一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法转让专利
申请号 : CN201811525777.4
文献号 : CN110928965B
文献日 : 2022-11-04
发明人 : 刘玉环 , 罗赟 , 李致家 , 臧帅宏 , 童冰星
申请人 : 河海大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:S1、构建半湿润半干旱流域的新安江‑Green Ampt混合产流计算模型;
S2、对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类;
S3、构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型并进行计算;
所述步骤S1构建的半湿润半干旱流域的新安江‑Green Ampt混合产流计算模型是以新安江模型理论为基础,将Green‑Ampt公式进行变形,与新安江模型并联架构,在蓄满产流区域使用蓄水容量曲线计算蓄满产流量,未蓄满区域采用Green‑Ampt下渗曲线计算超渗产流量;设蓄满产流量计算的结果为R,则蓄满产流面积比是FR=R/PE,未蓄满产流面积比为1‑FR,超渗产流量irs计算如下:当PE≥fmm irs=(PE‑f)×(1‑FR) 公式一
当PE
式中,PE为降水量;irs为未蓄满区域的超渗产流量;FR为蓄满产流面积比;f为流域某点下渗率;fmm为流域最大下渗率;EF为下渗容量曲线指数;
未蓄满面积上超渗产生的径流与蓄满面积上蓄满产生的径流共同通过自由水蓄水库划分水源和调节出流;
产流量计算完毕后,蓄满面积上的蓄满产流量与未蓄满面积上的超渗产流量之和为总产流量,进而进行三水源划分,其中,壤中流和地下径流计算方法与新安江模型一致,仅地表径流计算增加了一部分超渗径流;地表径流RS计算公式如下:当
当
上式中,PE为降水量;RS为地表径流;irs为未蓄满区域的超渗产流量;FR为蓄满产流面积比;SM为自由水平均蓄水容量;S为流域某点自由水蓄水容量;SSM为流域最大自由水蓄水容量;EX为自由水容量分布曲线指数;AU为相应平均蓄水深的最大蓄水深。
2.根据权利要求1所述的一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法,其特征在于:所述步骤S2对半湿润半干旱流域进行蓄满超渗子流域划分进行精细分类的方法是采用CN‑TI联合划分法对研究流域进行蓄满超渗子流域划分:利用ArcGIS对流域划分自然子流域,根据子流域的土壤类型和土地利用类型计算网格的CN值,进而通过区域分析工具求面平均的CN值;将划分好的自然子流域分为两类:蓄满产流主导型子流域,超渗产流主导型子流域;计算面平均地形指数,在CN值划分的基础上进行调整,得到最终的子流域蓄满超渗划分结果。
3.根据权利要求2所述的一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法,其特征在于,所述步骤S2包括以下步骤:S2.1:利用ArcGIS中水文分析工具提取研究流域的集水范围以及水系分布图;
S2.2:利用ArcHydro工具对研究流域进行自然子流域划分;
S2.3:根据研究流域边界,提取流域范围的土壤类型地图;
S2.4:根据研究流域边界,提取流域范围的土地利用地图;
S2.5:根据子流域的土壤类型和土地利用类型查表得到网格的CN值;
S2.6:采用ArcGIS中通过区域分析工具求面平均的CN值;
S2.7:计算流域的面平均地形指数;
S2.8:将划分好的自然子流域分为两类:CN面平均值<75的子流域为蓄满产流主导型子流域,反之则为超渗产流主导型子流域;
S2.9:在CN划分的基础上,将超渗产流子流域中,面平均地形指数>9的子流域改为蓄满产流子流域,同时将蓄满产流子流域中,面平均地形指数很小的子流域改为超渗产流子流域,得到最终的子流域蓄满超渗划分结果,将半湿润半干旱流域划分为若干子流域单元,所述子流域单元包括蓄满产流子流域单元和/或超渗产流子流域单元;
S2.10:降雨数据子流域插值:在原有雨量站降水资料的基础上,采用距离平均倒数法,对降水数据进行插值处理:以子流域周围各雨量站到该子流域中心距离平方倒数作为权重,用各权重与雨量相乘,求和得到每个子流域面平均降水,计算公式如公式六所示:式中,Pj代表第j个子流域的将雨量;nj为参加第j个子流域计算的雨量站个数;Pi为参加计算的各雨量站的降雨量;Wi为各雨量站对应于第j个子流域的权重。
4.根据权利要求3所述的一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法,其特征在于:所述步骤S3构建半湿润半干旱流域的蓄满超渗空间灵活架构模型是选择新安江模型、Green‑Ampt超渗产流模型和步骤S1得到的新安江‑Green Ampt模型,构建蓄满超渗空间灵活架构模型;所述蓄满超渗空间灵活架构模型中包含三种产流模式:蓄满产流模式、超渗产流模式和混合产流模式;所述三种产流模式之间能够相互组合,也能够单独使用,构成蓄满超渗空间灵活架构模型中的六种计算模型,M1模型:蓄满产流计算模型;
M2模型:蓄满产流和混合产流组合计算模型;
M3模型:混合产流计算模型;
M4模型:蓄满产流和超渗产流组合计算模型;
M5模型:超渗产流和混合产流组合计算模型;
M6模型:超渗产流计算模型;
将蓄满超渗空间灵活架构模型中的蓄满产流模式、超渗产流模式和混合产流模式依次标记①、②和③,然后根据步骤S2.9的子流域蓄满超渗划分结果,对每一个子流域单元进行标记;其中蓄满产流子流域单元标记为①或③,超渗产流子流域单元标记为②或③;
所述蓄满超渗空间灵活架构模型的计算步骤包括:
S3.1、蒸散发计算
蒸散发计算选用三层蒸发模型,模型中输入的是蒸发皿实测水面蒸发,使用经验公式来推求流域的蒸发能力,将蒸发能力数据以及步骤2.10的子流域面平均降水数据导入三层蒸发模型计算实际蒸散发;
S3.2、产流计算
通过标记码,选择对应的计算模型进行产流计算;如果所有子流域单元都标记的是①,则选择M1模型;如果所有子流域单元都标记的是②,则选择M6模型;如果所有的子流域都标记为③,则选择M3模型;如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记,那么选择M2、M4或M5模型来进行计算;
其中M1模型的产流计算采用新安江模型;M6模型的产流计算采用Green‑Ampt模型;M3模型的产流计算采用步骤S1构建的新安江‑Green Ampt混合产流计算模型;M2、M4或M5模型的产流计算采用新安江模型、Green‑Ampt模型和新安江‑Green Ampt混合产流计算模型组合计算;
S3.3、水源划分计算
通过标记码,选择对应的计算模型进行水源划分计算;如果所有子流域单元都标记的是①,则选择M1模型;如果所有子流域单元都标记的是②,则选择M6模型;如果所有的子流域都标记为③,则选择M3模型;如果子流域单元包括①、②和③中的两种及以上标记,那么选择M2、M4或M5模型来进行计算;
其中M1模型的水源划分计算采用新安江模型的三水源计算公式进行水源划分:用自由水蓄水库的结构将总径流划分为地表径流RS、壤中流RI以及地下径流RG;M6模型的水源划分计算采用Green‑Ampt模型的两水源计算公式进行水源划分:通过稳定下渗率FC将产流划分为地表径流和地下径流;M3模型的水源划分计算采用步骤S1构建的新安江‑Green Ampt混合产流计算模型的三水源划分方法进行计算;M2、M4或M5模型的水源划分计算采用新安江模型、Green Ampt模型和新安江‑Green Ampt混合产流计算模型组合计算;
S3.4、汇流计算
汇流指子流域内坡面及河网汇流,及子流域出口至流域出口河道洪水演算;其中,坡面汇流:地面径流直接汇入河网;壤中流和地下径流用线性水库模拟;河网汇流:单元面积河网汇流采用滞后演算法;河道汇流:以圣维南方程组为理论基础进行演算。
说明书 :
一种基于流域精细分类的多模型灵活架构的模拟方法
技术领域
背景技术
发明内容
附图说明
具体实施方式
03′,流域面积2856km。降雨量的分布不均匀,流域内降水量500~1100mm之间,年降水量随地形高度增加而递增,年水面蒸发量在1000~1300mm之间,属于半干旱半湿润地区。暴雨日降水量一般100mm以上,大的可达400~600mm,暴雨一般出现在5~10月之间,7~8月占总数的60~80%。该流域气候类型属于暖温带大陆性季风气候区,山地季风气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。年降水量随地形高度增加而递增,山地为多雨区,河谷及附近丘陵为少雨区,年内降雨时间分布不均,7~9月份降水量占全年的50%以上,年最多降水量为年最少降水量的2.4~3倍。流域内洪水多由暴雨产生,具有陡涨陡落、洪峰高、历时短等特点,对中下游的防洪安全具有较大影响。流域地势西高东低,上游植被良好,主要为林地,下游河道边裸地较多。本例的研究区中的数字高程数据(DEM)采用美国太空总署(NASA)与国防部国家测绘局(NIMA)联合提供的90m分辨率的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)数据,如图5。