一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法

技术领域

本发明涉及生态建设技术领域，尤其涉及一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法。

背景技术

黄土丘陵沟壑区位于我国半湿润气候向半干旱、干旱气候区过度地带，黄土土层厚而松，夏季多暴雨，曾是全球水土流失最为严重的地区之一，生态环境脆弱。1949年以来，黄土丘陵区一直持续开展水土保持工作，特别是退耕还林(草)工程实施以来，坡耕地不断退出耕作，植被覆盖大幅增加，水土流失明显减弱。但退耕还林后耕地面积大幅减少，局部区域出现“人—粮”关系紧张的问题。退耕还林后水土流失减少，为沟道营造了安全的生产、生活环境，沟道土地利用潜力日益凸显。近年来，延安市开展了治沟造地实践，增加了耕地面积，促进了农业集约化和规模化，推进了乡村转型发展。然而，黄土丘陵沟壑区生态环境脆弱的特征仍没有改变，极端降雨事件时有发生，对治沟造地实践提出了较大挑战。优化组合开挖坡面和护坡植被类型成为有效降低水土流失、滑坡等灾害的有效方式。

当前多采用试验观测的方式，采取人工降雨或降雨事件后观测不同开挖坡面和护坡植被类型组合的稳定性和水土流失情况。但存在组合方案多样、试验观测成本高，难以有效检验对未来气候变化的响应等问题。本发明提供了一种基于水蚀模型的应对未来气候变化的开挖坡面和护坡植被类型优化配置的方法，可有效确定未来气候变化情景下沟坡防护措施优化配置方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于水蚀模型的应对未来气候变化的开挖坡面和护坡植被类型优化配置的方法。

具体而言本发明提供了一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法，其特征在于，所述开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法包括以下步骤：

步骤S1：获取不同情景下多种全球气候模式的气候数据和开挖坡面所在地的气象站气候数据，生成所述开挖坡面所在地的未来预测年份中日值气候特征数据；

步骤S2：根据所述开挖坡面所在地实地调研确定开挖坡面方案；

步骤S3：根据所述开挖坡面所在地确定多种护坡植被的种植方案和生物性状数据；

步骤S4：将所述气候特征数据、开挖坡面方案、坡面土壤数据、护坡植被的种植方案和生物性状数据转化为水蚀模型数据，导入水蚀模型；

步骤S5：根据所述日值气候特征数据、开挖坡面方案和种植方案生成组合方案，利用所述水蚀模型计算所述组合方案内参数，选择开挖坡面沟坡防护措施最优配置方案。

更进一步地，在步骤S1中，包括以下步骤：

步骤S11：获取温室气体排放低、中、高的三种情景下多种所述全球气候模式的气候数据，生成所述开挖坡面所在地的三种情景下多种全球气候模式的气候数据月度平均值；

步骤S12：获取所述开挖坡面所在地临近的气象站的所述气象站气候数据，对未来预测年份中所述温室气体排放低、中、高的三种情景下多种全球气候模式的所述气候数据月度平均值进行校正；

步骤S13：将校正后的所述气候数据月度平均值转成气候生成器模型需要的气候特征数据；

步骤S14：所述气候生成器模型产生未来预测年份中日值气候特征数据。

更进一步地，在步骤S11中，所述气候数据包括月度降水量、月度日最高气温、月度日最低气温。

更进一步地，在步骤S12中，所述气象站气候数据包括降水量、最高气温、最低气温、露点温度、太阳辐射、风速、风向的日值数据。

更进一步地，在步骤S13中，所述气候特征数据包括日均降水量、日均降水量标准差、降水—降水概率、不降水—降水概率、日均最高气温、日均最低气温、日均最高气温标准差、日均最低气温标准差、日均露点温度、日均太阳辐射、日均太阳辐射标准差、16个方向风速均值、16个方向风速标准差、16个方向风速偏度系数以及各风向的占比等的月度数据。

更进一步地，在步骤S2中，所述开挖坡面方案依据所述开挖坡面的竖直高度与水平长度比例确定。

更进一步地，在步骤S2中，所述开挖坡面方案包括所述开挖坡面的坡度为30°、45°、53°、59°、63°、73°的方案；

所述30°的方案为一阶坡面外，所述45°、53°、59°、63°、73°的方案为二阶坡面；

所述二阶坡面中每阶坡面垂直高度为5米，在开挖坡面上部保留部分原始坡面及坡面上的原始植被。

更进一步地，在步骤S3中，所述种植方案依据所述开挖坡面所在地易于成活和生长的灌木这一原则选择。

更进一步地，在步骤S5中，所述组合方案内参数包括土壤侵蚀模数和土壤侵蚀—增地面积弹性系数。

更进一步地，在步骤S5中，所述最优配置方案选择所述土壤侵蚀模数不超过1000t/(km

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种综合考虑未来气候变化情景、开挖坡面方案、护坡植被类型的开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法，即基于全球气候模式和气象观测数据，定量设定气候变化情景，并设定多种开挖坡面和护坡植被类型组合方案，再通过水蚀模型对每种方案进行计算，确定可有效应对未来气候变化的开挖坡面和护坡植被类型的组合方案。

本发明采用列举的方式对气候变化情景下的开挖坡面和护坡植被类型组合方案进行计算，通过长期的试验和观测确定了精确的参数，并由该参数作为优化配置的阈值，最后通过阈值选择计算结果中确定最优的配置方案；该配置方案分析了多种不同情景和组合方案下的参数，极大的提高了优化配置的准确性，在能够有效的应对未来气候变化所需的配置方案的同时，还能够极大的降低试验成本和观测成本；该优化配置方法不但保证了整体的优化效果，也更便于操作和处理。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法的步骤示意图；

图2是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中开挖坡面为30°的原始坡型示意图；

图3是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中开挖坡面为45°的二阶坡面坡型示意图；

图4是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中开挖坡面为53°的二阶坡面坡型示意图；

图5是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中开挖坡面为59°的二阶坡面坡型示意图；

图6是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中开挖坡面为63°的二阶坡面坡型示意图；

图7是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中开挖坡面为73°的二阶坡面坡型示意图；

图8是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中土壤侵蚀模数模拟的结果示意图；

图9是本发明实施例提供的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法中土壤侵蚀—增地面积弹性系数模拟的结果示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图1-9，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如附图1所示，一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取不同情景下多种全球气候模式的气候数据和开挖坡面所在地的气象站气候数据，生成开挖坡面所在地的未来预测年份中日值气候特征数据；

步骤S2：根据开挖坡面所在地实地调研确定开挖坡面方案；

步骤S3：根据开挖坡面所在地确定多种护坡植被的种植方案和生物性状数据；

步骤S4：将气候特征数据、开挖坡面方案、坡面土壤数据、护坡植被的种植方案和生物性状数据转化为水蚀模型数据，导入水蚀模型；

步骤S5：根据日值气候特征数据、开挖坡面方案和种植方案生成组合方案，利用水蚀模型计算组合方案内参数，选择开挖坡面沟坡防护措施最优配置方案。

具体的，在步骤S1中，还包括以下步骤：

步骤S11：获取温室气体排放低、中、高的三种情景下多种全球气候模式的气候数据，生成开挖坡面所在地的三种情景下多种全球气候模式的气候数据月度平均值；

IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change，联合国政府间气候变化专门委员会)报告中通常以温室气体排放量高低设置未来气候情景为低、中、高三种情景，获取上述三种情景下多种常用的全球气候模式的气候数据，气候数据包括月度降水量、月度日最高气温、月度日最低气温；利用开挖坡面所在地经纬度信息获取开挖坡面所在地对应的IPCC报告中起始年份至预期预测年份中低、中、高三种情景下多种常用全球气候模式的气候数据的平均值。

步骤S12：获取开挖坡面所在地临近气象站的气象站气候数据，对未来预测年份中温室气体排放低、中、高的三种情景下多种全球气候模式的气候数据月度平均值进行校正；

获取开挖坡面所在地临近的气象站对应IPCC报告中已有的气候数据年份中的气象站气候数据，气象站气候数据包括降水量、最高气温、最低气温、露点温度、太阳辐射、风速、风向的日值数据；并将当地气候数据的日值数据转换为月度数据，分析其与IPCC报告中对应时间气候数据月度平均值的关系，并对开挖坡面所在地的未来预测年份中气候数据月度平均值进行校正。

步骤S13：将校正后的气候数据月度平均值转成气候生成器模型需要的气候特征数据；

利用开挖坡面所在地校正后的未来预测年份中气候数据月度平均值，生成气候生成器模型需要的未来预测年份中气候特征数据，气候特征数据包括日均降水量、日均降水量标准差、降水—降水概率、不降水—降水概率、日均最高气温、日均最低气温、日均最高气温标准差、日均最低气温标准差、日均露点温度、日均太阳辐射、日均太阳辐射标准差、16个方向风速均值、16个方向风速标准差、16个方向风速偏度系数以及各风向的占比等的月度数据。

步骤S14：气候生成器模型产生未来预测年份中日值气候特征数据。

在步骤S2中，根据针对开挖坡面所在地实地调研与已有相关研究，通过开挖坡面竖直高度与水平长度比例确定开挖坡面方案。其中，开挖坡面竖直高度与水平长度比例为1:1.75、1:1、1:0.75、1:0.6、1:0.5、1:0.3时，分别对应开挖坡面坡度30°、45°、53°、59°、63°、73°的开挖坡面方案；除30°为一阶坡面外，其他坡度为二阶坡面，两阶坡面之间设置2米长的水平台，二阶坡面中每阶坡面垂直高度为5米，在开挖坡面上部保留部分原始坡面及坡面上的原始植被。同时，采集开挖坡面所在地的坡面土壤数据，包括土壤质地、有机质含量、有效水力传导系数、土壤临界剪切力、细沟土壤可蚀性等。

在步骤S3中，依据选择开挖坡面所在地易于成活和生长的灌木这一原则选择多种护坡植被；并收集多种护坡植被和坡面原始植被的生物性状数据和最适生长行距的种植方案。

在步骤S4中，将气候特征数据、开挖坡面方案、坡面土壤数据、护坡植被的种植方案和护坡植被的生物性状数据转化为水蚀模型的数据，并导入水蚀模型。

如附图2-7所示，在步骤S5中，首先，依据日值气候特征数据、开挖坡面方案和护坡植被的种植方案生成组合方案；组合方案包括在温室气体排放低、中、高的三种情景下，各种开挖坡面方案种植不同护坡植被及裸土状态的组合方案；其次，利用水蚀模型计算不同组合方案下的土壤侵蚀模数，并计算不同开挖坡面方案对应的由于坡面开挖产生的平地面积，再计算随坡度增加产生的土壤侵蚀模数变化与平地面积变化的比值，即土壤侵蚀—平地面积弹性系数；最后，综合土壤侵蚀模数和土壤侵蚀—增地面积弹性系数，依据土壤侵蚀模数不超过1000t/(km

具体的，在一种实施方式中，选取黄土高原地区延安市羊圈沟流域为案例区。延安市羊圈沟流域是黄土高原地区的一个典型小流域，应对未来气候变化的一种黄土高原地区开挖坡面沟坡防护措施优化配置方法步骤如下：

在步骤S1中，首先，选取IPCC第五次评估报告中的8种常用的全球气候模式，包括BCC-CSM1.1、BNU-ESM、CCSM4、CNRM-CM5、GFDL-CM3、MIROC5、MPI-ESM-LR、NorESM1-M，并选取报告中温室气体排放低、中、高三种情景常用的RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景，获取三种情景下8种气候模式的气候数据：月度降水量、月度日最高气温、月度日最低气温；并利用羊圈沟流域经纬度(36.70°N，109.52°E)提取1970-2050年的气候数据，并计算为羊圈沟流域RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下8种全球气候模式的气候数据的平均值。

其次，整理羊圈沟临近的延安国家气象站1970-2005年降水量、最高气温、最低气温、露点温度、太阳辐射、风速、风向的日值数据，并统计为月度数据，分析其与1970-2005年全球气候模式数据的关系，并以此校正2020-2050年全球气候模式数据。

再次，利用校正的2020-2050年全球气候模拟数据，生成气候生成器模型需要的2020-2050年气候特征数据，包括日均降水量、日均降水量方差、降水—降水概率、不降水—降水概率、日均最高气温、日均最低气温、日均最高气温标准差、日均最低气温标准差、日均露点温度，日均太阳辐射、日均太阳辐射标准差、16个方向风速均值、16个方向风速标准差、16个方向风速偏度系数以及各风向的占比等的月度数据，气候生成器模型选取后面分析用到的水蚀模型中集成的CLIGEN模型。

最后，气候生成器CLIGEN模型产生2020-2050年日值指标的月度情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)数据。

在步骤S2中，根据实地调研与已有相关研究，确定开挖坡面坡度为30°,45°,53°,59°,63°,73°，除30°为一阶坡面外，其他坡度为二阶坡面，坡面之间设置2米平台，在开挖坡面上部保留部分原始坡面，原始坡面植被普遍为刺槐林；采集羊圈沟坡面土壤数据，包括土壤质地、有机质含量、有效水力传导系数、土壤临界剪切力、细沟土壤可蚀性等。

在步骤S3中，首先，根据实地调研与已有相关研究，确定护坡植被类型为刺槐和柠条，并增加裸土作为对照；

其次，收集刺槐、柠条和紫穗槐3种植被生物性状数据；

再次，确定护坡植被种植方案，刺槐间隔为2米，柠条和紫穗槐种植间隔为0.5米。

在步骤S4中，将2020-2050年日值指标的月度情景数据、开挖坡面坡度和土壤参数、植被生物性状数据和种植方案转化为水蚀模型需要的数据，并导入水蚀模型。

如附图8-9所示，在步骤S5中，首先，将气候特征数据、开挖坡面方案、坡面土壤数据、护坡植被的种植方案和护坡植被的生物性状数据，生成组合方案共54个；

其次，利用水蚀模型计算不同组合方案下的土壤侵蚀模数模拟结果，并计算不同组合方案下土壤侵蚀—增地面积弹性系数；

最后，确定开挖坡面沟坡防护措施优化配置方案，在RCP2.6情景下，应选择开挖53°坡面并种植紫穗槐或柠条作为护坡植被；在RCP4.5情景下，应选择开挖53°坡面并种植紫穗槐作为护坡植被；在RCP8.5情景下，应选择开挖53°坡面并种植紫穗槐或柠条作为护坡植被。

虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。