CN109033605B - 一种基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法，将流域汇流过程在采用单位线计算时分为多个阶段的汇流，区分坡面汇流与干支流河道汇流过程的差异；通过本发明提供的流域汇流模拟方法，能够更加真实地贴近实际流域汇流情况；在对汇流过程进行多阶段划分的基础上，根据流域坡面或河道汇流过程的差异选择相应的单位线，所选单位线的参数反映了不同汇流阶段的水流速度、距离出口远近的特征，从而更加真实地反映了流域内水流在坡面和河道的运动状态，能够更加准确模拟水文要素在时间上的动态变化过程以更贴近实际的汇流过程，提高流域汇流模拟精度。
Description
技术领域
本发明属于流域汇流模拟技术领域，更具体地，涉及一种基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法。
背景技术
流域汇流是指降水在经过一系列分阶段处理之后，从不同位置汇集到某一出口断面的过程。一般根据水体在汇流过程中所处的环境，将汇流概括分为：坡面表面流汇流、地表以下的壤中流和地下水汇流、河道汇流三种情况。现有的流域汇流过程计算时多采用单位线方法，先推求一个流域最小单元对于汇流断面的汇流过程，然后叠加所有的最小单元的汇流结果的方法。
申请号为CN201611143337.3的中国专利提供的一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线的构建方法，以数字高程DEM栅格数据为基础，采用D8算法计算各栅格流向，提取流域水系，将栅格区分为坡面栅格和沟道栅格；分别计算雨滴在坡面和沟道运动时的汇流速度；根据每个雨滴特定的汇流路径计算每个雨滴到达流域出口的时间，统计每个时间段Δt内到达流域出口的雨滴粒子数目，计算每个时段内的雨滴粒子数目占总栅格数的百分比，根据获得的S曲线计算出流域的无因次时段单位线和单位线；获取山丘区小流域任意时段长的时段单位线，能够在无水文资料或水文资料缺乏地区进行洪水分析。申请号为CN201610619475.8的中国专利提供的一种无径流资料地区汇流计算方法，进行无径流资料流域洪水汇流计算时，首先建立有资料和无资料流域网格净雨水滴数目的数量-时间分布曲线，并采用三角形进行概化，而后对概化的三角形过程进行相似度计算寻找相似流域集，并对相似流域集的单位线过程进行时空变换，最终按照峰大时短的最不利原则对变换单位线集进行综合得到无径流资料流域单位线。
上述的现有方法存在以下缺陷：1、不能区分出坡面和河道汇流过程，因而不能反映流域真实的汇流过程；2、只能选用某一种特定的单位线，不能根据坡面或河道汇流过程的不同灵活选择适合的单位线。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的至少一点，本发明提供了一种基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法，其目的在于解决现有技术不能区分坡面汇流过程与河道汇流过程，与实际流域汇流情况差异较大的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法，在采用单位线模拟的过程中将流域汇流过程分为多个阶段的汇流，并对区分坡面汇流与干支流河道汇流过程的进行区别处理，以更好模拟实际的汇流过程，提高计算效率和模拟精度。
优选地，上述的流域汇流模拟方法，在采用单位线演算前，先判别流域最小单元的汇流属性是坡面单元还是河道单元；若为河道单元，则根据流域面积大小以及河道干支流拓扑关系将河道单元进一步划分为支流河道单元与干流河道单元。
优选地，上述的流域汇流模拟方法，采用Nash单位线方法对坡面汇流阶段进行汇流演算，采用地貌瞬时单位线方法对河道汇流阶段进行汇流演算，模拟出流域出口断面的汇流过程。
优选地，上述的流域汇流模拟方法，汇流演算的方法具体如下：
(a)对坡面汇流单元进行坡面汇流演算，将坡面汇流单元的产流量与相应的单位线进行离散卷积运算，得到坡面汇流单元的模拟汇流结果；
(b)对河道汇流单元进行汇流演算，将河道汇流单元本身的产流量与坡面汇流单元汇至该河道汇流单元的径流量相加后与相应的单位线进行离散卷积运算，得到河道汇流单元的模拟汇流结果；
(c)叠加所有河道单元对于流域最终出口断面的模拟汇流结果，得到模拟的流域出口断面的汇流过程。
优选地，上述的流域汇流模拟方法，汇流演算中采用的离散卷积式如下：
式中：Qi(t)为第i个格点、第t时段的汇流；pi(τ)为第i个格点、第τ时段的产流量,0≤τ＜N；uij(t-τ)为第i个格点、选择的第j种单位线方法在第t-τ时段的值,0＜t-τ≤N；N为产流总时段长度。
优选地，上述的流域汇流模拟方法，汇流演算后还包括参数优化率定的步骤，具体为：
通过对三参数单位线模块进行改进，将率定的参数进行扩展，以对所选单位线的参数进行优化率定，使模拟得到的流域出口断面的汇流过程更贴近实测汇流过程。
优选地，上述的流域汇流模拟方法，优化率定方法具体包括：
(i)对Nash单位线引入一个反映洪水波速度、汇流距离和支流数目的三参数单位线模块；
(ii)对所述三参数单位线模块进行改进，将率定的参数由四个改进为七个；
改进前包括坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速；改进后包括坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速、坡面汇流模拟支流数目、一级河道支流数目、二级河道支流数目；
(iii)将改进后的单位线模块嵌入水文模拟中进行率定，获得优化的Nash系数，使模拟得到的流域出口断面的汇流过程与实测流量更接近。
优选地，上述的流域汇流模拟方法，三参数单位线模块采用基于地理环境的地貌瞬时单位线模块。
在本发明中，通过对三参数单位线模块进行改进，将率定的参数进行扩展，以对所选单位线的参数进行优化率定，使模拟得到的出口断面流量过程更贴近实测流量过程；根据流域典型的产汇流过程资料，结合不同汇流阶段的水流速度、距离出口远近特征，对所选单位线的参数进行优化率定；
经典的Nash单位线计算模块中，参数仅有洪水波速度和汇流距离；现有技术在对Nash单位线的进一步改进中引入一个三参数(反映洪水波速度、汇流距离和支流数目)单位线模块，该模块是基于地理环境的GIUH模块，尝试对不同汇流阶段的单位线做出更详细的描述；本发明在引入GIUH单位线的基础上，对上述三参数单位线模块进一步改进，将率定的参数由四个改进为七个：改进前为坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速；改进后包括坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速、坡面汇流模拟支流(外链)数目、一级河道支流(外链)数目、二级河道支流(外链)数目；在通过上述方法改进模块之后，将改进后的模块嵌入水文模拟中进行率定获得更好的Nash系数，从而使模拟得到的出口断面流量过程与实测流量资料更为接近。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法，通过将流域汇流过程在采用单位线计算时分为多个阶段，以区分坡面汇流过程(包括坡面阶段的表面流和壤中流、地下水汇流)和河道汇流过程(可以进一步划分为干支流河道的汇流过程)，更好模拟真实的汇流过程，能够更加真实地贴近实际流域汇流情况，提高流域产汇流模拟精度；另一方面，在对汇流过程进行多阶段划分的基础上，根据流域坡面或河道汇流过程的差异选择相应的单位线，所选单位线的参数反映了不同汇流阶段的水流速度、距离出口远近的特征，从而更加真实地反映了流域内水流在坡面和河道的运动状态，能够更加准确模拟水文要素在时间上的动态变化过程。
附图说明
图1是本发明提供的基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法的一个实施例的三阶段汇流流程示意图；
图2是长江上游寸滩水文站控制区域地理位置图；
图3是寸滩站模拟流量与实测流量对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法，将流域汇流过程在采用单位线计算时分为多个阶段的汇流，区分坡面汇流与干支流河道汇流过程的差异，以更好模拟实际的汇流过程，提高计算效率和模拟精度。具体包括如下步骤：
(1)判别流域最小单元的汇流属性，流程参照图1；
对流域最小尺度的单元的汇流属性进行分析，判别该单元是坡面单元还是河道单元；根据流域面积大小、河道干支流拓扑关系，将河道单元进一步划分为支流河道单元与干流河道单元；实施例中，对于单元属性的划分根据研究流域的实际情况来确定。
(2)对不同汇流过程采用不同的单位线或汇流演算方法
在判别流域最小单元的汇流属性的基础上，在流域不同汇流阶段选用不同的单位线；比如，若将流域汇流过程划分为一个坡面汇流阶段和一个河道汇流阶段，在坡面汇流阶段采用Nash单位线方法，在河道汇流阶段采用地貌瞬时单位线方法。
(3)模拟流域汇流过程，具体包括如下子步骤：
(3.1)对坡面汇流单元进行坡面汇流演算，将单元的产流量与相应的单位线进行离散卷积运算，得到坡面汇流单元的汇流结果；
(3.2)对河道汇流单元进行汇流演算，将该河道汇流单元本身的产流量与坡面汇流单元汇至该河道汇流单元的径流量相加后与相应的单位线进行离散卷积运算，得到河道汇流单元的汇流结果；
(3.3)叠加所有河道单元对于流域最终出口断面的汇流结果，得到流域出口断面的汇流过程。
在本步骤中，采用的离散卷积公式如下：
式中：Qi(t)为第i个格点、第t时段的汇流；pi(τ)为第i个格点、第τ时段的产流量,0≤τ＜N；uij(t-τ)为第i个格点、选择的第j种单位线方法在第t-τ时段的值,0＜t-τ≤N；N为产流总时段长度。
(4)对所选单位线的参数进行优化率定
根据流域典型的产汇流过程资料，结合不同汇流阶段的水流速度、距离出口远近特征，对所选单位线的参数进行优化率定；在实施例中，在经典Nash单位线计算模块中引入一个三参数(反映洪水波速度、汇流距离和支流数目)单位线模块；对此三参数单位线模块进一步改进，将率定的参数由四个变为七个，使模拟得到的出口断面流量过程与实测流量资料更为接近；改变前的四个参数包括坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速；改变后的七个参数包括坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速、坡面汇流模拟支流(外链)数目、一级河道支流(外链)数目、以及级河道支流(外链)数目。
以下结合实例对上述实施例以及实施例的效果进行进一步阐述。以长江上游寸滩水文站以上的控制区域作为典型研究区，进行汇流阶段的模拟。长江上游寸滩水文站是干流上的控制水文站，其控制区域达86万km2，流域的地理位置参照图2。在实际建模计算时，为反映流域气象条件和下垫面条件的空间差异，以0.5°*0.5°的水平分辨率将该研究区域进行格点划分，得到均匀分布的311个格点。
对该区域的流域汇流过程采用实施例提供的上述方法进行模拟，具体包括如下步骤：
(1)判别流域最小单元即格点的汇流属性
采用ArcGIS软件对流域水系、河网的拓扑信息进行提取并人工核验，提取不同格点的汇流属性，包括坡面格点、河道格点、河流交汇口、水文测站；并进一步获得格点与水系的联系信息用于汇流计算，包括普通格点到达水系格点的距离、高程差。根据流域尺度、河道干支流拓扑关系，将河道格点进一步划分为支流河道格点和干流河道格点。在本实例中，共划分有216个坡面格点，76个支流河道格点和19个干流河道格点。
(2)对不同汇流过程选择合适的单位线
在判别流域最小单元(格点)的汇流属性的基础上，在流域不同汇流阶段采用不同的单位线方法。在本实例中，在坡面汇流阶段采用Nash单位线方法，在河道汇流阶段采用地貌瞬时单位线方法。
单位线是基于流域汇流的概念推求一个流域最小单元对于出口断面的汇流过程；本步骤所采用的Nash单位线公式为：
该式中，n为线性水库个数；k为每个水库的蓄量常数。本实例中有表面流和基流两种产流成分，因而Nash单位线有表面流和基流的线性水库个数和每个水库的蓄量常数共4个参数。
地貌瞬时单位线亦称作GIUH(Geomorphologic Instantaneous UnitHydrograph)，是期望通过地貌特征来反应汇流的时程分布。本步骤所采用的地貌瞬时单位线公式为：
该式中，t为时间；n为河源数(即外链数)；ui为内链的平均长度。
本实例中将河道划分为两级河道，即干流和一级支流，因此本实例中的地貌瞬时单位线有干流和支流的河源数和内链平均长度共4个参数。
(3)模拟流域汇流过程
(3.1)针对每一个时间步长，先对216个坡面格点进行汇流演算，将格点的产流量(包括表面流和基流)与Nash单位线进行离散卷积运算；
(3.2)将每一个支流河道格点本身的产流量与坡面格点汇至该支流河道格点的径流量相加后与地貌瞬时单位线进行离散卷积运算；
(3.3)针对每一个干流河道格点，重复步骤(3.1)～(3.2)；
(3.4)对19个干流河道格点对于流域最终出口断面(寸滩站)进行地貌瞬时单位线的卷积运算，得到流域寸滩站的流量过程。
(4)对所选单位线的参数进行优化率定
根据研究流域典型的产汇流过程资料，集合不同汇流阶段的水流速度、距离出口远近特征，通过参数优化方法对Nash单位线和地貌瞬时单位线的参数进行率定，使得用于评估模拟效果的Nash效率系数达到最大，使得模拟流量过程与寸滩站实测流量最为接近。参照图3，在本实例中，采用实施例提供的流域汇流模拟方法，在日尺度上的Nash效率系数达到0.88；而采用现有技术的方法，仅考虑单个格点相对于出口点的距离而不区分坡面汇流格点和河道汇流格点，在流域汇流阶段只能采用一种单位线方法进行汇流计算，且参数率定后的日尺度上Nash效率系数仅为0.76；相比较而言，采用本发明所提供的模拟方法使得日尺度上的Nash效率系数得到较大的提高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于多阶段划分和多单位线选择的流域汇流模拟方法，其特征在于，将流域汇流过程在采用单位线演算时分为多个阶段的汇流，区分坡面汇流与干支流河道汇流过程的差异，以更贴近实际的汇流过程，提高模拟精度；
在采用单位线演算前，先判别流域最小单元的汇流属性是坡面单元还是河道单元；若为河道单元，则根据流域面积大小以及河道干支流拓扑关系将河道单元进一步划分为支流河道单元与干流河道单元；
采用Nash单位线方法对坡面汇流阶段进行汇流演算，采用地貌瞬时单位线方法对河道汇流阶段进行汇流演算，模拟出流域出口断面的汇流过程；
通过对三参数单位线模块进行改进，将率定的参数进行扩展，以对所选单位线的参数进行优化率定，使模拟得到的流域出口断面的汇流过程更贴近实测汇流过程；其中，参数优化率定方法包括：
(i)对Nash单位线引入一个反映洪水波速度、汇流距离和支流数目的三参数单位线模块；
(ii)对所述三参数单位线模块进行改进，将率定的参数由四个改进为七个；
改进前包括坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速；改进后包括坡面汇流表面流部分流速、坡面汇流基流部分流速、一级河道汇流流速、二级河道汇流流速、坡面汇流模拟支流数目、一级河道支流数目、二级河道支流数目；
(iii)将改进后的单位线模块嵌入水文模拟中进行率定，获得优化的Nash系数，使模拟得到的流域出口断面的汇流过程与实测流量更接近。
2.如权利要求1所述的流域汇流模拟方法，其特征在于，具体如下：
(a)对坡面汇流单元进行坡面汇流演算，将坡面汇流单元的产流量与相应的单位线进行离散卷积运算，得到坡面汇流单元的模拟汇流结果；
(b)对河道汇流单元进行汇流演算，将河道汇流单元本身的产流量与坡面汇流单元汇至该河道汇流单元的径流量相加后与相应的单位线进行离散卷积运算，得到河道汇流单元的模拟汇流结果；
(c)叠加所有河道单元对于流域最终出口断面的模拟汇流结果，得到模拟的流域出口断面的汇流过程。
3.如权利要求2所述的流域汇流模拟方法，其特征在于，采用的离散卷积式如下：
式中：Qi(t)为第i个格点、第t时段的汇流；pi(τ+1)为第i个格点、第τ+1时段的产流量,0≤τ<N；uij(t-τ)为第i个格点、选择的第j种单位线方法在第t-τ时段的值,0<t-τ≤N；N为产流总时段长度。
4.如权利要求1所述的流域汇流模拟方法，其特征在于，所述三参数单位线模块采用基于地理环境的地貌瞬时单位线模块。
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