在Amos 22.0软件中构建潜变量逻辑(因果)模型，具体表征如图5所示：

S512、构建矿区植被健康评价潜变量逻辑模型中的结构方程模型，具体过程如下：

结构方程模型表征潜变量和观测变量间相关关系，具体计算公式如下：

η＝Bη+Γξ+ζ

式中，是内生潜变量η，是外源潜变量ξ，Γ是外生潜变量ξ对内生潜变量η的相关系数，Β是内生潜变量η之间的相关系数，ζ是方程的残差项(未被方程解释的部分)，模型建立的过程即通过Β系数矩阵、Γ系数矩阵和误差向量ζ，建立内生潜变量η和外源潜变量ξ的关系模型；

S513、构建因果模型中的测量模型，具体过程如下：

因果模型中表征潜变量间相关关系的测量模型，包括内生潜变量测量模型和外源潜变量测量模型，通过测量模型，可以利用观测变量表征潜变量，具体计算公式如下：。

(1)内生潜变量测量模型，具体计算公式如下：

式中，Y是内生潜变量的观测变量，y为内生潜变量各观测变量的相关系数矩阵，ε误差项。

(2)外生潜变量测量模型，具体计算公式如下：

式中，X为外源潜变量的观测变量，x为外源潜变量各观测变量的相关系数矩阵，σ是误差项。

S514、相关指标因子导入模型，构建矿区植被修复评价结果方程路径图，具体过程如下：

将矿区土壤环境因子指标、植被修复因子指标和矿区采高、采厚导入SWMM软件，运行植被修复评价结构方程，明确各因子间路径系数，构建植被修复评价结构方程路径图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。