法在叠加分析前,需要确定因子类型,进行制图综合,叠加分析后需要消除碎屑多边形,并进行第二次制图综合,这种方法涉及地理因子类型筛选和大量的制图综合问题,实现起来难度较大,适用于研究区较小或对模拟空间精度要求较高的情况;另一种是空间统计叠加的方法,这种方法用聚类方法消去小的或无关的地理特征,将详细的信息聚类成概化的值,使整个流域概化成性质相近的子流域的集合,它适用于较大的流域。本文研究中使用基于空间统计叠加的方法。
基于空间统计叠加方法的HRU划分算法如下:
(1)根据上面计算获得的子流域分布图,结合数字土地利用/覆被图,计算每个子流域中各种土地利用方式在统计意义下所占子流域中的面积百分比;为了去掉子流域中面积比较小的土利利用/覆被部分,设定一个土地利用面积比阈值,大于该值的覆被类型被保留下来,而被去掉的覆被所占用的面积以面积比的大小被分配到保留下来的覆被中去;
(2)当每一个子流域中土地利用类型确定以后,再针对每一种土地利用类型统计其上的土壤类型所占有的面积百分比;同理,为了去掉土地利用中面积比较小的土壤部分,设定一个土壤面积比阈值,大于该值的土壤类型被保留下来,而被去掉的土壤类型所占用的面积以面积比的大小被分配到保留下来的土壤中去;
(3)每一个子流域中的一个覆被类型及其上的一种土壤类型构成一个水文响应单元。
上述的土地利用面积比阈值和土壤面积比阈值是为了控制生成的HRU的数量,提高模型运行效率而设定的。
现举一个例子来具体说明划分过程:假定有一个规则的网格子流域,网络数大小为8*8。其土地利用方式有水田、旱地、林地、草地四种类型(分别用A、B、C、D表示),土壤有红壤、黄壤、黄棕壤、褐土四种类型(分别用1、2、3、4表示),其分布分别见图2-6、图2-7.
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图2-6 示例土地利用分布图 图2-7 示例土壤类型分布图
根据图2-6、图2-7统计出各种土地利用、面积比及土壤类型面积如表2-2所示。
表2-2 土地利用及土壤类型统计表 土地利用类型 土壤类型 代码 单位面积数 面积比例(%) 代码 1 A 23 35.94 2 3 4 1 B 20 31.25 2 3 4 1 C 12 18.75 2 3 4 1 D 9 14.06 2 3 4 合计
单位面积数 10 8 3 2 3 2 7 8 1 6 4 1 5 2 1 1 64 100 - 28 -
现设定土地利用面积比阈值为20%,小于此值的C、D两种类型将被忽略掉,其面积被归并到保留的A、B两种类型中。计算公式为:
FFi?
Fi*AFi? (2-4)
式中,FFi:表示调整后的被保留的第i类土地利用面积;
Fi:原来的面积;
ΣFi:表示大于阈值的各类土地利用类型面积之和; A:表示子流域的总面积。
因此,保留下来的A、B两种土地利用调整后的面积及面积比为: A的面积:23/(23+20)*64=34.23 调整后面积比:34.23/64*100%=53.48% B的面积:20/(23+20)*64=29.77 调整后面积比:29.77/64*100%=46.52%
被忽略掉的C、D两种类型中的土壤类型也按比例分别划归到A、B两种土地利用下相同的土壤类型中去。其计算公式为:
Si,j?S1i,j?Ki*S2i (2-5)
其中:Si,j:为归并后保留的第i种土地利用类型下第j种土壤面积;
S1ij:保留的第i种土地利用下的第j种土壤未调整时的面积; Ki: 保留的第i种土地利用调整后的面积比;
S2i:忽略掉的所有土地利用类型中相同土壤类型的面积之和。 例如,在A种土地利用方式下,第1类土壤归并后的面积为(A1为A类土地利用方式下1类土壤面积,其余同):
S1,1=A1+53.48%*(C1+D1)=10+53.48%*(1+5)=13.21
保留下的土地利用类型及调整后的各类土壤面积计算结果见表2-3。
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表2-3 调整后的土地利用及土壤类型面积表
土地利用调整后调整后面土壞类型调整后调整后面类型代码 面 积 积比(%) 代 码 面 积 积比(%) 1 13.21 12.28 5.67 3.07 34.23 1 5.79 5.72 9.33 8.93 29.77 38.60 35.87 16.56 8.97 100.00 19.45 19.21 31.34 30.00 100.00 A 34.23 53.48 2 3 4 小 计 B 29.77 46.52 2 3 4 小 计 同理,针对每类土地利用类型中分布的土壤来处理,将其中影响较小的土壤类型去掉,将其面积按照面积比例划归到保留的土壤类型中去。现设定土壤面积比阈值为20%,那么在A类土地利用中,第3类、第4类土壤被忽略掉,同理,B类土地利用中的第1类、第2类土壤被忽略掉。其计算公式参见(2-5)式。
例如:A类土地利用下第1类土壤面积为:
FF1=13.21/(13.21+12.28)*34.23=17.74
同理,其它的各类土壤面积计算结果如表2-4所示。最后得到四个单一的土地利用/土壤组合的HRU(见表2-4第4列)。
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表2-4 生成的水文响应单元类型
土地利用类型代码 土壤类型代码 面积 水文响应单元组合类型(HRU) 1 A 2 小 计 3 B 4 小 计 合 计 17.74 16.49 34.23 15.21 14.56 29.77 64.00 水田/红壤 水田/黄壤 旱地/黄棕壤 旱地/褐土 2.4 流域拓扑关系的建立
分布式水文模型为了考虑流域下垫面空间分布的不均匀性,在水平方向上将流域划分成许多单元网格或子流域(以下称“节点”),而这些节点之间的联接问题(即拓扑关系)反映洪水在各节点之间的流动方向,也反映了洪水汇流演算顺序,根据流域拓扑关系,在上游的计算节点没有计算之前,其下游节点是不能计算的。最常见的情况是一些节点的入流是其它节点的出流,只有计算出上游节点的出流,才能计算下游节点的洪水过程。因此流域拓扑关系是分布式水文模型中非常重要的一环,也是数字水系生成中最复杂和最关键的一步,解决好了流域的拓扑关系,就能易如反掌地解决复杂流域的洪水演算问题。而目前在许多水系算法中均没有考虑流域的拓扑结构。Martzt和 Garbrecht开发的数字高程水系模型DEDNM(Digital Elevation Drainage Network Model)软件能计算数字水系的栅格水流流向、流域分水线、河网、子流域编码及河网拓扑关系等。但该方法对于三条或三条以上的河流(或网格)汇入同一个节点(称为复合汇集点)时,要将此复合汇集点拓展成简单汇集点(每个汇集点上游最多有两支入流)才能计算。而在实际河网结构中,确实存在大于2条河流汇集的情况,利用DEDNM计算所得到的结果破坏了原有的河网结构和汇流路径。
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