[0001] 本发明涉及水环境管理领域，特别涉及一种耦合土地利用类型和气候变化的流域水环境管理方法。

[0002] 水资源作为人类社会赖以延续发展的重要要素之一，给人类社会经济发展提供了十分重要的生态系统服务功能，尤其是在土地利用类型变化和全球气候变化的背景下，健康的流域及其完善的生态系统过程是适应土地利用类型变化和气候变化的重要基础，也是人类赖以生存和发展的必要条件。

[0003] 近年来人类活动及全球气候变化的加剧，影响了水文循环和营养物质循环的时空分布特征，引发了水资源时空分布不均的问题，加之水土流失严重导致水体含沙量高，多种类繁多的土壤营养物质具有显著的吸附作用。多重问题的叠加，急需在土地利用类型变化和气候变化影响下的流域水文生态系统服务管理的相关方法和技术上有所突破。

[0004] 传统的流域水文生态系统服务管理方法多采用简单的生态系统服务模型模拟土地利用类型变化和气候变化对水文生态系统服务的影响，未能以“格局‑过程‑功能‑分区”为主线考虑生态水文过程对生态系统服务本身及其保护区的影响。

[0005] 针对以上问题，本次发明主要解决的问题有：(1)采用何种方法确定土地利用类型变化和气候变化对流域水文生态系统服务的空间分布的影响；(2)如何构建水文生态系统服务保护区缓解土地利用类型变化和气候变化对水文生态系统服务的负面影响；(3)如何将流域水文模型与系统保护规划模型进行耦合，构建水文生态系统服务保护区。

[0006] 目前，我国流域水文生态系统服务管理主要以量化土地利用变化和气候变化对流域水文生态系统服务的影响为主，现有的水文生态系统服务保护方法在实际应用过程中，通常是以人类自身的需求为中心，忽略甚至破坏了原有生态系统的固有服务功能，对环境造成了不可逆的损伤，未考虑如何构建水文生态系统服务保护区，解决水资源开发与生态环境保护间的矛盾。

[0041] 下面结合附图对本发明做进一步描述。

[0042] 实施例1

[0043] 如图1所示，本发明提出了一种耦合土地利用类型变化和气候变化的流域水文生态系统服务管理方法，基于土地利用类型预测模型、全球气候预测模型、流域水文模型、系统保护规划模型，包括以下步骤：

[0044] S1、根据当前流域地形、气象、土地利用、土壤基础信息，采用流域水文模型模拟水文循环过程和营养物质循环过程，将模拟的流量值和水质值与已知监测断面的实测流量值和水质值进行对比分析，并对模型进行率定和校正，得到总产水量；设定土壤截留和植被吸收参数为0、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，将两次模型运转得到的泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量相减，分别得到泥沙含量、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(泥沙含量之差)和水质净化(有机和无机营养物质含量之差)视为流域水文生态系统服务，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；

[0045] S2、基于历史土地利用类型空间分布图层和历史气象数据，采用，采用土地利用类型预测模型和全球气候预测模型，模拟得到未来土地利用类型空间分布图层和气象变化趋势，并将不同未来土地利用类型和气象条件进行组合；

[0046] S3、基于不同未来土地利用类型和气象条件的情景组合，通过率定和校正后的流域水文模型模拟该情景条件下的水文循环过程和营养物质循环过程，得到总产水量空间分布图层；设定土壤截留和植被吸收参数为0、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，将两次模型运转得到的泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量相减，得到该情景条件下的水土保持和水质净化，进而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；

[0047] S4、基于土地利用类型变化和气象条件变化下的水文生态系统服务情景模拟结果，采用系统保护规划模型，构建水文生态系统服务在不同土地利用类型和气象条件下的多目标保护区。

[0048] 实施例2

[0049] 在实施例1的基础上，所述S1中，通过流域水文模型将整个研究流域划分成多个次流域，然后将每一个子流域再划为多个水文响应单元(Hydrologic Response Units,HRU)，空间分布矢量HRU是子流域的最基本单元，也是流域水文模型的基本计算单元，它表征同一子流域内有着相同的地表覆盖、土壤类型和管理方式图；模型在每个HRU上模拟域水文循环过程和营养物质循环过程，得到各HRU内的总产水量(包括：地表径流、壤中流和地下径流)；设定土壤截留和植被吸收参数为0、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，将两次模型运转得到的各HRU内的泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量相减，得到各HRU内的水土保持和水质净化，并将总产水量、水土保持和水质净化视为流域水文生态系统服务；
采用空间分析软件，将各HRU内的水文生态系统服务制成属性表，连接到HRUs空间分布矢量图层，进而得到各水文生态系统服务空间分布图层。

[0050] 在模拟水文循环过程和营养物质循环过程中，需将模拟的流量值和水质值与已知监测断面的实测流量值和水质值进行对比分析，并对模型进行率定和校正。

[0051] 实施例3

[0052] 在实施例2的基础上，如图2所示，所述S2中采用土地利用类型预测模型获取未来土地利用类型空间分布图层的具体步骤为：

[0053] S21、基于流域内历史土地利用类型空间分布图层，统计各土地利用类型总面积的变化趋势，采用多元统计方法或系统动力学方法预测未来各土地利用类型的总面积，获得未来各土地利用类型需求；

[0054] S22、采用二分类的回归模型基于当前土地利用类型数据与多种驱动因子(包括气温、降水、土壤、地形、交通、区位、政策等方面)建立土地利用空间分布与驱动力之间的关系，得到各土地利用类型的适宜性概率，从而得到土地利用的驱动和限制因子，用于建立未来土地利用类型空间分布图层。

[0055] S23、确定允许转换的土地利用单元并计算每一个栅格单元对每一种土地利用类型的转换可能性，形成最初的土地利用分配图；根据土地利用分配图与土地利用类型需求相匹配进行土地利用面积的空间分配，建立未来土地利用类型空间分布图层。在本实施例中地利用类型的变化主要发生在水田和旱地两种类型，其它土地利用类型基本保持不变。

[0056] 实施例4

[0057] 在实施例3的基础上，所述S23中，允许转换的土地利用单元判定方法为：自然保护区和农田保护区的土地为不允许被转换单元，其余为允许转换土地利用单元；所述转换可能性由转换系数确定，所述转换系数为适宜性概率，大小介于0到1之间，在0和1之间的数值不同表明转换可能性的大小，数值越大，转换可能性越大。

[0058] 实施例5

[0059] 在实施例4的基础上，如图3所示，所述S2中气象变化趋势的获取过程为：全球气候模型为预测流域未来气候变化提供了可行的方法，联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)提供的评估报告里面包含了一系列全球气候模型对未来气温和降水变化量的的模拟结果，时间尺度为月；基于流域内气温和降水的历史数据，计算得到未来月尺度的气温和降水数据，并将其输入到流域水文模型中的天气发生器中，生成时间步长为天的气象数据。

[0060] 实施例6

[0061] 在实施例5的基础上，所述未来月尺度的气温和降水数据计算方法为：

[0062] 未来气温计算：

[0063] μ'mT＝μmT+(μmT,future‑μmT,current)

[0064] 其中，μmT和μ'mT分别为当前和未来的月平均气温；μmT,current和μmT,future为别为当前和未来气象情景下的模拟月平均气温；

[0065] 未来降水量计算：

[0066] μ'mP＝μmP*(μmP,future/μmP,current)

[0067] 其中，μmP和μ'mP分别为当前和未来的月平均降水量；μmP,current和μmP,future为别为当前和未来气象情景下的模拟月平均降水量。

[0068] 实施例7

[0069] 在实施例3的基础上，如图4所示，所述S3的具体过程为：基于不同未来土地利用类型和气象组合条件，进行流域水文生态系统服务的模拟，在不改变其他输入数据的条件下，分别将未来土地利用类型空间分布图层和气象条件输入到率定和校正后的流域水文模型中，得到各HRU内的总产水量；设定土壤截留和植被吸收参数为0、植被管理和植被覆盖参数为1，再次运转模型，将两次模型运转得到的各HRU内的泥沙含量、有机营养物质和无机营养物质含量相减，得到各HRU内的水土保持和水质净化；采用空间分析软件，将各HRU内的水文生态系统服务制成属性表，连接到HRUs空间分布矢量图层，进而得到不同未来土地利用类型和气象条件情景组合下的各水文生态系统服务空间分布图层。

[0070] 实施例8

[0071] 如图5所示，在实施例7的基础上，所述S4的具体过程为：

[0072] S41、采用空间分析将基于流域水文模型模拟的水文生态系统服务空间分布图层转化为栅格格式，生成覆盖整个研究流域的正六边形格网矢量图层；并利用分区统计工具，得到每个正六边形内的水文生态系统服务，并将其作为系统保护规划模型的生态特征输入数据；

[0073] S42、输入的生态特征数据包括多种水文生态系统服务空间分布图层，且每个空间分布图层的保护重要性不一样，这就需要设计保护战略时根据每种水文生态系统服务的保护价值对所有水文生态系统服务进行有区别性的考虑；在系统保护规划模型中，根据各空间分布图层的保护重要性赋予各水文生态系统服务不同权重；其中，权重可根据需求进行调整。

[0074] S43、针对每一保护生态系统服务在规划流域范围内所设定的量化保护程度指标，包括数量和分布范围指数(一般为10％—90％)，主要是通过保持一定的保护水文生态系统服务对象的数量和分布范围，以期维持保护对象的可持续性，达到保护的效果；在实施例中设定需要保护的各种水文生态系统服务为其服务功能总量的10％—90％；

[0075] S44、系统保护规划模型在确定优先保护的规划单元时，不仅能实现达成水文生态系统服务保护的目标，而且会对选取保护该规划单元的经济成本进行分析，以选取成本低而能实现目标的单元格；受实际数据限制，在实际操作和研究中很难获取到保护成本的直接数据，在本实施例中选取生态系统服务分布的规划计算单元面积为保护成本代价，并通过对边缘效应权重的调整来改变规划单元的聚集性；

[0076] S45、运行系统保护规划模型得到单一水文生态系统服务和多种水文生态系统服务的空间保护分布图层。

[0077] 本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

[0078] 本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

[0079] 本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。