一种基于间隙度指数分析的流域水文生态系统服务管理方法

摘要

本发明涉及一种基于间隙度指数分析的流域水文生态系统服务管理方法，包括采用流域水文模型将整个流域进行划分，得到水文响应单元空间分布图层并对其进行处理；根据分形学理论采用间隙度指数模型，得到各土地利用类型和水文生态系统服务在不同空间尺度下的间隙度指数，并得出空间特征尺度；再根据贝叶斯理论，分别建立各土地利用类型和水文生态系统服务的空间尺度与间隙度指数间的贝叶斯曲线拟合模型，得出各土地利用类型和水文生态系统服务的空间特征参数。本发明有利于深入了解流域土地利用和水文生态系统服务的空间特征，揭示土地利用对水文生态系统服务的影响机制，为流域土地资源和生态资源的合理配置和利用提供参考依据。

说明书

技术领域

本发明涉及流域水文生态领域，尤其涉及一种基于间隙度指数分析的流域水文生态系统服务管理方法。

背景技术

流域是地球表层相对独立的自然地理系统单元，它是面临着生态、经济和社会发展难以解决的复杂问题的热点区域，为人类社会经济的发展提供了资源，如产水量、水土保持和水质净化等水文生态系统服务。水文生态系统服务空间分异格局效应与土地利用类型变化和生态水文过程的变化密切相关，研究水文生态系统服务的空间分异格局效应有助于人们揭示空间分异格局与生态过程相互作用的机理，以及优化配置和高效利用流域资源。

空间异质性是一种多尺度上普遍存在的自然现象。为了认识流域水文生态系统服务空间异质性对生态学过程的影响，需要对水文生态系统服务空间异质性进行量化。传统的大多数水文生态系统服务的空间分布格局研究先通过地学统计、3S、现代数学等技术和方法，这些研究都没有深入分析水文生态系统服务的空间分异格局效应关系，更没有考虑这种分异格局效应与土地利用类型的空间分异格局效应间的相互联系。

目前，我国流域水文生态系统服务的管理仍以生态系统服务评估和制图、生态系统服务权衡与协同为主，忽略了水文生态系统服务的空间分异格局特征，未从水文生态系统服务空间分异格局的特征尺度去构建其空间管理单元尺度，进而实现流域水文生态系统服务的管理单元的地理化。因此，采用何种方法计算基于土地利用类型和生态水文过程的水文生态系统服务；如何基于间隙度指数分析确定流域水文生态系统服务的管理单元的空间特征尺度；如何基于贝叶斯理论确定水文生态系统服务空间分异格局的表征参数；以及如何将流域水文模型、间隙度指数分析和贝叶斯曲线拟合模型进行耦合，从而实现流域水文生态系统服务的科学管理，是现阶段需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种基于间隙度指数分析的流域水文生态系统服务管理方法，解决了现有管理方法存在的不足。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于间隙度指数分析的流域水文生态系统服务管理方法，所述管理方法包括：

采用流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个流域划分为多个子流域，并将每一个子流域划分为水文响应单元，得到全流域水文响应单元的空间分布矢量图；在每个水文响应单元内模拟水文循环过程和营养物质循环过程，进而模拟得到河道的流量、泥沙含量和营养物质含量，并将其与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析、率定和校正水文模型；

在不同条件下模拟各水文响应单元内的水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；

将它两次得到的结果相减得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持和水质净化作为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；

根据分形学理论采用间隙度指数模型，得到各土地利用类型和水文生态系统服务在不同空间尺度下的间隙度指数，并得出空间特征尺度；

再根据贝叶斯理论，分别建立各土地利用类型和水文生态系统服务的空间尺度与间隙度指数间的贝叶斯曲线拟合模型，得出各土地利用类型和水文生态系统服务的空间特征参数。

进一步地，所述在不同条件下计算模拟水文响应单元的模拟水文循环过程和营养物质循环过程，得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量包括：

根据率定和校正的水文模型模拟各个水文响应单元的水文循环过程和营养物质循环过程，得到各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；

将土壤截留和植被吸收参数配置为0、植被管理和植被覆盖参数配置为1，再次运转水文模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量。

进一步地，所述得到总产水量水文生态系统服务空间分布图层包括：

根据率定和校正的模型得到各个水文响应单元内的总产水量数据，并将该数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布图层进行连接，得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层。

进一步地，所述得到水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层包括：

根据不同条件下得到两次各水文响应单元内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量的差值，并将该差值数据转化为固定格式后通过ArcGIS软件将其与水文响应单元空间分布矢量图层进行连接，得到水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布图层。

进一步地，所述根据分形学理论采用间隙度指数模型，得到各土地利用类型和水文生态系统服务在不同空间尺度下的间隙度指数，并得出空间特征尺度包括：

将基于水文响应单元的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布矢量图层转化为栅格格式，并保持该水文生态系统服务图层的栅格大小与土地利用类型的空间分布矢量图层打栅格大小一致；

利用ArcGIS软件采用自然断点法将各个水文生态系统服务进行分类，采用空间间隙度分析软件Lacunarity计算以栅格大小为倍数的空间尺度下对应的各个土地利用类型和水文生态系统服务分类类型的间隙度指数，找出间隙度指数趋近于常数所对应的栅格大小倍数，则该栅格大小倍数为各土地利用类型和水文生态系统服务的空间特征尺度。

进一步地，所述间隙度指数计算公式为：

其中，R为采样网格，其取值为土地利用类型和水文生态系统服务栅格图层的栅格尺寸的倍数；S为研究土地利用类型或水文生态系统服务分类类型所占模板像元的数量；Q(S,R)为S在整个研究区域中的概率分布；Z(

进一步地，所述再根据贝叶斯理论，分别建立各土地利用类型和水文生态系统服务的空间尺度与间隙度指数间的贝叶斯曲线拟合模型，得出各土地利用类型和水文生态系统服务的空间特征参数包括：

根据贝叶斯理论结合所述间隙指数与采样网格尺度的散点图，建立间隙指数与采样网格尺度的拟合曲线；

采用R软件和WinBUG软件通过蒙特卡采样法计算得到间隙度维数参数。

进一步地，所述间隙度维数参数计算公式为：

σ

其中，i为样本数目，表示各土地利用类型和各水文生态系统服务分类类型在i个不同空间尺度上的间隙度指数的总数量，即i个栅格大小倍数的空间尺度；x

本发明具有以下优点：

(1)本发明有利于深入了解流域土地利用和水文生态系统服务的空间特征，揭示土地利用对水文生态系统服务的影响机制，为流域土地资源和生态资源的合理配置和利用提供参考依据。

(2)本发明借助分形学和贝叶斯理论，找出土地利用类型和水文生态系统服务的空间特征尺度，可将该尺度作为流域土地资源和水文生态系统服务的管理单元尺度，具有现实意义。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图；

图2为本发明流域土地利用类型的空间分布图层示意图；

图3为本发明流域水文生态系统服务分类类型的空间分布图层示意图；

图4为本发明流域土地利用类型再不同倍数栅格尺度空间下的间隙度指数分布示意图；

图5为本发明流域水文生态系统服务分类类型再不同倍数栅格尺度空间尺度下的间隙度指数分布示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合日本天盐川流域实例对本发明进行进一步详细说明，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，本发明涉及一种基于间隙度指数分析的流域水文生态系统服务管理方法，该方法是基于流域水文模型、间隙度指数分析、贝叶斯曲线拟合模型和空间分析技术相结合的流域水环境和生态系统管理，具体包括以下内容：

S1、通过收集流域地形、气象、土地利用(如图2所示)和土壤等基础信息，采用流域水文模型将整个流域进行划分，得到水文响应单元(Hydrologic Response Unit,HRU)空间分布图层，再在各HRU计算单元内模拟水文循环过程和营养物质循环过程，得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；

具体为，步骤S1中流域各HRU内总产水量、泥沙产生量和营养物质产生量的模拟，基于流域地形、气象、土地利用和土壤等基础信息，流域水文模型将整个研究流域划分成多个次流域，然后将每一个子流域再划为水文响应单元(Hydrologic Response Units，HRUs)，得到HRUs的空间分布矢量图层。HRU是子流域的最基本单元，也是流域水文模型的基本计算单元，它表征同一子流域内有着相同的地表覆盖、土壤类型和管理方式，在此基础上，模型在每个HRU上模拟流域水文循环过程和营养物质循环过程，将模拟得到的流量、泥沙含量和营养物质含量与已知监测断面的流量、泥沙含量和营养物质含量观测值进行对比分析，率定和验证模型。基于率定和验证的模型，得到各HRU内的总产水量(包括：地表径流、壤中流和地下径流)，将各HRU内的总产水量在Excel中整理好后，通过空间分析软件，将Excel形式的数据转化成.dbf格式表，再通过ArcGIS软件将该表与HRU空间图层进行连接，进而得到总产水量水文生态系统服务的空间分布图层；

S2、设定土壤截留和植被吸收参数为0、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，模拟水文循环过程和营养物质循环过程，再次得到各HRU内的总产水量、泥沙产生量、有机和无机营养物质产生量；

具体为，步骤S2中土壤和植被相关参数改变后，流域各HRU内泥沙产生量和营养物质产生量的模拟，设定土壤截留和植被吸收参数为零、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，模拟得到土壤、植被等相关参数改变后，各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量；

S3、将两次模型运转得到的泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量相减，得到泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量之差，并将总产水量、水土保持(泥沙含量之差)和水质净化(有机和无机营养物质含量之差)视为流域水文生态系统服务，进而得到总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务空间分布图层；

具体为，步骤S3中流域水文生态系统服务的模拟，将改变土壤、植被等相关参数后模拟得到的各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量减去未改变土壤、植被等相关参数模拟得到的各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量，得到各HRU内的泥沙产生量和营养物质产生量的差值，即该差值就是水土保持和水质净化水文生态系统服务。采用空间分析软件，将各HRU内的水土保持和水质净化水文生态系统服务制成属性表，连接到HRUs空间分布矢量图层，进而得到该水文生态系统服务空间分布图层(如图3所示)；

S4、基于分形学理论，采用间隙度指数模型，得到各土地利用类型和水文生态系统服务在不同空间尺度下的间隙度指数，并得出空间特征尺度，即土地利用类型和水文生态系统服务在该空间特征尺度上，空间分布趋于均质，并分析土地利用类型所对应的空间特征尺度与水文生态系统服务所对应的空间特征尺度之间的关系；

步骤S4中土地利用类型和水文生态系统服务的间隙度分析，采用空间分析软件，然后将基于HRU的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布矢量图层转化成栅格格式，保持该水文生态系统服务图层的栅格大小与土地利用类型空间分布图的栅格大小一致；利用ArcGIS软件，采用自然断点法将各水文生态系统服务进行分类，进而计算以栅格大小为倍数的空间尺度下对应的各土地利用类型和各水文生态系统服务分类类型的间隙度指数。计算间隙度指数的公式如下：

式中，R为采样网格，其取值为土地利用类型和水文生态系统服务栅格图层的栅格尺寸的倍数；S为研究土地利用类型或水文生态系统服务分类类型所占模板像元的数量；Q(S,R)为S在整个研究区域中的概率分布；Z

具体为，将1～35倍栅格大小(100×100m)空间尺度作为采样网格，采用间隙度分析方法，求出1～35倍栅格大小(100×100m)空间尺度所对应的间隙度指数，求得间隙度指数趋于常数所对应的空间尺度为土地利用类型管理单元的特征尺度大小(如图4所示)；

采用空间分析软件，将基于HRU的总产水量、水土保持和水质净化水文生态系统服务的空间分布矢量图层转化为栅格格式(100×100m)，基于分形学理论，将1～35倍栅格大小(100×100m)空间尺度作为采样网格，采用间隙度分析方法，求出1～35倍栅格大小(100×100m)空间尺度所对应的间隙度指数，求得间隙度指数趋于常数所对应的空间尺度为水文生态系统服务分类类型管理单元的特征尺度大小，并将改管理单元的特征尺度大小与土地利用类型的管理单元的特征尺度大小进行对比分析，找出两者联系(如图5所示)；

S5、基于贝叶斯理论，根据间隙指数与采样网格尺度的散点图，建立间隙度指数与采样网格尺度的拟合曲线，采用R软件和WinBUG软件，选择蒙特卡罗采样法，计算得出间隙度维数参数，判断各土地利用类型和各水文生态系统服务分类类型的空间聚簇性。

步骤S4中各土地利用类型和水文生态系统服务的空间尺度与间隙度指数间的贝叶斯曲线拟合，为了正确模拟土地利用类型和水文生态系统服务的聚簇程度和表征空间分异格局，本文根据贝叶斯理论，借助间隙指数与采样网格尺度的散点图，建立间隙度指数与采样网格尺度的拟合曲线，采用R和WinBUG软件，选择蒙特卡罗采样法，计算得出间隙度维数参数。计算公式如下：

式中，i为样本数目，表示各土地利用类型和各水文生态系统服务分类类型在i个不同空间尺度上的间隙度指数的总数量，即i个栅格大小倍数的空间尺度；x

其中，流域土地利用类型间隙度指数与不同倍数栅格尺度空间尺度间的贝叶斯曲线拟合和流域水文生态系统服务分类类型间隙度指数与不同倍数栅格尺度空间尺度间的贝叶斯曲线拟合数据如表1和表2所示；

表1、流域土地利用类型间隙度指数与不同倍数栅格尺度空间尺度间的贝叶斯曲线拟合

表2、流域水文生态系统服务分类类型间隙度指数与不同倍数栅格尺度空间尺度间的贝叶斯曲线拟合

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。