变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法及系统

1.本发明涉及水文模型的设计技术领域，特别涉及一种变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法及系统。


背景技术：

2.水文模型是对自然界中水文过程的模拟和概化，对于水资源开发利用、区域资源规划、生态环境需水、防洪减灾、水库调度、点源和非点源污染评价以及气候变化和人类活动的对流域生态系统的影响等诸多方面均有重要的支持作用。
3.气象要素和土地利用类型要素将对闸控河流的基流以及地表径流水文过程产生重要影响，评估其潜在影响可为闸控河流的水资源配置方案提供科学的理论支撑，因此，提供一种能够获得基流以及地表径流水文过程与气象要素、土地利用类型要素之间的响应规律的变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法及系统是目前亟待解决的一个技术问题。


技术实现要素：

4.基于此，有必要提供一种能够获得基流以及地表径流水文过程与气象要素、土地利用类型要素之间的响应规律的变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法及系统。
5.一种变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法，包括以下步骤：
6.获取闸控河流的多种基础数据和实测径流数据，多种所述基础数据包括dem数据、土壤类型数据、土地利用类型数据和气象数据；
7.在原始swat水文模型的基础上，将非线性水库和闸坝模块同时引入，并根据所述闸控河流的多种基础数据，建立swat闸控河流水文模型；
8.基于所述swat闸控河流水文模型，模拟得到所述闸控河流的基流数据和地表径流数据；
9.基于所述闸控河流的实测径流数据，运用数字滤波法将所述闸控河流的实测径流数据分割为基流和地表径流两部分；
10.将所述数字滤波法分割得到的基流数据和地表径流数据与所述swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据进行对比，以实现对所述swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据的对比和验证；
11.分别对所述swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与所述气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与所述气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果；
12.根据得到的基流数据以及地表径流数据与所述气象数据的交叉小波变换和/或小
波相干变换结果，确定基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度；
13.向建立的所述swat闸控河流水文模型输入所述闸控河流的不同情景的所述土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果。
14.在其中一个实施例中，所述swat闸控河流水文模型的水文循环阶段由下式描述：
[0015][0016]
其中，sw0和sw
t
分别为时段初和时段末的土壤含水量，mm；t为时间步长，d；r
day
为时间步长内的降水量，mm；q
surf
为时间步长内产生的地表径流量，mm；ea为时间步长内的蒸散发量，mm；w
seep
为时间步长内土壤剖面下渗和侧向流的水量，mm；q
gw
为时间步长内汇入河流的地下水量，mm。
[0017]
在其中一个实施例中，所述swat闸控河流水文模型在估算地表径流时采用scs-cn法，scs曲线数方程为：
[0018][0019]
其中，q
surf
表示地表径流，mm；p
day
表示某天的雨深，mm；ia表示初损量，mm；s表示滞留量，mm；
[0020]
s的计算公式为：
[0021][0022]
其中，cn表示某天的曲线数。
[0023]
在其中一个实施例中，所述基于所述闸控河流的实测径流数据，运用数字滤波法将所述闸控河流的实测径流数据分割为基流和地表径流两部分的步骤所涉及的计算公式如下：
[0024][0025]qb(i)
＝q
i-q
d(i)
[0026]
其中，q
d(i)
为第i天的地表径流量，m3/s；q
d(i-1)
为第i-1天的地表径流量，m3/s；qi为第i天的径流量，m3/s；q
i-1
为第i-1天的径流量，m3/s；q
b(i)
为第i天的基流量，α为滤波系数。
[0027]
在其中一个实施例中，所述基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度包括所述基流以及地表径流与气象要素之间的共振周期和相位关系。
[0028]
在其中一个实施例中，所述气象数据包括降水和气温，所述分别对所述swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与所述气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与所述气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果的步骤包括：
[0029]
分别绘制地表径流数据-降水数据、地表径流数据-气温数据、基流数据-降水数据以及基流数据-气温数据的交叉小波图和小波相干图；
[0030]
对各交叉小波图和小波相干图的通过了95％显著性检验的区域进行分析，以确定
两变量之间共振周期及相位关系，其中，两变量之间指的是地表径流数据和降水数据、地表径流数据和气温数据、基流数据和降水数据以及基流数据和气温数据之间。
[0031]
在其中一个实施例中，所述向建立的所述swat闸控河流水文模型输入所述闸控河流的不同情景的所述土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果的步骤包括：
[0032]
向所述swat闸控河流水文模型输入早期的土地利用类型数据，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行基准期的基流和地表径流的模拟；
[0033]
调整基准期的土地利用类型数据，设置极端土地利用情景，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行土地利用类型数据调整后的基流和地表径流的模拟；
[0034]
对比分析土地利用类型数据调整后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果。
[0035]
在其中一个实施例中，所述土地利用类型数据包括耕地、林地、草地和城镇用地，所述向建立的所述swat闸控河流水文模型输入所述闸控河流的不同情景的所述土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果的步骤包括：
[0036]
向所述swat闸控河流水文模型输入某一年各土地利用类型数据，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行基准期的基流和地表径流的模拟；
[0037]
所述调整基准期的土地利用类型数据，设置极端土地利用情景，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行土地利用类型数据调整后的基流和地表径流的模拟的步骤包括：
[0038]
将基准期的所有耕地全部转变为林地，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行耕地调整为林地后的基流和地表径流的模拟；
[0039]
将基准期的所有耕地全部转变为草地，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行耕地调整为草地后的基流和地表径流的模拟；
[0040]
将基准期的所有耕地全部转变为城镇用地，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行耕地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟；
[0041]
将基准期的所有林地全部转变为草地，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行林地调整为草地后的基流和地表径流的模拟；
[0042]
将基准期的所有林地全部转变为城镇用地，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行林地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟；
[0043]
将基准期的所有草地全部转变为城镇用地，然后驱动所述swat闸控河流水文模型运行，以进行草地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟；
[0044]
所述对比分析土地利用类型数据调整后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果的步骤包括：
[0045]
对比分析耕地调整为林地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到耕地与林地对基流和地表径流的影响结果；
[0046]
对比分析耕地调整为草地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到土地利用耕地与草地对基流和地表径流的影响结果；
[0047]
对比分析耕地调整为城镇用地后的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到耕地与城镇用地对基流和地表径流的影响结果；
[0048]
对比分析林地调整为草地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到林地与草地对基流和地表径流的影响结果；
[0049]
对比分析林地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到林地与城镇用地对基流和地表径流的影响结果；
[0050]
对比分析草地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到草地与城镇用地对基流和地表径流的影响结果。
[0051]
在其中一个实施例中，还包括：
[0052]
对建立的所述swat闸控河流水文模型进行校准及验证。
[0053]
一种变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟系统，包括：
[0054]
第一模块，用于获取闸控河流的多种基础数据和实测径流数据，多种所述基础数据包括dem数据、土壤类型数据、土地利用类型数据和气象数据；
[0055]
第二模块，用于在原始swat水文模型的基础上，将非线性水库和闸坝模块同时引入，并根据所述闸控河流的多种基础数据，建立swat闸控河流水文模型；
[0056]
第三模块，用于基于所述swat闸控河流水文模型，模拟得到所述闸控河流的基流数据和地表径流数据；
[0057]
第四模块，用于基于所述闸控河流的实测径流数据，运用数字滤波法将所述闸控河流的实测径流数据分割为基流和地表径流两部分；
[0058]
第五模块，用于将所述数字滤波法分割得到的基流数据和地表径流数据与所述swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据进行对比，以实现对所述swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据的对比和验证；
[0059]
第六模块，用于分别对所述swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与所述气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与所述气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果；
[0060]
第七模块，用于根据得到的基流数据以及地表径流数据与所述气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，确定基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度；
[0061]
第八模块，用于向建立的所述swat闸控河流水文模型输入所述闸控河流的不同情景的所述土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果。
[0062]
本技术提供的变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法，建立的swat闸控河流水文模型能够较好地模拟有闸坝控制下河流的地表径流和基流的变化过程，并且引入“非线性水库”，考虑了地下水水库的蓄水量和出流量为非线性关系，同时通过将数字滤波法分割得到的基流数据和地表径流数据与swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据进行对比，以实现对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据的对比和验证；
[0063]
其次，通过分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与气
象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，根据结果确定基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度，从而获得基流以及地表径流水文过程与气象要素之间的响应规律；
[0064]
此外，本发明通过向建立的swat闸控河流水文模型输入闸控河流的不同情景的土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果，从而获得基流以及地表径流水文过程与土地利用类型要素之间的响应规律；
[0065]
综上，本发明能够为闸控河流的水资源管理和高效利用以及水生态环境建设提供数据支撑及决策支持。
附图说明
[0066]
图1为一实施例中的变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法的流程框图；
[0067]
图2为一实施例中的黄河入海径流-黄河入海输沙的交叉小波图；
[0068]
图3为一实施例中的黄河入海径流数据-黄河入海输沙数据的小波相干图。
具体实施方式
[0069]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0070]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0071]
参考图1，本技术提供了一种变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法，包括如下步骤：
[0072]
s100，获取闸控河流的多种基础数据和实测径流数据，多种基础数据包括dem数据、土壤类型数据、土地利用类型数据和气象数据。
[0073]
s200，在原始swat水文模型的基础上，将非线性水库和闸坝模块同时引入，并根据闸控河流的多种基础数据，建立swat闸控河流水文模型。
[0074]
s300，基于swat闸控河流水文模型，模拟得到闸控河流的基流数据和地表径流数据。
[0075]
s400，基于闸控河流的实测径流数据，运用数字滤波法将闸控河流的实测径流数据分割为基流和地表径流两部分。
[0076]
s500，将数字滤波法分割得到的基流数据和地表径流数据与swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据进行对比，以实现对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据的对比和验证。
[0077]
s600，分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果。
[0078]
s700，根据得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，确定基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度。
[0079]
s800，向建立的swat闸控河流水文模型输入闸控河流的不同情景的土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对基流和地表径流的影响结果。
[0080]
本技术提供的变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟方法，建立的swat闸控河流水文模型能够较好地模拟有闸坝控制下河流的地表径流和基流的变化过程，并且引入“非线性水库”，考虑了地下水水库的蓄水量和出流量为非线性关系，同时通过将数字滤波法分割得到的基流数据和地表径流数据与swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据进行对比，以实现对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据的对比和验证；
[0081]
其次，通过分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，根据结果，确定基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度，从而获得基流以及地表径流水文过程与气象要素之间的响应规律；
[0082]
此外，本发明通过向建立的swat闸控河流水文模型输入闸控河流的不同情景的土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对所述基流和所述地表径流的影响结果，从而获得基流以及地表径流水文过程与土地利用类型要素之间的响应规律；
[0083]
综上，本发明能够为闸控河流的水资源管理和高效利用以及水生态环境建设提供数据支撑及决策支持。
[0084]
闸坝是人类合理开发利用河流的重要手段。闸坝通过拦蓄水体来减小洪峰流量、增大枯水期可用水量，在防洪和供水中起到重要的作用。然而闸坝的调蓄作用，使得自然的水文过程发生了变化。闸坝、水库将平原区河流分割成若干个独立的汇水单元，各汇水单元之间没有明确的地表径流水力联系，改变了天然河网中水流的运动状态，将会对水文过程模拟造成影响。水文情势的改变，会进而导致河流生态环境的破坏。构建swat闸控河流水文模型是进行量化闸坝等水利工程水文环境效应的基础前提，进而为制定闸坝调度方案提供重要依据。
[0085]
具体地，swat(soil and water assessment tool)水文模型是由美国农业部(usda)的农业研究中心(ars)研发的，比较适用于面向水资源管理的长时段的分布式水文过程模拟。
[0086]
为了减小下垫面和气候因素时空变异对模型的影响，swat水文模型通常根据河网水系将流域划分为多个子流域(subbasin)，并通过河道或渠系等路径实现拓扑连通，子流域再根据地表覆盖类型、土壤类型、坡度等特征的不同组合进一步划分为多个水文响应单元(hrus)，每个水文单元单独计算水循环过程。其中水文响应单元水运移过程分为垂向迁移与水平迁移，垂向迁移是指水分在植被层、非饱和土壤层、浅层含水层、深层含水层之间的运移，包括降水与灌溉入渗、非饱和土壤水分再分配、向浅层含水层以及深层含水层渗漏、潜水蒸发、根系吸水、土壤蒸发等过程；水平迁移主要是指水文单元的侧向输出，包括地表径流、壤中流、基流等过程。
[0087]
基于数字高程模型dem(digital elevation model)提取流域特征是构建swat水
文模型的前提和关键。swat水文模型基于最陡坡度原则，结合最小面积阈值，对dem进行处理，生成河网和子流域，并以山谷线作为汇流路径，以分水岭作为子流域的边界。用户可以设置生成河流的最小面积阈值，swat水文模型根据阈值决定河网的细密程度和子流域的个数。
[0088]
swat水文模型基于dem提取的河流通常与实际不能完全一致，如提取的河流不连续、无法提取人工渠系等情况。针对此问题，根据闸控河流的空间分布，使用“burn-in”功能对dem进行凹陷化处理，从而得到闸控河流分布。“burn-in”功能的原理是首先将闸控河流的数字河网转成栅格形式，经投影转换后将其叠加到原始dem上，在维持修正河系栅格单元高程值不变的基础上，微微增加垂直于河道方向的非河道所在栅格高程值，以使河道栅格高程值低于沿岸高程。然后重新处理修改过的dem，生成新的河网。
[0089]
数字高程模型(dem)数据来源于aster(advanced spacebome thermal emission and reflection radiometer)，分辨率为30m。dem数据可以但不限于包括高度、坡度及坡长。
[0090]
土壤类型数据来源于fao和国际应用系统分析研究所(iiasa)于2012年2月联合发布的harmonized world soil database(hwsd)(version 1.2)，空间分辨率为1000m
×
1000m。利用matlab和spaw软件进行了土壤物理参数的计算，并建立了适用于swat水文模型的土壤数据库。
[0091]
土壤类型数据可以但不限于包括粘土(nt)、粘壤土(nrt)、沙粘壤土(snrt)、沙壤土(srt)、粉沙壤土(fsrt)、粉沙粘壤土(fsnrt)和粉沙土(fst)。水文数据可以但不限于包括流量。
[0092]
具体地，基于swat闸控河流水文模型，模拟得到闸控河流的基流数据和地表径流数据的原理如下：
[0093]
swat闸控河流水文模型在模拟时主要分为水文循环阶段和汇流阶段，其中，水量平衡是驱动swat闸控河流水文模型模拟水文循环过程的重要基础和依据，swat闸控河流水文模型的水文循环阶段由下式描述：
[0094][0095]
其中，sw0和sw
t
分别为时段初和时段末的土壤含水量，mm；t为时间步长，d；r
day
为时间步长内的降水量，mm；q
surf
为时间步长内产生的地表径流量，mm；ea为时间步长内的蒸散发量，mm；w
seep
为时间步长内土壤剖面下渗和侧向流的水量，mm；q
gw
为时间步长内汇入河流的地下水量，mm。
[0096]
swat闸控河流水文模型在估算地表径流时采用scs-cn(soil conservation service curve number)法，scs曲线数方程为：
[0097][0098]
其中，q
surf
表示地表径流，mm；p
day
表示某天的雨深，mm；ia表示初损量，mm；s表示滞留量，mm；s的计算公式为：
[0099][0100]
其中，cn表示某天的曲线数；初损量ia通常近似为0.2s。仅当p
day
＞ia时，产生地表径流。
[0101]
浅层含水层是闸控河流的主河道或河段中基流的主要补给来源，其水量平衡方程为：
[0102]
aq
sh，i
＝aq
sh,i-1
w
rchrg，sh-q
gw-w
revap-w
pump，sh
[0103]
其中，aq
sh,i
，aq
sh,i-1
分别为第i、i-1天浅层含水层的储水量，mm；w
rchrg.sh
为第i天浅层含水层的补给量，mm；q
gw
为第i天汇入河道的地下径流量或基流量，mm；w
revap
为第i天因土壤缺水而从浅层含水层回归到根区的水量，mm；w
pump，sh
为第i天浅层含水层的取用水量，mm。
[0104]
地下水径流对补给的稳定态响应所涉及的计算公式如下：
[0105][0106]
其中，k
sat
表示含水层的渗透系数，mm/d；l
gw
表示子流域的地下水分水岭到主河道的距离，m；h
wtbl
表示潜水面的埋深，m。
[0107]
潜水面波动，由地下水径流对周期性补给的非稳定态响应引起，涉及的计算公式如下：
[0108][0109]
其中，表示潜水面埋深随时间的变化量，mm/d；μ表示浅层含水层的给水度，m/m。
[0110]
在swat闸控河流水文模型中，假定地下水径流的变化与潜水面埋深变化速率之间呈线性关系，合并上面两计算公式可得：
[0111][0112]
其中，α
gw
表示基流的退水常数或比例常数。对上述公式进行积分变换可得：
[0113]qgw，i
＝q
gw，i-1
·
exp(-α
gw
·
δt) w
rchrg，sh
[1-exp(-α
gw
·
δt)]，aq
sh
＞aq
shthr，q
[0114]qgw，i
＝0，aq
sh
≤aq
shthr，q
[0115]
其中，
△
t表示时间步长，即1d；aq
shthr，q
表示地下水汇入主河道时浅层含水层的水位阈值，mm。
[0116]
在swat闸控河流水文模型的地下水过程模拟方面，考虑地下水水库的蓄水量和出流量为非线性关系，将非线性水库关系引入到原始的swat水文模型中，即“非线性库”法。
[0117]
基流的退水曲线为：
[0118]qt
＝q0exp(-αt)
[0119]
式中：q
t
为t时刻流量，q0为初始时刻流量，α为退水系数。退水曲线的指数公式表明，地下水水库的蓄水量和出流量为线性关系，即是一种概念化的“线性单库”方法：
[0120]
s＝kq
[0121]
式中：s为地下水含水层蓄水量，m3；q为退水流量，m3/s。
[0122]
理论和大量分析表明储存和排泄量间的关系是非线性的，为了得到地下水蓄水量和出流量间的非线性关系，wittenberg增加了无量纲指数b，将上述公式修改为：
[0123]
s＝aqb[0124]
将非线性水库关系引入到原始的swat水文模型中，即“非线性水库”法。地下水补给河道的流量为：
[0125][0126]
参数a和b通过河道退水期观测的流量数据进行校正。退水曲线上不同的相邻流量，就会得到一个关于a的不同估计值。不同的a、b组合会得到不同的模拟值，当模拟值与实测值的误差平方和最小时，此时的a、b值被选为参数的最优值。
[0127]
在闸坝处理方面，swat闸控河流水文模型提供了对水库的模拟控制功能，将水库作为独立的单元添加在相应的子流域出口位置，可以模拟出水库对流域水循环的影响。水闸可看作是河道型水库，兼有河道演进及较弱的水库调蓄功能，因此水闸对水流的调蓄模拟可以借鉴水库的调蓄概念：即水流先在河道中进行汇流演算，演算后的水流进入一个虚拟水库，再经过虚拟水库的调蓄作用形成闸的出流。
[0128]
水库是位于河网上的蓄水体，其水量平衡由储蓄、入流、降雨、出流、蒸发及渗漏量组成，水量平衡方程可表示为：
[0129]
v＝v0 v
in
v
p-v
out-v
e-vs[0130]
式中：v为水库模拟结束时的蓄水量，m3；v0为水库模拟开始时的蓄水量，m3；v
in
为模拟期内水库的入库水量，m3；v
p
为水库模拟期内的降雨量，m3；v
out
为模拟期内水库的出库水量，m3；ve为水库模拟期内的蒸发量，m3；vs为水库模拟期内的渗漏损失量，m3。
[0131]
对于水库的v
p
、ve及vs等参数采用模型计算值，而这些参数的确定离不开水库的水面面积。对于某个特定水库，不同的蓄水量对应不同的水面面积，若是对每个水库分别处理，需要大量的实测数据，耗费大量时间和精力。因此，模型采用如下方程来假定水面面积和蓄水量的关系：
[0132]
s＝β*ve[0133]
式中，s代表水库水面面积；β表示系数；v表示水库的蓄水量，m3；e代表指数。
[0134]
对于出流量v
out
，采用实测出流量法和目标泄流量法。目标泄流量法认为水库的泄流量是目标蓄水量的函数。模拟水库管理人员可能使用的一般泄流规则，其正常溢洪道水量对应于最大防洪预留量时的水量，而非常溢洪道水量对应于无防洪预留时的水量。
[0135]
在一实施例中，该方法还包括：步骤s220，对建立的swat闸控河流水文模型进行校准及验证。
[0136]
不同的基础数据对地表径流和基流的影响程度不同，即敏感性不同，因此需要对建立的swat闸控河流水文模型进行校准及验证，以定量评价swat闸控河流水文模型的模拟效果。
[0137]
在一实施例中，对建立的swat闸控河流水文模型进行校准及验证的步骤s220包括：
[0138]
步骤s221，采用效率系数nse(nash-sutcliffe)、百分比偏差pbias(percent bias)及确定系数r2三个评价指标来评价swat闸控河流水文模型的模拟效果。
[0139]
具体地，该三个评价指标的计算公式分别如下：
[0140][0141][0142][0143]
其中，q
m，i
为闸控河流的实测径流量，q
s，i
为闸控河流的模拟径流量，q
m，avg
为闸控河流的多年实测平均径流量，q
s，avg
为闸控河流的多年模拟平均径流量，n为实测时间序列长度。
[0144]
nse取值范围为-∞到1.0，当nse＝1时，模拟值为最优。当0.75＜nse≤1.00时，模拟效果非常好；当0.65＜nse≤0.75时，模拟效果为好；当0.50＜nse≤0.65时，模拟效果为满意；当nse≤0.5时，模拟效果为不满意。
[0145]
当pbias＝0.0时，模拟值为最优值，并且数量级越小模拟效果越好。当pbias＜
±
10时，模拟效果为非常好；当
±
10≤pbias＜
±
15时，模拟效果为好；当
±
15≤pbias＜
±
25时，模拟效果为满意；当pbias≥
±
25时，模拟效果为不满意。
[0146]
r2也叫拟合优度，描述模型对观测数据的解释程度。r2取值范围为0到1，该统计量r2越接近于1，表示模型的拟合优度越高；当r2＞0.5时，认为模型模拟效果是可以接受的。
[0147]
数字滤波法(lyne-hollick)是近年来国内外学者应用最为广泛的基流分割方法，具有操作性强和计算速度快等特点。该方法起源于信号分析与处理，其原理与过滤高频信号相似，是通过数字滤波器将信号分为高频信号(地表径流)和低频信号(基流)，从而将对应的地表径流和基流从径流过程中划分出来。
[0148]
在一实施例中，基于闸控河流的实测径流数据，运用数字滤波法将闸控河流的实测径流数据分割为基流和地表径流两部分的步骤s300所涉及的计算公式如下：
[0149][0150]qb(i)
＝q
i-q
d(i)
[0151]
其中，q
d(i)
为第i天的地表径流量，m3/s；q
d(i-1)
为第i-1天的地表径流量，m3/s；qi为第i天的径流量，m3/s；q
i-1
为第i-1天的径流量，m3/s；q
b(i)
为第i天的基流量，α为滤波系数，α的取值范围在0.9～0.95，在本实施例中，α取值为0.925。
[0152]
具体地，土地利用类型数据包括耕地、林地、草地和城镇用地，气象数据包括降水和气温。
[0153]
交叉小波变换(xwt)具有较强的信号耦合和分辨能力，可以分析两个时间序列中具有较高共振能量的共振周期及其相位关系。
[0154]
具体地，交叉小波变换(xwt)是一种将交叉谱分析和小波变换相结合的信号分析方法，能够从多时间尺度分析两个具有一定关系的时间序列在时频域中的内在联系。
[0155]
定义w
x(s)
、w
y(s)
分别是给定的两个时间序列x和y的交叉小波变换，则定义w
x(s)
、w
y(s)
的交叉小波谱为其中，对应的交叉小波功率谱密度为其值越大，表明w
x(s)
、w
y(s)
两者具有共同的高能量区，彼此相关性显著。
[0156]
对连续交叉小波功率谱的检验也是与红色噪音标准谱作比较，假设两个时间序列x和y的期望谱均为红色噪音功率谱和则交叉小波功率谱分布有如下关系式：
[0157][0158]
其中，σ
x
和σy分别为时间序列x和y的标准差，morlet小波变换，自由度v取2，zv(p)是与概率p有关的置信度，当显著性水平α＝0.05时，z2(95％)＝3.999。具体地，先分别求出红色噪音功率谱和在显著性水平α＝0.05(即概率p＝95％)的置信度上界，当超过该置信度上界时，则认为w
x(s)
、w
y(s)
通过了显著性水平α＝0.05下的红色噪音标准谱的检验，两者相关性显著。
[0159]
的复角可以描述时间序列x和y在时频域中的局部相对位相关系。计算两个时间序列x和y各尺度成分间的位相差，需要估计该各位相差的均值和置信区间。在超过95％置信度，即小波影响锥曲线(coi)以内的区域中，采用圆形平均位相角来定量地描述时间序列x和y两者的位相关系。设有n个位相角αi(i＝l，...，n)，令表示n个位相角的样本均数，简称平均角，其计算公式为：
[0160][0161]
可称为圆标准差或角离差，表示离散趋势量度，其范围为0～ ∞；表示角度集中趋势量度，其范围为0～1。需要指出的是，q和r本质相同，当一组数据中所有αi都等于同一数值时，则这组数据无变异，q＝0而r＝1；当一组数据中的αi匀匀地分布在圆周上，则r＝0，而q则因平均角不存在而无法计算，但当r趋近于0时，q趋近于 ∞。
[0162]
小波相干性(wtc)表征两个时间序列的小波变换在时频域中的相干程度，其可以很好地弥补交叉小波能量谱对低能区识别的不足之处，能够分析两个时间序列低能区的显著相关性。
[0163]
小波相干谱(wtc)用来度量时频空间中两个时间序列局部相关的密切程度，即使对应交叉小波功率谱中低能量值区，两者在小波相干谱中的相关性也有可能很显著。定义两个时间序列x和y的小波相干谱为：
[0164][0165]
式中：s为平滑算子，为两时间序列x和y在某一频率下波振幅的交义积；为振动波的振幅。
[0166]
s(w)＝s
scale
(s
time
(wn(s))
[0167][0168]sscale
(w)|n＝(wn(s)
×
c2∏(0.6s))|n[0169]
其中：s
scale
表示沿着小波伸缩尺度轴平滑；s
time
表示沿着小波时间平移轴平滑。c1和c2是标准化常数，π是矩形函数，参数0.6是根据经验确定的尺度，该参数与morlet小波波长的解相关。小波相干谱的显著性检验采用monte carlo方法。交叉小波功率谱和小波相干谱两种方法都可以确定位相角，二者主要区别在于小波相干谱使用了平滑函数。
[0170]
具体地，高、低能量区表示两个变量的相关关系对于时间和频率的依赖关系，即能量的高低体现相关程度的大小。交叉小波功率谱(xwt)的高能量区与交叉小波凝聚谱(wtc)的低能量区相吻合，且两者在低能量区的显著相关强度大于高能量区。
[0171]
分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果的步骤s600包括：
[0172]
s610，分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与降水数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与降水数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果；s620，分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与气温数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与气温数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果。
[0173]
根据得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，确定基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度的步骤s700包括：
[0174]
s710，根据得到的基流数据以及地表径流数据与降水数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，确定基流以及地表径流与降水要素之间在时频域中的相干程度；s720，根据得到的基流数据以及地表径流数据与气温数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，确定基流以及地表径流与气温要素之间在时频域中的相干程度。
[0175]
在一实施例中，分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果的步骤s600包括：
[0176]
s601，分别绘制地表径流数据-降水数据、地表径流数据-气温数据、基流数据-降水数据以及基流数据-气温数据的交叉小波图和小波相干图。
[0177]
在一实施例中，使用matlab分别绘制地表径流数据-降水数据、地表径流数据-气温数据、基流数据-降水数据以及基流数据-气温数据的交叉小波图和小波相干图。
[0178]
s602，对各交叉小波图和小波相干图的通过了95％显著性检验的区域(即黑色粗实线区域)进行分析，以确定两变量之间共振周期及相位关系。
[0179]
具体地，两变量之间指的是地表径流数据和降水数据、地表径流数据和气温数据、基流数据和降水数据以及基流数据和气温数据之间。确定两变量之间的共振周期包括确定两变量之间存在的共振周期以及该共振周期持续的时间。
[0180]
相位关系表示两变量之间的正负相关性，用箭头表示。
→
表示两变量之间为同相位，说明二者为正相关关系。
←
表示两变量之间为反相位，说明二者为负相关关系。交叉小波变换(xwt)和小波相干(wtc)的相位关系具体计算公式上文有详细相关介绍。
[0181]
关于地表径流数据-降水数据、地表径流数据-气温数据、基流数据-降水数据以及基流数据-气温数据的交叉小波图和小波相干图，横轴表示时间，纵轴表示两者之间的共振周期，箭头方向表示两者之间的相位关系，由左向右表示两者为同相位关系，由右向左表示两者为反相位关系，黑色粗实线表示两者之间达到了95％的红色噪声检验，黑色的细实线为小波影响锥线(coi)，该小波影响锥曲线(coi)以外区域由于受到边缘效应而不予考虑。
[0182]
参考图2及图3，以近70年黄河入海径流数据-黄河入海输沙数据的交叉小波图和小波相干图举例说明：
[0183]
图2为一实施例中的黄河入海径流-黄河入海输沙的交叉小波图，由图2可知，黄河入海径流数据和黄河入海输沙数据共同的高能量周期为1～6a，6～15a，并且在1960-1972年1～6a的周期尺度通过了95％红色噪声检验，且黄河入海径流数据和黄河入海输沙数据二者呈正相位关系；
[0184]
参考图3，图3为一实施例中的黄河入海径流数据-黄河入海输沙数据的小波相干图，由图3可知，黄河入海径流数据和黄河入海输沙数据在整个时频空间低能量区内存在显著的共振周期，且低能量区的显著相关性远大于高能量区，其中8～16a的时间尺度在整个时间段内均通过95％的显著性检验(两端时间受边界影响)，且黄河入海径流数据和黄河入海输沙数据二者以正相位为主，说明黄河入海径流和黄河入海输沙演变特征具有极强的一致性。
[0185]
向建立的swat闸控河流水文模型输入闸控河流的不同情景的土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对基流和地表径流的影响结果的步骤s800包括：
[0186]
s810，向swat闸控河流水文模型输入早期的土地利用类型数据，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行基准期的基流和地表径流的模拟。
[0187]
具体地，土地利用类型数据包括耕地、林地、草地和城镇用地；通过闸控河流的遥感影像图，获取闸控河流的不同时期(例如1980年、2000年、2020年，即周期为20年，可以理解，在其他实施例中，周期可以为5年，10年，15年)的土地利用类型数据。
[0188]
步骤s810具体包括：步骤s812，【情景1】向swat闸控河流水文模型输入某一年(例如2000年)土地利用类型数据，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行基准期的基流和地表径流的模拟。
[0189]
s820，调整基准期的土地利用类型数据，设置极端土地利用情景，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行土地利用类型数据调整后的基流和地表径流的模拟。
[0190]
可以理解，步骤s820可以但不限于包括以下6个步骤，具体如下：
[0191]
步骤s821，【情景2】将基准期的所有耕地全部转变为林地，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行耕地调整为林地后的基流和地表径流的模拟。
[0192]
步骤s822，【情景3】将基准期的所有耕地全部转变为草地，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行耕地调整为草地后的基流和地表径流的模拟。
[0193]
步骤s823，【情景4】将基准期的所有耕地全部转变为城镇用地，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行耕地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟。
[0194]
步骤s824，【情景5】将基准期的所有林地全部转变为草地，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行林地调整为草地后的基流和地表径流的模拟。
[0195]
步骤s825，【情景6】将基准期的所有林地全部转变为城镇用地，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行林地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟。
[0196]
步骤s826，【情景7】将基准期的所有草地全部转变为城镇用地，然后驱动swat闸控河流水文模型运行，以进行草地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟。
[0197]
s830，对比分析土地利用类型数据调整后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到土地利用类型要素对基流和地表径流的影响结果。
[0198]
可以理解，基于步骤s820包含的6个子步骤(情景2～情景7)，步骤s830具体包括：
[0199]
步骤s831，对比分析耕地调整为林地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到耕地与林地对基流和地表径流的影响结果。
[0200]
步骤s832，对比分析耕地调整为草地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到土地利用耕地与草地对基流和地表径流的影响结果。
[0201]
步骤s833，对比分析耕地调整为城镇用地后的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到耕地与城镇用地对基流和地表径流的影响结果。
[0202]
步骤s834，对比分析林地调整为草地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到林地与草地对基流和地表径流的影响结果。
[0203]
步骤s835，对比分析林地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到林地与城镇用地对基流和地表径流的影响结果。
[0204]
步骤s836，对比分析草地调整为城镇用地后的基流和地表径流的模拟结果和基准期的基流和地表径流的模拟结果，得到草地与城镇用地对基流和地表径流的影响结果。
[0205]
本技术还提供了一种变化环境下闸控河流的基流和地表径流的水文过程模拟系统，包括：第一模块、第二模块、第三模块、第四模块、第五模块、第六模块、第七模块及第八模块；
[0206]
第一模块用于获取闸控河流的多种基础数据和实测径流数据，多种基础数据包括dem数据、土壤类型数据、土地利用类型数据和气象数据。
[0207]
第二模块用于在原始swat水文模型的基础上，将非线性水库和闸坝模块同时引入，并根据闸控河流的多种基础数据，建立swat闸控河流水文模型。
[0208]
第三模块用于基于swat闸控河流水文模型，模拟得到闸控河流的基流数据和地表径流数据。
[0209]
第四模块用于基于闸控河流的实测径流数据，运用数字滤波法将闸控河流的实测径流数据分割为基流和地表径流两部分。
[0210]
第五模块用于将数字滤波法分割得到的基流数据和地表径流数据与swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据进行对比，以实现对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据和地表径流数据的对比和验证。
[0211]
第六模块用于分别对swat闸控河流水文模型模拟得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据进行交叉小波变换和/或小波相干变换，得到基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果。
[0212]
第七模块用于根据得到的基流数据以及地表径流数据与气象数据的交叉小波变换和/或小波相干变换结果，确定基流以及地表径流与气象要素之间在时频域中的相干程度。
[0213]
第八模块用于向建立的swat闸控河流水文模型输入闸控河流的不同情景的土地利用类型数据，得到土地利用类型要素对基流和地表径流的影响结果。
[0214]
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。