CN110414144A - 一种考虑最大洼地储流深概率分布的产流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑最大洼地储流深概率分布的产流计算方法，涉及水文模型参数设置领域；该方法在考虑了最大洼地储流深这一参数的不确定性后，假设同种下垫面洼地储流深在一定范围内呈现某种概率分布，使改进后的产流模型可以有效地解决在流域产流模型在洼地储流量较小时计算单元无法产流的问题，并让模型的机理更加接近实际的产流过程，为流域水文模型的机理研究和参数设置研究提供了一种新的思路。

Description

一种考虑最大洼地储流深概率分布的产流计算方法

技术领域

本发明涉及水文模型参数设置领域，尤其涉及一种考虑最大洼地储流深概率分布的产流计算方法。

背景技术

影响流域径流产生的主要因素可以概括为5种：降雨、地表覆盖、地形特征、土壤类型以及人类活动。根据径流来源可以将流域径流划分成地表径流、壤中流以及地下径流三种类型。

在地表产流过程的模拟中，最大洼地储流深hssm是其中的一个重要参数，它决定着地表蓄水的能力，且该参数在计算单元内的不确定性较大，在考虑蒸发、下渗、净雨量(含融雪)、初始洼地储流深等因素的影响，在一次降水过程之后，在计算产流过程之前，其时段末的洼地储流深计算结果如下：

Hss＝HSS₀+PIN_S-EPs-Q₀

式中：Hss为时段末在计算产流过程之前的洼地储流深、HSS₀为时段初洼地储流、PIN_S为净雨量，EP_S为土壤蒸发量，Q₀为入渗能力。

在常规的产流模型中，我们通常在同一个计算单元内的同种下垫面的最大洼地储流深hssm通常当作一个确定的常数进行取值。在一次降水过后，洼地的产流情况通常分为两种情形：

(1)当降水过程结束后，洼地储流深不大于最大洼地储流深hssm时。所降水量除蒸发和下渗以外，全部储存在洼地中，本次降水过程不产流。

(2)当降水过程结束后，洼地储流深大于最大洼地储流深hssm时。我们认为此时土壤基本处于饱和状态，洼地储流蒸发量等于其蒸发能力，此时洼地产流量r＝hss-hssm，产流过程结束后洼地储流深hss1＝hss-r。

在常规的产流模型中，最大洼地储流深hssm在同种下垫面下通常取其平均值作为其参考值，即认为同种下垫面的最大洼地储流深是一定的，这也造成了洼地储流量小于最大洼地储流深时，计算单元不产流。而在实际的流域产流过程中，流域内部最大洼地储流深受地形同种下垫面的最大洼地储流深不确定性很大，即使流域的平均洼地储流量较小时，部分区域的产流过程也会同时发生，从而影响最终的产流模型模拟过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在土壤水热耦合模拟中确定底层温度边界的方法，考虑最大洼地储流深的不确定性，假设同种下垫面洼地储流深是不确定的，且在一定范围内呈现某种概率分布，据此改进产流模型并计算其产流量，并给其他的水文模型产流过程中的参数设置提供一种新的思路，解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种在考虑最大洼地储流深概率分布下产流计算，包括如下步骤：

S1，假设某个产流计算单元有若干洼地，这些洼地的最大储流深呈某种概率分布，其均值为hssm；

S2，对于某个特定的计算单元，在单位时段内的一次降水过程之后，在产流过程之前计算该计算单元内的平均洼地储流量hss；

S3，当平均洼地储流量小于最大洼地储流深的下限值时，计算单元不产流；当平均洼地储流量大于最大洼地储流深的上限值时，无需考虑其概率分布，计算单元产流量为hss-hssm；

S4，当平均洼地储流量大于最大洼地储流深的下限值和上限值之间时，考虑最大洼地储流深成某种概率分布，用矩形法分段累加计算此时的产流量。

步骤S1和步骤S4中的概率分布的类型一致，可以为正态分布、指数分布或均匀分布。

优选地，步骤S1中的特征参数为最大洼地储流深的平均值、最大洼地储流深的最大值和最大洼地储流深的最小值。

优选地，步骤S4中概率分布的种类为正态分布，最大洼地储流深(x)分布概率密度为：

其中a为正态分布的标准差，hssm为最大洼地储流的平均值。

当降水结束后洼地储流量hss>0时，产流概率的计算公式为:

计算单元内洼地存在部分产流，产流量为：

优选地，步骤S4中的概率分布为指数分布，最大洼地储流深(x)的概率密度函数如下：

其中，hssm为最大洼地储流深的平均值。

优选地，产流量计算公式如下：

R＝0 (hss≤0)

式中：a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值，hss为产流计算过程前的洼地储流量，R为产流量。

优选地，步骤S4中的概率分布为均匀分布，最大洼地储流深(x)的概率密度函数如下：

其中a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值。

优选地，产流量R计算公式如下：

R＝0 (hss≤a)

R＝hss-(a+b)/2 (hss≥b)

式中：a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值，hss为产流计算前的储流量，R为产流量。

优选地，产流结束后的洼地储流量为:

Hss1＝hss-R

式中：Hss1为计算完产流过程后的储流量，hss为计算产流过程之前的洼地储流量，R为产流量。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种在考虑最大洼地储流深概率分布下产流计算，在考虑了最大洼地储流深这一参数的不确定性后，使模型可以有效地解决产流模型在洼地储流量较小时无法产流的问题，并让模型的机理更加接近实际的产流过程，为流域水文模型的机理研究和参数设置研究提供了一种新的思路。

附图说明

图1是本发明提供的一种在土壤水热耦合模拟中确定底层温度边界的方法流程示意图；

图2是水文模型产流计算中矩形法的计算原理；

图3是最大洼地储流深在正态分布下产流计算原理；

图4是最大洼地储流深在指数分布下产流计算原理；

图5是最大洼地储流深在均匀分布下产流计算原理。

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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本发明中，在实际的水文模型产流计算中，考虑计算单元内最大洼地储流深的概率分布，可有效地解决产流模型在洼地储流量较小时无法产流的问题，并为流域水文模型的产流研究提供一种新的思路。

如图1所示，本发明提供的一种在考虑最大洼地储流深概率分布下产流计算方法，包括如下步骤：

S1，假设计算单元内的最大洼地储流深呈某种概率分布，并将该概率分布下的平均值(hssm)、最大值或最小值等特征参数作为模型计算的输入值；

S2，对于某个特定的计算单元，计算在一次降水过程之后，产流过程之前的该计算单元内的平均洼地储流量hss，作为地表产流计算的条件；

S3，当洼地储流量小于最大洼地储流深的下限值时，计算单元不产流；当洼地储流量大于最大洼地储流深的上限值时，无需考虑其概率分布，计算单元产流量为hss-hssm；

S4，当洼地储流量大于最大洼地储流深的下限值和上限值之间时，该计算单元呈现部分产流状态，假设最大洼地储流深成某种分布，用矩形法(图2)分段累加计算此时的产流量；

在S4步骤的具体实施过程中,以正态分布为例子，考虑洼地储流深的不确定性后，产流的计算过程如下：

在实际流域的同一类型下垫面中，对于平原区域的同种下垫面(包括森林、草地等)，洼地储流深往往接近于某一个平均值，基于这一情况，考虑在平原区的最大洼地储流深近似用正态分布描述(图3)，且假设其标准差为a，平均值为hssm，其最大洼地储流深(x)分布概率密度如下：

当降水结束后洼地储流深hss>0时，产流概率:

洼地产流深：

产流结束后洼地储流深:

Hss1＝hss-R

式中：Hss1为产流过程结束后的洼地储流量，hss为产流计算过程前的洼地储流量，R为产流量。

在S4步骤的具体实施过程中,以指数分布为例子，考虑洼地储流深的不确定性后，产流的计算过程如下：

在洼地储流深的实际分布中，对于部分坡度较大、产流速度较快的山区，受地形因素的影响，很大部分地区的洼地产流能力较小，但少部分谷底容易形成蓄水的坑塘，洼地储流能力很强。基于这一情况，考虑在山丘区最大洼地储流深近似用指数分布描述，假设其最大洼地储流深平均值为hssm，则此时产流原理如图4所示，最大洼地储流深(x)的概率密度函数如下：

产流量计算公式如下：

R＝0 (hss≤0)

式中：a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值，hss为产流计算过程前的洼地储流量，R为产流量。

产流结束后洼地储流深:

Hss1＝hss-R

式中：hss1为产流过程结束后的洼地储流量，hss为产流计算过程前的洼地储流量，R为产流量。

在S4步骤的具体实施过程中，以均匀分布为例子，考虑洼地储流深的不确定性后，产流的计算过程如下：

在洼地储流深的实际分布中，城镇下垫面最大洼地储流深较小，且储流能力与城镇绿化程度、公园覆盖率、路面平整程度、排水系统等偶然因素关系较大。由于最大洼地储流深不确定因素较大且变化范围较小。因此，对于洼地储流深随机性较大的下垫面采用均匀分布近似模拟，假设最大洼地储流深在(a，b)之间呈均匀分布。则此时产流原理如图5所示，最大洼地储流深(x)的概率密度函数如下：

产流量R计算公式如下：

R＝0 (hss≤a)

R＝hss-(a+b)/2 (hss≥b)

式中：a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值，hss为产流计算过程前的洼地储流量，R为产流量。

产流结束后洼地储流深:

Hss1＝hss-R

式中：Hss1为产流过程结束后的洼地储流量，hss为产流计算过程前的洼地储流量，R为产流量。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑最大洼地储流深概率分布的产流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，产流计算单元有若干洼地，且其中最大洼地储流深呈概率分布，统计所述最大洼地储流深的特征参数；

S2，对于特定的产流计算单元，在经过单位时段内的一次降水过程之后，在产流过程之前计算该产流计算单元内的平均洼地储流量hss；

S3，当平均洼地储流量小于最大洼地储流深的下限值时，计算单元不产流；当平均洼地储流量大于最大洼地储流深的上限值时，无需考虑其概率分布，计算单元产流量为hss-hssm；

S4，当平均洼地储流量位于最大洼地储流深的下限值和上限值之间时，考虑最大洼地储流深成概率分布，计算产流计算单元此时的产流量。

2.根据权利要求1所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1中的所述的特征参数为最大洼地储流深的平均值、最大洼地储流深的最大值和最大洼地储流深的最小值。

3.根据权利要求1所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中的概率分布种类相同。

4.根据权利要求1所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中概率分布的种类为正态分布，最大洼地储流深(x)分布概率密度为：

其中a为正态分布的标准差，hssm为最大洼地储流的平均值。

5.根据权利要求4所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中概率分布的种类为正态分布，当降水结束后洼地储流量hss>0时，产流概率的计算公式为:

计算单元内洼地存在部分产流，产流量为：

6.根据权利要求1所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中所述的概率分布的种类为指数分布，最大洼地储流深(x)的概率密度函数如下：

其中，Hssm为最大洼地储流深的平均值。

7.根据权利要求6所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中所述的概率分布的种类为指数分布，产流量计算公式如下：

R＝0 (hss≤0)

式中：a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值，hss为产流计算过程前的洼地储流量，R为产流量。

8.根据权利要求1所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中的概率分布为均匀分布，最大洼地储流深(x)的概率密度函数如下：

其中a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值。

9.根据权利要求8所述的产流计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中概率分布的种类为均匀分布，产流量R计算公式如下：

R＝0 (hss≤a)

R＝hss-(a+b)/2 (hss≥b)

式中：a,b分别为最大洼地储流深的最大值和最小值，hss为产流计算前的储流量，R为产流量。

10.根据权利要求4，7，9任一所述的产流计算方法，其特征在于，产流计算结束后的洼地储流量为:

Hss1＝hss-R

式中：Hss1为计算完产流过程后的储流量，hss为计算产流过程之前的洼地储流量，R为产流量。