CN106548012A - 一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，包括步骤：在流域出口站的实测流量资料中划分场次洪水；在场次洪水过程线上划分地表径流、壤中水径流以及地下径流，及计算出各径流的径流深，并获得总的径流深；计算出场次洪水的净雨深；计算蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例；由地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间比例关系，结合壤中水径流与地下水径流出流系数之间的线性约束关系，计算获得壤中水径流出流系数；由壤中水径流出流系数与蓄满产流中自由水蓄水库蓄满面积比例，估算获得流域平均自由水蓄水容量的值。本发明减少了所需要率定的参数的个数，降低了异参同效的发生概率。

Description

一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法

技术领域

本发明涉及一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，属于水文分析技术领域。

背景技术

20世纪80年代初期，由河海大学赵人俊教授领导的课题小组提出了两水源的新安江模型。在80年代中期时引入山坡水文学中的自由水蓄水库的概念，提出了三水源的新安江模型，利用自由水蓄水库将径流划分为地表，壤中和地下径流。这使得自由水蓄水库的容量(SM)决定了径流成分比例，若SM大，则壤中流和地下径流偏多，汇流和退水偏慢，计算出来的流域出口的径流过程线会更加矮胖一些；若SM小，则地表水径流偏多，汇流和退水会更快，从而使得计算出来的径流过程线更加尖瘦。由此可以看出流域平均自由水蓄水容量是一个敏感而重要的参数，它的些微改变可能会引起流域出口的径流过程线形状的较大变化。

然而在现有的新安江模型中，常常通过实测降雨流量资料来率定SM的值，这需要将流域平均自由水蓄水容量与其它诸多参数一同率定，然而在采用马斯京根方法进行汇流演算的三水源新安江模型参数达17个，大量的参数往往容易导致异参同效的现象的发生，即各参数对于模拟演算的结果的影响相互抵消，使得不同的参数值组合得到相同的计算结果。这样一来不仅率定出的流域平均自由水蓄水容量的值不准确，而且众多参数使得模型在应用时需要较高的调参能力，给模型的使用带来不便。

针对以上不足，如何用简便且具有一定物理基础的方法获得合理的流域平均的自由水蓄水容量的值，以减少需要率定的参数，降低异参同效现象的发生概率，正是一个需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，解决现有方法在构建新安江模型时，模型参数率定繁多的问题。减少需要率定的参数，降低异参同效现象的发生概率的问题。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，包括步骤：

S1、在流域出口站的实测流量资料中划分场次洪水；

S2、在划分出的场次洪水过程线上划分地表径流、壤中水径流以及地下径流，及将其分别结合流域面积计算出地表径流、壤中水径流和地下径流的径流深，且计算得到总的径流深；

S3、由流域的实测降雨资料以及蒸发资料计算出场次洪水的净雨深；

S4、依据所计算出的地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深和所得场次洪水的净雨深，计算获得蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例；

S5、由所述地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间的比例关系，结合壤中水径流出流系数与地下水径流出流系数之间的线性约束关系，计算获得壤中水径流出流系数；

S6、由所得壤中水径流出流系数与蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例，估算获得流域平均自由水蓄水容量的值。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，步骤S1中划分所得为单峰式的场次洪水。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，步骤S2中根据场次洪水过程线上退水段的斜率变化划分获得地表径流、壤中水径流以及地下径流。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述退水段的斜率的计算方法为：

其中，tanα是退水段的斜率，Q_t是t时刻的径流深，Q_t+Δt为t+Δt时刻的径流深，Δt为时间间隔；

以及，所述地表径流的径流深的计算方法为：

其中，RS为地表径流的径流深；ΣQS_ti为划分出的各时段的地表水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积；

所述壤中水径流的径流深的计算方法为：

其中，总径流深RI为壤中水径流的径流深；∑QI_ti为划分出的各时段壤中水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积；

所述地下径流的径流深的计算方法为：

其中，RG为地下径流的径流深；∑QG_ti为划分出的各时段地下水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积；

并且，所述总的径流深的计算为：R＝RS+RI+RG。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，步骤S4计算蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例，包括：

S41、计算获得流域产流面积比例a₁，所述

S42、计算获得地表径流占径流总量的比例a₂，所述

S43、计算获得蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例a，所述

其中，PE为净雨深；R为总径流深；RS为地表水径流的径流深。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，步骤S5中所述地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间的比例关系为：

以及，壤中水径流出流系数与地下水径流出流系数之间的线性约束关系为：

KI+KG＝0.7

其中，RI为壤中水径流的径流深；RG为地下径流的径流深；KI为壤中水径流出流系数；KG为地下水径流出流系数。

进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，步骤S6中估算获得流域平均自由水蓄水容量SM值的方法为：

其中，RI为壤中水径流的径流深；KI为壤中水径流出流系数；a为蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

本发明方法以流域出口的实测流量过程线为基础，结合山坡水文学中自由水蓄水库的概念，从参数物理意义的角度估算了流域自由水蓄水容量的值，保证了结果的客观合理性。

与现有技术相比，本发明根据自由水蓄水容量的物理意义，利用流域出口处实测流量过程线来估算流域平均的自由水蓄水容量SM的值，使得估算出来的SM值更加合理准确。同时在构建新安江模型时，减少了所需要率定的参数的个数，使得参数率定的过程变得更加简便，降低了异参同效的发生概率。提高了计算效率，同时也可以进一步促进新安江模型的深入研究。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2为本发明场次洪流量过程线以及地表，壤中以及地下径流划分示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明提出了一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其中的自由水蓄水库概念是由山坡水文学中引入的，用于划分地表、壤中以及地下径流，即将土壤较为疏松的表层看成一个具有一定容量的蓄水库，其容量就是流域平均自由水蓄水容量SM。而判断是否蓄满的标准是是否有地表水径流产生，也就是公式RI＝KI×SM是否成立。对此，方法给出估算方法，具体包括以下步骤：

S1、在流域出口站的实测流量资料中划分场次洪水；优选地，划分的场次洪水选择是单峰式的典型洪水。

S2、在划分出的场次洪水过程线上划分地表径流、壤中水径流以及地下径流，如图2所示，及将其分别结合流域面积计算出各径流成分的径流深，且计算得到总的径流深。本方法依据退水段的斜率变化划分地表径流，壤中水径流以及地下径流。

即根据场次洪水过程线获得退水段的斜率变化，及划分获得地表径流、壤中水径流以及地下径流；所述退水段的斜率的计算方法为：

其中，tanα是退水段的斜率，Q_t是t时刻的径流深，Q_t+Δt为t+Δt时刻的径流深，Δt为时间间隔。

以及，划分获得地表径流、壤中水径流以及地下径流后，分别计算得到各径流的径流深；所述地表径流的径流深的计算方法为：

其中，RS为地表径流的径流深；∑QS_ti为划分出的各时段地表水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积。

所述壤中水径流的径流深的计算方法为：

其中，RI为壤中水径流的径流深；∑QI_ti为划分出的各时段壤中水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积。

所述地下径流的径流深的计算方法为：

其中，RG为地下径流的径流深；ΣQG_ti为划分出的各时段地下水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积。

并且，对于总的径流深，其为各径流的径流深总和，即：

R＝RS+RI+RG

其中，RS为地表径流的径流深；RI为壤中水径流的径流深；RG为地下径流的径流深。

S3、由流域的实测降雨资料以及蒸发资料计算出场次洪水的净雨深；所述场次洪水的总的净雨深的计算方法为：

PE＝P-E

其中，PE为场次洪水的净雨深；P为降雨量；E为蒸发量。

S4、依据所计算出的地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深和所得场次洪水的净雨深，计算蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例。具体包括以下步骤：

S41、计算获得流域产流面积比例a₁，所述

S42、计算获得地表径流占径流总量的比例α₂，所述

S43、计算获得蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例a，所述

其中，PE为净雨深；R为总的径流深；RS为地表水径流的径流深。

S5、由所述地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间的比例关系，结合壤中水径流出流系数与地下水径流出流系数之间的线性约束关系，计算获得壤中水径流出流系数。

即由地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间的比例关系，以及壤中水径流出流系数与地下水径流出流系数之间的线性约束关系所构成的方程组来计算壤中水径流出流系数KI。

所述地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间的比例关系为：

以及，所述壤中水径流出流系数与地下水径流出流系数之间的线性约束关系为：

KI+KG＝0.7

其中，RI为壤中水径流的径流深；RG为地下径流的径流深；KI为壤中水径流出流系数；KG为地下水径流出流系数。

S6、由所得壤中水径流出流系数与蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例，估算获得流域平均自由水蓄水容量的值。

即在壤中水径流的径流深RI、壤中水径流出流系数KI和蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例a均为已知的情况下，流域平均自由水蓄水容量SM值的计算方法为：

由此，本发明的方法以流域出口的实测流量过程线为基础，结合山坡水文学中自由水蓄水库的概念，从参数物理意义的角度估算了流域平均自由水蓄水容量的值，保证了结果的客观合理性。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (7)

1.一种通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其特征在于，包括步骤：

S1、在流域出口站的实测流量资料中划分场次洪水；

S2、在划分出的场次洪水过程线上划分地表径流、壤中水径流以及地下径流，及将其分别结合流域面积计算出地表径流、壤中水径流和地下径流的径流深，且计算得到总的径流深；

S3、由流域的实测降雨资料以及蒸发资料计算出场次洪水的净雨深；

S4、依据所计算出的地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深和所得场次洪水的净雨深，计算获得蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例；

S5、由所述地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间的比例关系，结合壤中水径流出流系数与地下水径流出流系数之间的线性约束关系，计算获得壤中水径流出流系数；

S6、由所得壤中水径流出流系数与蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例，估算获得流域平均自由水蓄水容量的值。

2.根据权利要求1所述通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其特征在于，步骤S1中划分所得为单峰式的场次洪水。

3.根据权利要求1所述通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其特征在于，步骤S2中根据场次洪水过程线上退水段的斜率变化划分获得地表径流、壤中水径流以及地下径流。

4.根据权利要求3所述通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其特征在于，所述退水段的斜率的计算方法为：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{Q_t-Q_{t+\mathrm{\Δ}t}}{\mathrm{\Δ}t}$

其中，tanα是退水段的斜率，Q_t是t时刻的径流深，Q_t+Δt为t+Δt时刻的径流深，Δt为时间间隔；

以及，所述地表径流的径流深的计算方法为：

其中，RS为地表径流的径流深；∑QS_ti为划分出的各时段的地表水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积；

所述壤中水径流的径流深的计算方法为：

其中，总径流深RI为壤中水径流的径流深；∑QI_ti为划分出的各时段壤中水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积；

所述地下径流的径流深的计算方法为：

其中，RG为地下径流的径流深；ΣQG_ti为划分出的各时段地下水流量的和；Δt为时间间隔；A为流域面积；

并且，所述总的径流深的计算方法为：R＝RS+RI+RG。

5.根据权利要求1所述通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其特征在于，步骤S4计算蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例，包括：

S41、计算获得流域产流面积比例a₁，所述

S42、计算获得地表径流占径流总量的比例a₂，所述

S43、计算获得蓄满产流中自由水蓄水库蓄满的面积比例a，所述

$\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_1\×{\mathrm{\α}}_2=\frac{RS}{PE}$

其中，PE为场次洪水的净雨深；R为总的径流深；RS为地表径流的径流深。

6.根据权利要求1所述通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其特征在于，步骤S5中所述地表径流、壤中水径流以及地下径流的径流深之间的比例关系为：

$\frac{KI}{KG}=\frac{RI}{RG}$

以及，壤中水径流出流系数与地下水径流出流系数之间的线性约束关系为：

KI+KG＝0.7

其中，RI为壤中水径流的径流深；RG为地下径流的径流深；KI为壤中水径流出流系数；KG为地下水径流出流系数。

7.根据权利要求1所述通过流量过程线估算流域平均自由水蓄水容量的方法，其特征在于，步骤S6中估算获得流域平均自由水蓄水容量SM值的方法为：

$SM=\frac{RI\×a}{KI}$

其中，RI为壤中水径流的径流深；KI为壤中水径流出流系数；a为蓄满产流中流域上自由水蓄水库蓄满的面积比例。