CN108229096B - 一种湿润地区土壤分层产流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种湿润地区土壤分层产流计算方法，通过在流域不同地点及土壤不同分层上设置蓄水箱，提出一种垂向“水箱并联”、横向“水箱串联”的蓄满产流分水源计算方法，能够反映流域土壤实际的分层产流过程，解决了湿润地区蓄满产流模式中分水源计算缺乏明确物理意义的难题，具有较强的工程意义。

Description

一种湿润地区土壤分层产流计算方法

技术领域

本发明涉及一种湿润地区土壤分层产流计算方法。

背景技术

新安江模型是我国赵人俊教授研制，在国内外湿润地区水文预报中应用广泛的概念性流域水文模型。新安江模型中产流计算采用蓄满产流理论，采用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流三种。但是，模型中的自由水蓄水库是“虚拟的”，在实际土壤中难以测定其水分状态，也不能描述土壤不同深度壤中流运动的差异。为此，需要构建一种能够描述土壤不同深度水分运动特点、且在实际土壤中可测定的自由水蓄水库产流结构。

目前，概念性水文模型主要通过率定出流系数进行壤中流计算，因而不能反映土壤垂向及流域空间上的壤中流产流不均匀性。日本的水箱模型采用串联水箱模拟各个土层的产流，但其物理概念不是直接的，没有明确的土壤含水量概念，它的水箱结构是单纯依赖模型率定的，不能反映流域土壤实际的分层产流过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种湿润地区土壤分层产流计算方法，解决现有技术中壤中流计算过度概化、不能描述壤中流产流在土壤不同深度及流域空间差异性的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种湿润地区土壤分层产流计算方法，包括如下步骤：

将研究流域划分为若干个正方形网格；

将土壤垂向分为N层，N≥3，其中：1～N-1土壤分层用于模拟不同出流速度的壤中流径流成分，第N层土壤分层用于模拟地下径流；

在各个网格土壤分层上设置蓄水箱，形成同一土壤分层上不同网格间“水箱串联”及同一网格上不同土壤分层间“水箱并联”的非线性产流结构；

假定蒸散发只发生在上3层土壤中，计算各网格上的净雨量PE；

根据各网格不同土壤分层蓄水箱侧向出流系数KI_i、底孔下渗系数KG_i以及各土壤分层的初始土壤含水量W_i,计算地下径流RG、1～N-1土壤分层的壤中流RI_i以及地面径流RS，计算公式分别如下：

RG＝KI_N·W_N (1-1)，

RI_i＝KI_i·W_i (1-2)，

式中：i表示土壤分层序号，计算地下径流时i＝N，计算壤中流时i∈[1，N-1]；WM表示研究流域平均蓄水容量；

根据水量平衡公式，计算各土壤分层的各网格上产流总量R，公式如下：

进一步的，所述非线性产流结构形成的具体方法是：

在每一层蓄水箱旁侧设置出流孔，底部设置下渗孔，最下层蓄水箱设置出流孔但不设置下渗孔。

进一步的，土壤分层数目的确定方法如下：

在研究流域内选择若干代表性实验点，记录分析土壤纵剖面分层的实际情况，在室内实验室测定不同分层土壤的机械组成，进而确定土壤分层数目N。

进一步的，所述净雨量PE的计算方法如下：

根据新安江模型三层蒸发模式计算上3层土壤的实际蒸发量，分别为EU、EL和ED，则实际蒸发总量为E＝EU+EL+ED；

各网格上降雨P扣除实际蒸发总量即为净雨量，净雨量PE＝P-E。

进一步的，研究流域平均蓄水容量WM的计算方法如下：

根据各土壤分层厚度和土壤孔隙率资料，确定各土壤分层的蓄水容量Wsm_i，i＝1,2,…，N，则流域平均蓄水容量为

进一步的，各网格不同土壤分层蓄水箱侧向出流系数KI_i、底孔下渗系数KG_i根据流域土壤质地分布和各土层的水力传导度资料确定，具体计算公式如下：

KI_i＝α·κ_i，i＝1,2,…，N (1-5)

KG_i＝β·(κ_i+κ_i+1)/2，i＝1,2,…，N-1 (1-6)

式中：κ_i为第i层土壤的饱和水力传导度，α和β分别为反映土壤侧向和纵向与孔隙率相关的修正系数。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

通过在流域不同地点及土壤不同分层上设置蓄水箱，提出一种垂向“水箱并联”、横向“水箱串联”的蓄满产流分水源计算方法，能够反映流域土壤实际的分层产流过程，解决了湿润地区蓄满产流模式中分水源计算缺乏明确物理意义的难题，具有较强的工程意义。

具体实施方式

本发明通过在流域不同地点及土壤不同分层上设置蓄水箱，提出一种垂向“水箱并联”、横向“水箱串联”的蓄满产流分水源计算方法，能够反映流域土壤实际的分层产流过程，解决了湿润地区蓄满产流模式中分水源计算缺乏明确物理意义的难题，具有较强的工程意义。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

现有某湿润地区一小流域的降雨、蒸发皿蒸发等气象水文资料，依据本发明方法，该流域研究期内产流的计算过程为：

(1)将研究流域划分为若干个1km×1km的正方形网格，将降水、蒸发资料空间插值至每个网格，以网格为基本产流计算单元；

(2)在研究流域内选择若干代表性实验点，记录分析土壤纵剖面分层的实际情况，在室内实验室测定不同分层土壤的机械组成，进而确定土壤分层数目N(一般地，N≥3)，根据各土层厚度和土壤孔隙率资料，确定各土壤分层的蓄水容量Wsm_i，i＝1,2,…，N，则流域平均蓄水容量为

(3)在各网格土壤分层上设置蓄水箱，每一层蓄水箱旁侧设有出流孔，底部设有下渗孔，最下层蓄水箱仅有出流孔无下渗孔，因此在流域上形成同一土壤分层上不同网格间“水箱串联”及同一网格上不同土壤分层间“水箱并联”的非线性产流结构；

(4)根据网格蒸发皿蒸发EM和折算系数k，计算得到流域蒸散发能力Ep＝k·EM，假定蒸散发只发生在上3层土壤中，根据新安江模型三层蒸发模式计算上3层土壤的实际蒸发量，分别为EU、EL和ED，则实际蒸发总量为E＝EU+EL+ED；

(5)网格上降雨P扣除实际蒸发总量，即得到净雨量PE＝P-E；

(6)根据流域土壤质地分布和各土层的水力传导度资料，确定各网格不同土壤分层蓄水箱侧向出流系数KI_i＝α·κ_i(i＝1,2,…，N)和底孔下渗系数KG_i＝β·(κ_i+κ_i+1)/2(i＝1,2,…，N-1)，其中，κ_i为第i层土壤的饱和水力传导度，α和β为参数；

(7)根据各土层的初始土壤含水量W_i(i＝1,2,…，N)，计算地下径流为RG＝KI_N·W_N，1～N-1土壤分层的壤中流为RI_i＝KI_i·W_i，地面径流为：

(8)根据水量平衡公式，采用新安江模型蓄满产流模式计算各网格上产流总量R，公式如下：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种湿润地区土壤分层产流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

将研究流域划分为若干个正方形网格；

将土壤垂向分为N层，N≥3，其中：1～N-1土壤分层用于模拟不同出流速度的壤中流径流成分，第N层土壤分层用于模拟地下径流；

在各个网格土壤分层上设置蓄水箱，形成同一土壤分层上不同网格间“水箱串联”及同一网格上不同土壤分层间“水箱并联”的非线性产流结构；

假定蒸散发只发生在上3层土壤中，计算各网格上的净雨量PE；

根据各网格不同土壤分层蓄水箱侧向出流系数KI_i、底孔下渗系数KG_i以及各土壤分层的初始土壤含水量W_i,计算地下径流RG、1～N-1土壤分层的壤中流RI_i以及地面径流RS，计算公式分别如下：

RG＝KI_N·W_N (1-1)，

RI_i＝KI_i·W_i (1-2)，

式中：i表示土壤分层序号，计算地下径流时i＝N，计算壤中流时i∈[1，N-1]；WM表示研究流域平均蓄水容量；

根据水量平衡公式，计算各土壤分层的各网格上产流总量R，公式如下：

研究流域平均蓄水容量WM的计算方法如下：

根据各土壤分层厚度和土壤孔隙率资料，确定各土壤分层的蓄水容量Wsm_i，i＝1,2,…，N，则流域平均蓄水容量为

各网格不同土壤分层蓄水箱侧向出流系数KI_i、底孔下渗系数KG_i根据流域土壤质地分布和各土层的水力传导度资料确定，具体计算公式如下：

KI_i＝α·κ_i，i＝1,2,…，N (1-5)

KG_i＝β·(κ_i+κ_i+1)/2，i＝1,2,…，N-1 (1-6)

式中：κ_i为第i层土壤的饱和水力传导度，α和β分别为反映土壤侧向和纵向与孔隙率相关的修正系数。

2.根据权利要求1所述的湿润地区土壤分层产流计算方法，其特征在于，所述非线性产流结构形成的具体方法是：

在每一层蓄水箱旁侧设置出流孔，底部设置下渗孔，最下层蓄水箱设置出流孔但不设置下渗孔。

3.根据权利要求1所述的湿润地区土壤分层产流计算方法，其特征在于，土壤分层数目的确定方法如下：

在研究流域内选择若干代表性实验点，记录分析土壤纵剖面分层的实际情况，在室内实验室测定不同分层土壤的机械组成，进而确定土壤分层数目N。

4.根据权利要求1所述的湿润地区土壤分层产流计算方法，其特征在于，所述净雨量PE的计算方法如下：

根据新安江模型三层蒸发模式计算上3层土壤的实际蒸发量，分别为EU、EL和ED，则实际蒸发总量为E＝EU+EL+ED；

各网格上降雨P扣除实际蒸发总量即为净雨量，净雨量PE＝P-E。