一种城市不透水面有效性量化方法

摘要

本发明提供了一种城市不透水面有效性量化方法，属于城市不透水面量化技术领域。该方法包括：基于城市不透水面的空间分布，分别获取高程数据和土地利用数据；根据所述高程数据和土地利用数据，计算得到水流方向；根据所述水流方向和流径下垫面类型，计算得到研究区域出口最终径流量；根据所述研究区域出口最终径流量，计算得到城市不透水面有效性。利用该方法进行城市下垫面空间特征对地表产汇流的影响研究，能更进一步分析影响程度，推动相关研究的进展，实现城市不透水面有效性的高效且精准的计算，将有助于提高常规城市不透水面的计算的精度。

权利要求

1.一种城市不透水面有效性量化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于城市不透水面的空间分布，分别获取高程数据和土地利用数据；

S2、根据所述高程数据和土地利用数据，计算得到水流方向；

S3、根据所述水流方向和流径下垫面类型，计算得到研究区域出口最终径流量；

S4、根据所述研究区域出口最终径流量，计算得到城市不透水面有效性；

所述步骤S3中研究区域出口最终径流量的表达式如下：其中，F表示研究区域出口最终径流量，Pi表示研究区域降雨量，a表示透水面径流系数，m表示水流经过透水面的个数，i表示研究区域的编号，i＝1,2,3,...,n，n表示研究区域的总编号；

所述步骤S4中城市不透水面有效性的表达式如下：其中，S表示城市不透水面有效性，F表示研究区域出口最终径流量，F0表示基于不透水率得到的出流量。

2.根据权利要求1所述的城市不透水面有效性量化方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：S201、根据所述高程数据和土地利用数据，针对每个栅格对周围八个方向均有高程差，且水流方向最陡时，计算中心栅格与相邻八个方向的栅格间的坡度；

S202、根据所述中心栅格与相邻八个方向的栅格间的坡度，确定每个栅格的最陡下降方向；

S203、判断所述每个栅格的最陡下降方向是否均相同，若是，则进入步骤S204，否则，进入步骤S205；

S204、扩大相邻栅格范围，并返回步骤S201；

S205、得到最大下降方向，并根据所述最大下降方向得到水流方向。

3.根据权利要求2所述的城市不透水面有效性量化方法，其特征在于，所述步骤S201中栅格间的坡度的表达式如下：其中，J表示栅格间的坡度，Δh表示栅格间的水平距离差，Δs表示栅格间的高程差。

说明书

一种城市不透水面有效性量化方法

技术领域

[0001] 本发明属于城市不透水面量化技术领域，尤其涉及一种城市不透水面有效性量化方法。

背景技术

[0002] 作为城市下垫面的最主要组成部分，城市不透水面是引发城市热岛效应的主要因素，城市不透水面通常定义为阻止地表水入渗裸土的人造地表，主要由建设用地等城市用地类型构成，由于城市建设用地包括房屋、道路和广场等多种形式，且随着城市的发展不断扩张，城市不透水面逐步演绎成多种空间分布形式。研究不透水面空间分布对产汇流影响机理的重要基础是对其进行量化表征，所以一种新型的城市不透水面有效性量化方法的提出十分有必要。在过去城市径流量计算，通常是采用降雨量与径流系数的乘积形式。在城市中，不透水面是径流系数的主要影响因素，所以研究不透水面的有效性至关重要。由于过去多使用不透水面的比例作为不透水率，但是不透水面在空间上的分布各不相同，可能会直接导致不透水面的有效性有所不同。因此，不透水面可分为“形式不透水面”和“有效不透水面”。通过本发明可以解决如何量化不透水面的有效性问题，对以后解决相关研究问题和运用到模型计算中都具有重要意义。

发明内容

[0003] 针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种城市不透水面有效性量化方法，能够实现城市不透水面有效性的高效且精准的计算，将有助于提高常规城市不透水面的计算的精度。

[0004] 为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

[0005] 本方案提供一种城市不透水面有效性量化方法，包括以下步骤：

[0006] S1、基于城市不透水面的空间分布，分别获取高程数据和土地利用数据；

[0007] S2、根据所述高程数据和土地利用数据，计算得到水流方向；

[0008] S3、根据所述水流方向和流径下垫面类型，计算得到研究区域出口最终径流量；

[0009] S4、根据所述研究区域出口最终径流量，计算得到城市不透水面有效性。

[0010] 本发明的有益效果是：本发明首先基于城市不透水面的空间分布，获取高程数据和土地利用数据，并了解每个部分的降雨量，计算水流方向，依据最陡坡度确定唯一流向，计算得到不同部分的水流流向，再根据流经下垫面类型确定研究区域出口最终径流量，最后计算不透水面有效性。利用该方法进行城市下垫面空间特征对地表产汇流的影响研究，能更进一步分析影响程度，推动相关研究的进展，实现城市不透水面有效性的高效且精准的计算，将有助于提高常规城市不透水面的计算的精度。

[0011] 再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

[0012] S201、根据所述高程数据和土地利用数据，针对每个栅格对周围八个方向均有高程差，且水流方向最陡时，计算中心栅格与相邻八个方向的栅格间的坡度；

[0013] S202、根据所述中心栅格与相邻八个方向的栅格间的坡度，确定每个栅格的最陡下降方向；

[0014] S203、判断所述每个栅格的最陡下降方向是否均相同，若是，则进入步骤S204，否则，进入步骤S205；

[0015] S204、扩大相邻栅格范围，并返回步骤S201；

[0016] S205、得到最大下降方向，并根据所述最大下降方向得到水流方向。

[0017] 上述进一步方案的有益效果是：本发明的创新在于根据地理信息技术提出了一种新的计算方法，可以更加精确的分析城市不透水面上的产流过程，通过此算法可以准确的计算出水流过程，以便于简化出口最终径流量的计算过程。

[0018] 再进一步地，所述步骤S201中栅格间的坡度的表达式如下：

[0019]

[0020] 其中，J表示栅格间的坡度，Δh表示栅格间的水平距离差，Δs表示栅格间的高程差。

[0021] 上述进一步方案的有益效果是：本发明通过计算栅格间的坡度，为后续判断最大下降方向提供了前提条件。

[0022] 再进一步地，所述步骤S3中总的径流量的表达式如下：

[0023]

[0024] 其中，F表示研究区域出口最终径流量，Pi表示研究区域降雨量，a表示透水面径流系数，m表示水流经过透水面的个数，i表示研究区域的编号，i＝1,2,3,...,n，n表示研究区域的总编号。

[0025] 上述进一步方案的有益效果是：本发明通过上述方法可以区别原有的径流量计算，并且准确的计算出区域出口最终径流量，以便于进行城市不透水面有效性的分析。

[0026] 再进一步地，所述步骤S4中城市不透水面有效性的表达式如下：

[0027]

[0028] 其中，S表示城市不透水面有效性，F表示研究区域出口最终径流量，F0表示基于不透水率得到的出流量。

[0029] 上述进一步方案的有益效果是：本发明提出了一种原理明确、操作简便一种城市不透水面有效性量化计算方法，利用该方法进行城市下垫面空间特征对地表产汇流的影响研究，能更进一步分析影响程度，推动相关研究的进展。

附图说明

[0030] 图1为本发明的方法流程图。

[0031] 图2为本实施例中城市下垫面复杂空间特征对地表产汇流过程示意图。

具体实施方式

[0032] 下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

[0033] 实施例

[0034] 如图1所示，本发明提供了一种城市不透水面有效性量化方法，其实现方法如下：

[0035] S1、基于城市不透水面的空间分布，分别获取高程数据和土地利用数据；

[0036] 本实施例中，高程数据：获取研究区DEM数据，数字高程模型(Digital Elevation Model)，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达)，它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。土地利用数据：根据土地利用数据获取不同高程网格的土地利用类型，根据土地利用类型获取相应的下渗系数。

[0037] S2、根据所述高程数据和土地利用数据，计算得到水流方向，其实现方法如下：

[0038] S201、根据所述高程数据和土地利用数据，针对每个栅格对周围八个方向均有高程差，且水流方向最陡时，计算中心栅格与相邻八个方向的栅格间的坡度；

[0039] S202、根据所述中心栅格与相邻八个方向的栅格间的坡度，确定每个栅格的最陡下降方向；

[0040] S203、判断所述每个栅格的最陡下降方向是否均相同，若是，则进入步骤S204，否则，进入步骤S205；

[0041] S204、扩大相邻栅格范围，并返回步骤S201；

[0042] S205、得到最大下降方向，并根据所述最大下降方向得到水流方向。

[0043] 本实施例中，本发明提供了一种对于下垫面水流流向的新型算法，根据以获取的DEM数据，分别对每个栅格计算流向，假设每个栅格对周围8个方向均有高程差，且假设水流向最陡，计算中心栅格与相邻8个方向的栅格间的坡度，水流向为来自每个区域栅格的最陡下降方向，最陡下降方向计算如下：

[0044] 首先，用下式计算栅格之间的坡度：

[0045]

[0046] 其中，J表示栅格间的坡度，△h表示栅格间的水平距离差，Δs表示栅格间的高程差。

[0047] 假设栅格大小为1，则两个正交栅格之间的距离为1，两个对角线栅格之间的距离为 如果多个栅格的最大下降方向都相同，则会扩大相邻栅格范围，直到找到最大下降方向为止。

[0048] S3、根据所述水流方向和流径下垫面类型，计算得到研究区域出口最终径流量；

[0049] 本实施例中，采用径流系数法，计算研究区域出口最终径流量：

[0050]

[0051] 其中，F表示研究区域出口最终径流量，Pi表示研究区域降雨量，a表示透水面径流系数，m表示水流经过透水面的个数，i表示研究区域的编号，i＝1,2,3,...,n，n表示研究区域的总编号。

[0052] S4、根据所述研究区域出口最终径流量，计算得到城市不透水面有效性：

[0053]

[0054] 其中，S表示城市不透水面有效性，F表示研究区域出口最终径流量，F0表示基于不透水率得到的出流量。

[0055] 本实施例中，在过去计算城市径流量，通常采用降雨量乘以径流系数，也就是说仅仅根据土地利用数据得到的不透水率来计算径流，而不考虑空间分布的影响，因此，本发明通过上述方法计算得到的径流量，在上述公式中定义为F0和F。

[0056] 本实施例中，在之前的研究中，一部分不透水面不直接与排水系统相连，其产流在汇流到排水口之前，会流经其他透水面，称为非有效透水面(在本发明中为形式不透水面)，而有效不透水面直接与排水系统相连，为了精确的分析城市地表产汇流本发明提出了一种新的计算不透水面有效性的方法，由于两种径流量的计算考虑因素不同，其得到的值可能会大于1，也充分说明了研究的重要性。

[0057] 本发明首先基于城市不透水面的空间分布，对研究区域按高程、下垫面类型划分为多个部分，并了解每个部分的降雨量，计算水流方向，依据最陡坡度确定唯一流向，计算得到不同部分的水流流向，再根据流经下垫面类型确定总的径流量，最后计算不透水面有效性，利用该方法进行城市下垫面空间特征对地表产汇流的影响研究，能更进一步分析影响程度，推动相关研究的进展，实现城市不透水面有效性的高效且精准的计算，将有助于提高常规城市不透水面的计算的精度。

[0058] 下面以一个简明算例说明城市下垫面复杂空间特征对地表产汇流过程的影响。

[0059] 如图2所示，图2(a)给出了一个九宫格的高程图，假设其为某城市区域的下垫面高程，计算水流方向，依据最陡坡度确定唯一流向，计算得到不同高程格点的水流流向，从图2(a)中可以看出，区域最终出水口为高程为240的格点，最后进行出口径流量和透水面有效性计算。图2(b)～(f)共给出了5种下垫面情景，图2(b)为100％透水面情景，图2(c)100％不透水面情景，图2(d)、(e)、(f)分别给出了2/3不透水面(不透水率66.67％)条件下的三种不同空间分布情景。

[0060] 在仅考虑地表径流且忽略时间因素的情况下，假设各网格点均在同一时间获得1个单位降雨量，透水面径流系数为0.5，不透水面径流系数为1.0，采用径流系数法计算出水口最终径流量。计算结果为：

[0061] 首先计算水流过程，根据图2(a)可以看出，最终的出口为高程240的格点，根据栅格间的坡度的表达式求得图2(a)中的9个格点与周围小于自身高程的格点之间的坡度。

[0062] 例如：高程为324与303的格点之间的坡度为21：

[0063]

[0064] 高程为324与297的格点之间的坡度为19.09：

[0065]

[0066] 同理高程为324与312的格点之间坡度为12，所以最大下降方向为324→303，其他的格点之间同理依次求出最大下降方向，得出如图2(a)的水流过程。

[0067] 本实施例中，100％透水面情景下，9个格点均为透水面，且每个格点的降水量相等，水流方向如图2(b)可知高程为324、350的格点经过4次透水面，高程为312、300、303的格点经过3次透水面，高程为297、260、322的格点经过2次透水面，高程为240的格点经过1次不透水面。根据径流系数法公式，可得：

[0068] F＝2×α4+3×α3+3×α2+1×α

[0069] 其中，α为0.5，最终求得径流量为1.75个单位。

[0070] 同理可得100％不透水面情景下，径流量为9个单位；而不透水率为66.67％的三种不同空间分布情景下，径流量分别为：情景1(图2(d))为7.5个单位，情景2(图2(e))为3.375个单位，情景3(图2(f))为6.5个单位。

[0071] 则三个情景的不透水面有效性计算分别为：

[0072] S1＝(F1)/(F0)*100％＝1

[0073] S2＝(F2)/(F0)*100％＝0.45

[0074] S3＝(F3)/(F0)*100％＝0.87

[0075] 上从计算结果可知，地表径流量随着不透水率的增加而显著增加。同时，在同一不透水率下，下垫面空间分布特征不同，也会导致径流量差异显著。本算例中，在不透水率同为66.67％的三种不透水面空间分布情景下，最大径流量差异高达55％，对比100％不透水率和66.67％不透水率下的情景1，二者的径流量差异仅为16.67％，一定程度上表明，下垫面空间特征分布不同引起的径流量差异，甚至有可能比不透水率自身变化导致的差异更加剧烈。