CN108415966B - 一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法 - Google Patents

一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，包括以下步骤：S1获取流域降水量和潜在蒸发量资料；S2选择任意时段的降水量和潜在蒸发量采用单层蒸发模型计算出实际蒸发量；S3根据所述降水量和实际蒸发量计算出流域产流；S4根据所述流域产流确定所述包气带水箱蓄水量并通过所述开口对所述包气带水箱蓄水，所述包气带水箱内的蓄水流经所述裂隙水箱和所述管道水箱，并于所述裂隙水箱和所述管道水箱之间交换后由所述排水口排出，计算所述排水口排量即为所述时段流域总径流量。本发明的有益效果：模型结构简单，可定量计算出地表径流量、地下径流量和流域总径流量，能够客观地反映流域真实的产汇流特征，提高水文模拟的精度。

Description

一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法
技术领域
本发明涉及水文模拟方法，尤其涉及一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法。
背景技术
流域水文模拟是以降雨和潜在蒸发等水文气象资料作为输入变量，通过水文模型对自然界的产汇流过程进行概化，计算出流域出口的径流过程。作为水文分析工作的重要组成部分，水文模拟的实际应用非常广泛，是洪水预报、水资源评价、人类活动影响评估以及水环境评价与保护的重要基础工作。
流域水文模拟要考虑到流域的产汇流特征，对于岩溶发育不明显的地区，地下水在总径流中的比重很小，流域产生的径流主要通过地表的河道汇出，然而对于岩溶地区，特别是管道-裂隙型岩溶流域，由于地下岩溶裂隙与岩溶管道发育明显，径流一般以地下水的形式存在，且岩溶裂隙与管道之间存在频繁的水量交换过程。大多数现有的流域水文模拟方法，如新安江模型、topmodel模型等，一般侧重地表水文过程的模拟，而不考虑岩溶发育强烈流域的水文地质特征。在我国南方地区，由于岩溶流域广泛分布，现有的大多数水文模型不再适用于描述这些地区的产汇流过程。目前现有水文模型都未考虑岩溶流域裂隙与管道之间的水量交换过程，只能描述单向的出流过程，不能刻画管道-裂隙型岩溶流域特殊的产汇流过程，存在较大的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法。
本发明的实施例提供一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，所述水箱模型包括用于模拟土壤包气带的包气带水箱、用于模拟岩溶裂隙的裂隙水箱和用于模拟岩溶管道的管道水箱，所述包气带水箱上端开口，底部与所述裂隙水箱顶部连通，所述裂隙水箱一侧设有所述管道水箱，所述管道水箱上部与所述包气带水箱连通，下部与所述裂隙水箱连通，所述管道水箱下部设有排水口，所述方法包括以下步骤：
S1获取流域降水量和潜在蒸发量资料；
S2选择任意时段的降水量和潜在蒸发量采用单层蒸发模型计算出实际蒸发量；
S3根据所述降水量和所述实际蒸发量计算出流域产流；
S4根据所述流域产流确定所述包气带水箱蓄水量并通过所述开口对所述包气带水箱蓄水，所述包气带水箱内的蓄水流经所述裂隙水箱和所述管道水箱，并于所述裂隙水箱和所述管道水箱之间交换后由所述排水口排出，计算所述排水口排量即为S2中所述时段的流域总径流量。
进一步地，所述步骤S4中若所述包气带水箱未蓄满水时，所述包气带水箱内蓄水流入所述裂隙水箱形成地下径流，出流系数为ks，地下径流量qg等于所述包气带水箱水位hs与出流系数ks的乘积，即qg＝ks·hs。
进一步地，所述步骤S4中若所述包气带水箱蓄满水时，所述包气带水箱底部蓄水流入所述裂隙水箱形成地下径流，出流系数为ks，地下径流量qg等于所述包气带水箱水位hs与出流系数ks的乘积，即qg＝ks·hs，所述包气带水箱上部蓄水溢出流入所述管道水箱形成地表径流，地表径流量qs等于降水量P减去实际蒸发量E、地下径流量qg和补充土壤缺水量部分的水量hms-hs，即qs＝P-(hms-hs)-E-qg，其中hms表示所述包气带水箱蓄满水时水位。
进一步地，所述包气带水箱容量为所述流域土壤最大蓄水容量。
进一步地，所述S2中实际蒸发量E的计算方法如下，
设定时段内的降水量为P，潜在蒸发量为Ep，流域内土壤最大蓄水容量为hms，土壤含水量为hs，且hs≤hms，当流域降水量大于或等于潜在蒸发量时，流域的实际蒸发量等同于潜在蒸发量，实际蒸发量E＝Ep；当流域降水量小于潜在蒸发量时，实际蒸发量包括降水量和土壤含水量，实际蒸发量
Figure BDA0001572614270000031
进一步地，所述时段流域总径流量Q等于所述管道水箱水位hp乘以所述排水口出流系数kT，即Q＝kT·hp。
进一步地，所述裂隙水箱底面积与所述管道水箱底面积比值等于所述流域内岩溶裂隙与岩溶管道之间的面积比值。
进一步地，所述裂隙水箱和所述管道水箱之间的流水交换具体为:若所述裂隙水箱的水位高于所述管道水箱的水位，所述裂隙水箱补给所述管道水箱；若所述管道水箱的水位高于所述裂隙水箱的水位，所述管道水箱补给所述裂隙水箱；当裂隙水箱的水位与管道水箱的水位持平，所述裂隙水箱和所述管道水箱之间不发生水量交换。
进一步地，所述包气带水箱的底面积等于所述裂隙水箱的底面积与所述管道水箱的底面积之和。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，将地下岩溶含水介质概化为裂隙和管道两种类型，分别用裂隙水箱和管道水箱进行模拟，地下径流进入裂隙水箱，地表径流进入管道水箱，通过两个水箱水位控制裂隙水箱和管道水箱之间的水量交换过程，最后流域的总径流通过管道水箱流出，本发明充分考虑了岩溶发育的强烈非均质性，刻画了管道与裂隙之间的水量交换过程，模型结构简单，可定量计算出地表径流量、地下径流量和流域总径流量，能够客观地反映流域真实的产汇流特征，提高水文模拟的精度，为岩溶流域的洪水预报、山洪等地质灾害预警以及水资源评价提供有效的水文模型工具。
附图说明
图1是本发明一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法的流程图；
图2是包气带水箱1蓄满时水箱示模型的示意图；
图3是包气带水箱1未蓄满时水箱示模型的示意图。
图中：1-包气带水箱、2-裂隙水箱、3-管道水箱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1～图3，本发明的实施例提供了一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，所述水箱模型包括用于模拟土壤包气带的包气带水箱1、用于模拟岩溶裂隙的裂隙水箱2和用于模拟岩溶管道的管道水箱3，所述管道水箱3的高度大于所述裂隙水箱2的高度，所述包气带水箱的横截面底面积与等于所述裂隙水箱的底面积与管道水箱的底面积之和，所述包气带水箱1上端开口，底部与所述裂隙水箱2顶部连通，所述裂隙水箱2一侧设有所述管道水箱3，所述管道水箱3上部与所述包气带水箱1连通，下部与所述裂隙水箱2连通，所述管道水箱3下部设有排水口，所述方法包括以下步骤：
S1获取流域降水量和潜在蒸发量资料；
S2选择任意时段的降水量和潜在蒸发量采用单层蒸发模型计算出实际蒸发量，具体如下，
设定时段内的降水量为P，潜在蒸发量为Ep，流域内土壤最大蓄水容量为hms，土壤含水量为hs，且hs≤hms，本时段的实际蒸发量E如下计算：
(1)当流域降水量大于潜在蒸发量时，说明降水量就可以供给全部潜在蒸发量，流域的实际蒸发等同于潜在蒸发量，实际蒸发量E＝Ep，
(2)当流域降水量小于潜在蒸发量时，降水量全部用于蒸发，剩余的蒸发能力由土壤含水量进行补给，实际蒸发量
Figure BDA0001572614270000051
S3根据所述降水量和实际蒸发量计算出流域产流；
S4根据所述流域产流确定所述包气带土壤含水量，用所述包气带水箱1的高度hms表示流域包气带土壤最大蓄水容量，同样所述包气带水箱1内实际水位高度表示流域实际的土壤含水量hs，所述包气带水箱1内的流水流经所述裂隙水箱2和所述管道水箱3，所述包气带水箱1内蓄水通过底部开口流出形成地下径流，地下径流量为qg，然后流入所述裂隙水箱2，当所述包气带水箱1蓄满水时，蓄水通过所述包气带水箱1上部溢出形成地表径流，地表径流量为qs，然后流入所述管道水箱3，
如图2所示所述包气带水箱1未蓄满时，即hs≤hms，地下径流量qg等于水箱水位hs与出流系数ks的乘积，即
qg＝ks·hs
此时，由于所述包气带水箱1水位未达到溢出的条件，不产生地表径流，即
qs＝0
如图3所示所述包气带水箱1完全蓄满时，即hs＝hms，地下径流量qg等于最大蓄水容量与出流系数ks的乘积，即
qg＝ks·hms
根据水量平衡公式，地表径流量qs等于降水量P减去实际蒸发量E、地下径流量qg和补充土壤缺水量部分的水量hms-hs，即
qs＝P-(hms-hs)-E-qg
定义所述裂隙水箱2的高度为hmf，所述裂隙水箱2内水位高度为hf，所述管道水箱3的高度为hmp，所述管道水箱3内水位高度为hp，所述裂隙水箱2与所述管道水箱3底部彼此连通，连通出口的出流系数均为ke，所述管道水箱3底部排水口的出流系数为kT。实际中可知，岩溶区内岩溶管道所占流域面积的比例应远远小于岩溶裂隙的面积比例，假设所述包气带水箱1的底面积As与所述裂隙水箱2底面积Af和管道水箱3底面积Ap之和相同，即As＝Af+Ap，并且满足如下关系
Figure BDA0001572614270000061
上式中n表示流域地下岩溶裂隙与岩溶管道之间的面积比值，具体实施中可以由流域的水文地质条件求得。当地下径流qg进入所述裂隙水箱2后，所述裂隙水箱2内的水位上升高度为
Figure BDA0001572614270000062
而当地表径流qs进入所述管道水箱3后，所述管道水箱3上升高度为(n+1)·qs，
蓄水于所述裂隙水箱2和所述管道水箱3之间交换后由所述排水口排出，交换过程由所述裂隙水箱2和所述管道水箱3内的水位高度确定，
如图2所示，当所述裂隙水箱2内的水位高度大于所述管道水箱3内的水位高度时，即hf＞hp，所述裂隙水箱2补给所述管道水箱3，补给量qe由下计算
qe＝ke·(hf-hp)
当所述裂隙水箱2内的水位高度等于所述管道水箱3内的水位高度时，即hf＝hp，所述裂隙水箱2与所述管道水箱3不发生相互补给，即
qe＝0
如图3所示，当所述管道水箱3内的水位高度大于所述裂隙水箱2内的水位高度时，即hp＞hf，所述管道水箱3补给所述裂隙水箱2，补给量qe由下计算
qe＝ke·(hp-hf)
根据管道内水位高度，计算出排水口排量，即为所述时段流域总径流量，具体为，采用线性出流公式计算流域出口径流量Q，等于管道水箱水位hp乘以出流系数kT：
Q＝kT·hp
本发明一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，将地下岩溶含水介质概化为裂隙和管道两种类型，分别用裂隙水箱和管道水箱进行模拟，地下径流进入裂隙水箱，地表径流进入管道水箱，通过两个水箱水位控制裂隙水箱和管道水箱之间的水量交换过程，可定量计算出地表径流量、地下径流量和流域总径流量，能够客观地反映流域真实的产汇流特征，提高水文模拟的精度，为岩溶流域的洪水预报、山洪等地质灾害预警以及水资源评价提供有效的水文模型工具。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，所述水箱模型包括用于模拟土壤包气带的包气带水箱、用于模拟岩溶裂隙的裂隙水箱和用于模拟岩溶管道的管道水箱，所述包气带水箱上端开口，底部与所述裂隙水箱顶部连通，所述裂隙水箱一侧设有所述管道水箱，所述管道水箱上部与所述包气带水箱连通，下部与所述裂隙水箱连通，所述管道水箱下部设有排水口，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1获取流域降水量和潜在蒸发量资料；
S2选择任意时段的降水量和潜在蒸发量采用单层蒸发模型计算出实际蒸发量；
S3根据所述降水量和所述实际蒸发量计算出流域产流；
S4根据所述流域产流确定所述包气带水箱蓄水量并通过所述开口对所述包气带水箱蓄水，所述包气带水箱内的蓄水流经所述裂隙水箱和所述管道水箱，并于所述裂隙水箱和所述管道水箱之间交换后由所述排水口排出，计算所述排水口排量即为S2中所述时段的流域总径流量，具体计算方法为：
若所述包气带水箱未蓄满水时，所述包气带水箱内蓄水流入所述裂隙水箱形成地下径流，出流系数为ks，地下径流量qg等于所述包气带水箱水位hs与出流系数ks的乘积，即qg＝ks·hs；
若所述包气带水箱蓄满水时，所述包气带水箱底部蓄水流入所述裂隙水箱形成地下径流，出流系数为ks，地下径流量qg等于所述包气带水箱水位hs与出流系数ks的乘积，即qg＝ks·hs，所述包气带水箱上部蓄水溢出流入所述管道水箱形成地表径流，地表径流量qs等于降水量P减去实际蒸发量E、地下径流量qg和补充土壤缺水量部分的水量hms-hs，即qs＝P-(hms-hs)-E-qg，其中hms表示所述包气带水箱蓄满水时水位。
2.如权利要求1所述的一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，其特征在于：所述包气带水箱容量为所述流域土壤最大蓄水容量。
3.如权利要求1所述的一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，其特征在于：所述S2中实际蒸发量E的计算方法如下，
设定时段内的降水量为P，潜在蒸发量为Ep，流域内土壤最大蓄水容量为hms，土壤含水量为hs，且hs≤hms，当流域降水量大于或等于潜在蒸发量时，流域的实际蒸发量等同于潜在蒸发量，实际蒸发量E＝Ep；当流域降水量小于潜在蒸发量时，实际蒸发量包括降水量和土壤含水量，实际蒸发量
Figure FDA0003122460420000021
4.如权利要求1所述的一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，其特征在于：所述时段流域总径流量Q等于所述管道水箱水位hp乘以所述排水口出流系数kT，即Q＝kT·hp。
5.如权利要求1所述的一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，其特征在于：所述裂隙水箱底面积与所述管道水箱底面积比值等于所述流域内岩溶裂隙与岩溶管道之间的面积比值。
6.如权利要求1所述的一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，其特征在于，所述裂隙水箱和所述管道水箱之间的流水交换具体为:若所述裂隙水箱的水位高于所述管道水箱的水位，所述裂隙水箱补给所述管道水箱；若所述管道水箱的水位高于所述裂隙水箱的水位，所述管道水箱补给所述裂隙水箱；当裂隙水箱的水位与管道水箱的水位持平，所述裂隙水箱和所述管道水箱之间不发生水量交换。
7.如权利要求1所述的一种基于水箱模型的岩溶流域水文过程模拟方法，其特征在于：所述包气带水箱的底面积等于所述裂隙水箱的底面积与管道水箱的底面积之和。
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