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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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饿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学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(1)和Z(2)为S的一阶原点矩和二阶原点矩，Λ(R)为间隙度指数。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：σy～N(0,σ2)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；xi和yi分别为栅格大小倍数的空间尺度的大小和对应空间尺度下的间隙度指数；σ2为间隙度指数的方差；α为初始间隙度指数，表征空间异质性对空间尺度大小的敏感度，β为间隙度维数，β越大表示土地利用类型和水文生态系统服务分类类型越呈现离散状态，空间分异尺度越大，β越小表示土地利用类型和水文生态系统服务分类类型越呈现聚集状态，空间分异尺度越小。本专利技术具有以下优点：请补充本方法的有益效果。(1)本专利技术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，揭示土地利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于：所述管理方法包括：/n基于流域地形、气象、土地利用和土壤等空间分布图层基础信息，采用流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个流域进行划分，得到子流域分布图，再通过设定土地利用、土壤类型和地形坡度的分布面积阈值，进行空间叠加将每个子流域划分为单个或多个水文响应单元，进而得到全流域水文响应单元空间分布图层；/n在不同条件下模拟各水文响应单元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；/n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；/n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；/n再根据贝叶斯理论，借助间隙指数与采样网格尺度的散点图，采用R和WinBUG软件，选择蒙特卡罗采样法，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。建议补充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的具体步骤。/n...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：所述管理方法包括：
基于流域地形、气象、土地利用和土壤等空间分布图层基础信息，采用流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个流域进行划分，得到子流域分布图，再通过设定土地利用、土壤类型和地形坡度的分布面积阈值，进行空间叠加将每个子流域划分为单个或多个水文响应单元，进而得到全流域水文响应单元空间分布图层；
在不同条件下模拟各水文响应单元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，借助间隙指数与采样网格尺度的散点图，采用R和WinBUG软件，选择蒙特卡罗采样法，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。建议补充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的具体步骤。


2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述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包括：
通过机理性流域水文模型ArcSWAT的流域划分工具将整个研究流域划分为多个子流域，再通过设定土地利用类型、土壤类型和地形坡度的空间分布面积阈值，并通过空间叠加分析将每一个子流域划分为水文响应单元，进而得到全流域水文响应单元的空间分布矢量图；
模拟在每个水文响应单元上的流域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；
基于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。


3.根据权利要求1所述的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，其特征在于：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Arc...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊敏，谌书，肖宇婷，赵丽，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51