基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法，具体包括如下步骤：首先确定研究区域，收集研究区边界shp文件、气象数据、NDVI数据；计算研究区逐月的风蚀气候侵蚀力、降雨侵蚀力；接着计算风蚀气候侵蚀力、降雨侵蚀力、NDVI三维耦合协调度；根据概率统计理论，计算风蚀气候侵蚀力、降雨侵蚀力、NDVI三维耦合协调度的理论累积概率反映风水复合侵蚀风险；根据Mann

Risk assessment method of regional geomantic composite erosion based on coupling coordination degree

【技术实现步骤摘要】
基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法


[0001]本专利技术属于土壤侵蚀风险评价
，涉及一种基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法。

技术介绍

[0002]土壤侵蚀是一种在全球广泛发生的自然灾害，严重影响人类社会的生产和生活。风力和水力过程一直被认为是土地退化与荒漠化的重要驱动力。水蚀和风蚀是两种最普遍发生的土壤侵蚀类型。特别是在干旱或者半干旱地区，两种侵蚀交互作用形成的复合侵蚀过程和效果不同于单一的风蚀和水蚀。风水复合侵蚀是指风力、水力对同一对象(区域)的共同作用和交替作用，从而产生有别于单一营力的侵蚀、搬运及沉积过程。全球陆面大约17.5％的面积受到风水复合侵蚀的影响。剧烈的风水复合侵蚀导致的土地退化造成了全球性的环境问题，是当前研究的热点问题之一。
[0003]风水复合侵蚀主要发生在半干旱地区、海岸、河岸和湖滨地带。在过去的几十年里，关于风水复合侵蚀的研究取得了丰富的研究成果，主要涉及试验小区的风水复合侵蚀观测、不同时空尺度风水复合侵蚀特征分析以及风水复合侵蚀过程中的泥沙搬运、堆积、再分配和对环境的影响。虽然目前的研究取得了许多进展，然而这些成果主要集中在小区尺度的侵蚀泥沙监测和特征分析，以及从风蚀或者水蚀角度对风蚀复合侵蚀地区的侵蚀过程进行研究，然后将两者结合起来进行分析，缺少从区域尺度对风水复合侵蚀力进行耦合评估的理论和方法。因此提出基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法是十分重要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法，采用该方法能够快速准确的识别区域风水复合侵蚀风险的空间分布和变化趋势。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1，确定研究区域，收集研究区域边界shp文件、气象站的逐日气象数据和逐月的NDVI栅格数据；
[0007]步骤2，利用步骤1收集到的研究区气象站的逐日气象数据，计算每个气象站逐月的风蚀气候侵蚀力，并通过插值和掩膜提取计算获得研究区域的逐月风蚀气候侵蚀力栅格数据；
[0008]步骤3，利用步骤1收集到的研究区气象站的逐日气象数据，计算每个气象站逐月的降雨侵蚀力，并通过插值和掩膜提取计算获得研究区域的逐月降雨侵蚀力栅格数据；
[0009]步骤4，基于耦合协调度理论，利用步骤1收集到的研究区逐月NDVI数据、步骤2计算得到的研究区逐月风蚀气候侵蚀力栅格数据、步骤3计算得到的研究区逐月降雨侵蚀力栅格数据，计算风蚀气候侵蚀力、降雨侵蚀力、NDVI三维耦合协调度；
[0010]步骤5，基于步骤4的计算结果，根据概率统计理论，选择几种概率分布函数作为备用选择，采用线性矩法分别估计几种概率分布函数的参数，再分别利用每种备用概率分布函数计算相应的理论累积概率；同时计算经验累积概率，最后根据经验累积概率和理论累积概率RMSE最小的原则，选出风蚀气候侵蚀力、降雨侵蚀力、NDVI三维耦合协调度的最优理论累积概率；
[0011]步骤6，在步骤5选取的最优理论累计概率的基础上，对逐年的理论累积概率取平均值即可获得研究区若干年平均风水复合侵蚀风险空间分布结果；
[0012]步骤7，在步骤5选取的最优理论累计概率的基础上，根据Mann
‑
Kendall趋势检验法，即可识别出研究区风水复合侵蚀风险变化趋势的空间分布结果。
[0013]本专利技术的特点还在于：
[0014]步骤2的具体过程为：
[0015]步骤2.1，根据步骤1收集到的气象数据，利用FAO Penman
‑
Monteith方法计算每个气象站的逐月潜在蒸散发，FAO Penman
‑
Monteith方法的具体计算公式如下：
[0016][0017]式中：ET0为潜在蒸散发，mm/d；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa
·
℃
‑1；R
n
为净辐射，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；G为土壤热通量密度，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；γ为干湿常数，kPa
·
℃
‑1；T为平均气温，℃；e
s
为饱和水汽压，kPa；e
a
为实际水汽压，kPa；u2为2m处的平均风速，m/s；
[0018]G、γ、u2和Δ的计算公式如下：
[0019]G＝0.14(T
i
‑
T
i
‑1)
ꢀꢀ
(2)
[0020][0021][0022][0023]式中：T
i
为第i月的平均气温，℃；T
i
‑1为第i
‑
1月的平均气温，℃；ε取值为0.662；cP取值为1.013
×
10
‑5，MJ
·
kg
‑1·
℃
‑1；P
e
为大气压；u
z
为10m处的风速，m/s；z为高度，取值为10m；
[0024]R
n
是收入的短波辐射R
ns
和支出的净长波辐射R
nl
之差，即：
[0025]R
n
＝R
ns
‑
R
nl
ꢀꢀ
(6)
[0026]R
ns
＝(1+a)R
s
ꢀꢀ
(7)
[0027][0028]式中：a为反照率，取值为0.23；R
S
为接收的太阳辐射，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；σ为斯蒂芬
‑
玻尔兹曼常数，取值为4.903
×
10
‑9，MJ
·
K
‑4·
m
‑2·
d
‑1；R
S0
为晴空辐射，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；T
max,K
为一天中最高温度，℃；T
min,K
为一天中最低温度，℃；
[0029]其中，R
S
和R
S0
的计算公式如下：
[0030][0031]R
S0
＝(a
s
+b
s
)R
a
ꢀꢀ
(10)
[0032][0033]式中：n为实际日照时数，h；N为最大可能日照时数，h；n/N为相对日照；a
s
取值为0.25；b
s
取值为0.5；R
a
为地球外辐射，MJ
·
m
‑2·
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，确定研究区域，收集研究区域边界shp文件、气象站的逐日气象数据和逐月的NDVI栅格数据；步骤2，利用步骤1收集到的研究区气象站的逐日气象数据，计算每个气象站逐月的风蚀气候侵蚀力，并通过插值和掩膜提取计算获得研究区域的逐月风蚀气候侵蚀力栅格数据；步骤3，利用步骤1收集到的研究区气象站的逐日气象数据，计算每个气象站逐月的降雨侵蚀力，并通过插值和掩膜提取计算获得研究区域的逐月降雨侵蚀力栅格数据；步骤4，基于耦合协调度理论，利用步骤1收集到的研究区逐月NDVI数据、步骤2计算得到的研究区逐月风蚀气候侵蚀力栅格数据、步骤3计算得到的研究区逐月降雨侵蚀力栅格数据，计算风蚀气候侵蚀力、降雨侵蚀力、NDVI三维耦合协调度；步骤5，基于步骤4的计算结果，根据概率统计理论，选择几种概率分布函数作为备用选择，采用线性矩法分别估计几种概率分布函数的参数，再分别利用每种备用概率分布函数计算相应的理论累积概率；同时计算经验累积概率，最后根据经验累积概率P
经验
和理论累积概率P
理论
RMSE最小的原则，选出风蚀气候侵蚀力、降雨侵蚀力、NDVI三维耦合协调度D的最优理论累积概率P
最优理论
；步骤6，在步骤5选取的最优理论累计概率P
最优理论
的基础上，对每个网格逐年的P
最优理论
取平均值即可获得研究区若干年平均风水复合侵蚀风险空间分布结果；步骤7，在步骤5选取的最优理论累计概率P
最优理论
的基础上，根据Mann
‑
Kendall趋势检验法，即可识别出研究区风水复合侵蚀风险变化趋势的空间分布结果。2.根据权利要求1所述的基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程为：步骤2.1，根据步骤1收集到的气象数据，利用FAO Penman
‑
Monteith方法计算每个气象站的逐月潜在蒸散发，FAO Penman
‑
Monteith方法的具体计算公式如下：式中：ET0为潜在蒸散发，mm/d；Δ为饱和水汽压曲线斜率，kPa
·
℃
‑1；R
n
为净辐射，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；G为土壤热通量密度，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；γ为干湿常数，kPa
·
℃
‑1；T为平均气温，℃；e
s
为饱和水汽压，kPa；e
a
为实际水汽压，kPa；u2为2m处的平均风速，m/s；G、γ、u2和Δ的计算公式如下：G＝0.14(T
i
‑
T
i
‑1)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)(2)
式中：T
i
为第i月的平均气温，℃；T
i
‑1为第i
‑
1月的平均气温，℃；ε取值为0.662；cP取值为1.013
×
10
‑5，MJ
·
kg
‑1·
℃
‑1；P
e
为大气压；u
z
为10m处的风速，m/s；z为高度，取值为10m；R
n
是收入的短波辐射R
ns
和支出的净长波辐射R
nl
之差，即：R
n
＝R
ns
‑
R
nl
ꢀꢀꢀꢀ
(6)R
ns
＝(1+a)R
s
ꢀꢀꢀꢀ
(7)式中：a为反照率，取值为0.23；R
S
为接收的太阳辐射，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；σ为斯蒂芬
‑
玻尔兹曼常数，取值为4.903
×
10
‑9，MJ
·
K
‑4·
m
‑2·
d
‑1；R
S0
为晴空辐射，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；T
max,K
为一天中最高温度，℃；T
min,K
为一天中最低温度，℃；其中，R
S
和R
S0
的计算公式如下：R
S0
＝(a
s
+b
s
)R
a
ꢀꢀꢀꢀ
(10)式中：n为实际日照时数，h；N为最大日照时数，h；n/N为相对日照；a
s
取值为0.25；b
s
取值为0.5；R
a
为地球外辐射，MJ
·
m
‑2·
d
‑1；其中，R
a
的计算公式如下：的计算公式如下：的计算公式如下：的计算公式如下：式中：G
sc
为太阳常数，取值为0.082；d
r
为反转日地平均距离；ω
s
为日出时角，rad；为纬度，rad；δ为经度，rad；J为日序；纬度，rad；δ为经度，rad；J为日序；纬度，rad；δ为经度，rad；J为日序；纬度，rad；δ为经度，rad；J为日序；
式中：e
0min
和e
0max
分别为最低气温和最高气温对应的瞬时饱和水气压，kPa；T
min
为日最低气温，℃；T
max
为日最高气温，℃；RH为平均相对湿度；步骤2.2，根据步骤2.1计算的每个气象站逐月潜在蒸散发结果，计算每个气象站逐月的风蚀气候侵蚀力，具体公式如下：式中：C为风蚀气候侵蚀力，为2m处的逐月平均风速，m/s；ET
0i
为第i月潜在蒸散发，mm；P
i
为第i月降水量，mm；d
i
为第i月天数，d；步骤2.3，采用ArcGIS软件对气象站逐月的风蚀气候侵蚀力进行克里金插值，得到每月的风蚀气候侵蚀力栅格数据，使用黄河流域边界shp文件在ArcGIS软件中进行裁剪得到逐月黄河流域风蚀气候侵蚀力栅格文件。3.根据权利要求2所述的基于耦合协调度的区域风水复合侵蚀风险评价方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程为：步骤3.1，首先根据步骤1收集到的逐日气象数据，利用Zhang的公式计算每个气象站逐月的降雨侵蚀力，具体公式如下：式中：R...

【专利技术属性】
技术研发人员：于坤霞，贾路，李占斌，李鹏，徐国策，张晓明，赵阳，杨志，王飞超，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：