CN110717247B - 一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，涉及分布式水文模型领域，包括如下步骤：S1，在分布式水文模型中采用子流域套等高带的方式进行计算单元划分；S2，分析确定各等高带计算单元内的梯田面积；S3，根据各等高带内的梯田面积确定当前等高带内的梯田对上一等高带的坡面径流拦截比例；S4，对所述等高带内梯田产流过程进行模拟；S5，模拟等高带坡面产流和汇流过程。使用该模拟方法能够模拟计算单元内梯田的产流过程和包含梯田影响的坡面产汇流过程；能够提高黄土高原区域坡面产汇流过程模拟精度，评价分析梯田建设对产汇流过程的影响及贡献。

Description

一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法

技术领域

本发明涉及分布式水文模型领域，尤其涉及一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法。

背景技术

分布式水文模型是研究水循环过程和机理的有效手段，也是解决许多水文实际问题的有效工具。随着研究问题的复杂程度增加，分布式水文模型正逐步从水量模拟发展到水量水质生态耦合模拟，模型功能也越来越复杂。在黄土高原等山区，梯田分布广泛，对坡面产流汇流过程影响巨大。水平的梯田能够增加降雨入渗、拦截上游坡面汇流。对一般分布式水文模型而言，由于计算单元划分的原因使得在模拟梯田对坡面产汇流影响的时候，往往只能采用等效参数进行概化，并不能完全模拟梯田对坡面径流的拦截和增加降水入渗的作用。为了进一步提高坡面产汇流模拟精度，反映梯田建设的影响，有必要在模型模拟过程中考虑梯田的水循环过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，从而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：

一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，包括如下步骤：

S1，在分布式水文模型中采用子流域套等高带的方式进行计算单元划分；

S2，分析确定各等高带计算单元内的梯田面积；

S3，根据各等高带内的梯田面积确定当前等高带内的梯田对上一等高带的坡面径流拦截比例，即认为该部分坡面径流完全进入当前等高带的梯田内，参与当前等高带梯田的产汇流过程；

S4，对所述等高带内梯田产流过程进行模拟；

S5，模拟等高带坡面产流和汇流过程，所述产流过程决定单位时间内有多少降水变成径流，所述汇流过程决定单位时间内有多少径流流出区域范围。

优选地，步骤S1中：

所述分布式水文模型的基本单元是子流域套等高带，其中，子流域是地表水文过程相对独立的区域单元；等高带是子流域内部的细分，用于反映高程变化的差异影响，模拟从上而下的坡面汇流过程。

其中，等高带的个数根据实际情况而定，通常等高带个数通过以下方法进行确定：

给定平均等高带面积，然后用子流域面积除以该平均面积，得到具体等高带个数(四舍五入到整数)；如果额外给定了最大等高带数目，则取两者中的小值。

优选地，步骤S2中：

确定各等高带内的梯田面积的方法包括：

(1)收集地市统计年鉴中的梯田面积，并根据土地利用类型，按山区旱地斑块进行空间展布，并同等高带计算单元进行相交处理，计算得到等高带内梯田的面积；

(2)通过遥感手段，基于DEM和遥感影像等资料，根据一定的标准，解译得出流域范围内的梯田范围，并同等高带计算单元进行相交处理，计算得到等高带内梯田的面积。

一般来说，基于DEM和遥感影像等资料进行梯田面积解译时没具体确定的标准，在实际操作中需要通过试错的方法去确认，不同区域甚至具有不同的标准，主要考虑指标有NDVI、面积、形状系数、高程、坡度等等。

优选地，步骤S3中：

确定当前等高带梯田对上一等高带坡面径流拦截比例由以下公式计算：

R_c＝(2.2409-0.4075*A_s/A_C1)*A_s/A_C0

其中，R_c为当前等高带梯田对上一等高带坡面径流拦截比例，A_s为当前等高带内梯田面积，A_C1为当前等高带面积，A_C0为上一等高带面积；如果当前等高带是最上面的等高带，则R_c＝0。

优选地，步骤S4具体包括：

S41,计算梯田内的地表储水量，等于上游等高带流入的部分加上本时段的降水再减去本时段的入渗量；

S42，计算梯田部分的产流量，即梯田地表储水量超过梯田最大洼储量的部分作为产流量，如果不超过则产流量为0。

优选地，S42中：

采用以下方法模拟梯田的产流过程：

H＝(Q_in*dt/A_s*R_c+P-Inf)；

其中，H为当前等高带梯田内堆积的水深，H_max为当前等高带梯田最大可接受的储留深，Q_in为上一等高带流入当前等高带的流量，dt为模拟时间间隔，P为当前时段降水量，Inf为当前时段梯田部分入渗量，R_t为当前等高带梯田部分产流量，其余参数意义同前面。

优选地，步骤S5具体包括：

S51，计算等高带内非梯田部分的产流量；

S52，计算等高带内参与坡面汇流的单宽流入量；

S53，基于运动波方程进行坡面汇流计算。

优选地，步骤S51中计算非梯田部分的产流量时，需要首先判断降水量是否达到阈值，从而判断是否是暴雨期，这个判断标准通常根据所在地域的差异特性而确定，如果暴雨期或者是在超渗产流为主的流域可采用Green-Ampt超渗产流模式，如果非暴雨期或者是在蓄满产流为主的流域可采用蓄满产流模式。

优选地，步骤S53中，采用运动波方法模拟等高带的坡面汇流过程：

Q_in0＝Q_in*(1-R_c)；

ql＝(R_t*A_s+R_o*(A_C1-A_s))/dt/len；

S_f＝S₀；

其中，Q_in0为当前等高带进行汇流演算时初始的上游流入量即刨除流入梯田部分，ql为坡面汇流单宽流入量，R_o为非梯田部分产流量，len为坡面长度，A为坡面流水断面面积，Q为当前等高带出口断面流量，n为曼宁糙率系数，R为水力半径，S₀为坡面坡降，S_f为摩擦坡降，t为时间，x为坡面纵向坐标，其余参数意义同前面。

本发明的有益效果是：

本发明公开了一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，使用该模拟方法能够模拟计算单元内梯田的产流过程和包含梯田影响的坡面产汇流过程；能够提高黄土高原区域坡面产汇流过程模拟精度，评价分析梯田建设对产汇流过程的影响及贡献。

附图说明

图1是本发明应用实例计算流程图；

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，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

本发明实施例提供了一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1，基于DEM数据，采用GIS水文分析工作，经过实际河网烧录修正DEM、填洼、计算栅格流向、计算栅格汇流累积数、提取模拟河网，并基于模拟河网将流域划分成数量不等的子流域。然后，对子流域内栅格根据高程再细分为数量不等的等高带，主要方法为将流域内的栅格按高程排序，根据划分的数量(例如10个)将栅格高程序列进行等分，得出对应数量的高程带以及各高程带之间的高程阈值，再逐个遍历子流域内的栅格并根据栅格高程赋值对应的高程带序号。需要注意的是，等高带序号是从1开始逐渐增加的自然数，且1号等高带表示最高的那一层。

S2，根据收集的资料确定各等高带内的梯田面积。从地市统计年鉴中收集对应年份的梯田面积，一般情况下，收集的该类面积会大于子流域套等高带的面积，需要进行空间展布。一般认为地市内部的梯田分布比较均匀，这里将收集的梯田统计资料面积按地市内的山区旱地空间分布进行展布，得到山区旱地单位面积上的梯田面积。然后，累加等高带范围内的梯田面积即采用等高带内的对应山区旱地面积乘上其单位面积的梯田面积。如果没有相关统计数据，则可以通过遥感手段，基于DEM和遥感影像资料，采用一定的准则，解译提取流域内的梯田范围，并同等高带进行叠合相交处理，从而得出等高带内的梯田面积。

S3，采用以下公式计算某个等高带对上一等高带的坡面径流拦截比例：

R_c＝(2.2409-0.4075*A_s/A_C1)*A_s/A_C0

其中，R_c为当前等高带梯田对上一等高带坡面径流拦截比例，A_s为当前等高带内梯田面积，A_C1为当前等高带面积，A_C0为上一等高带面积。如果当前等高带是最上面的等高带，则R_c＝0。

S4，计算等高带内的梯田产流量。由于梯田一般都是水平的，因此采用简单的水量平衡过程进行计算。首先计算时段末梯田上的水深，再根据梯田所能存储的最大水深得出产流量。计算公式如下：

H＝(Q_in*dt/A_s*R_c+p-Inf)；

其中，H为当前等高带梯田内堆积的水深，H_max为当前等高带梯田最大可接受的储留深，Q_in为上一等高带流入当前等高带的流量，dt为模拟时间间隔，P为当前时段降水量，Inf为当前时段梯田部分入渗量，R_t为当前等高带梯田部分产流量，其余参数意义同前面。

S5，根据区域特征以及降水量大小，采用Green-Ampt超渗产流模式或者蓄满产流模式对等高带其他非梯田部分进行产流过程模拟得出对应的产流量，再对梯田和非梯田部分按面积加权得到等高带上的产流量，用于坡面汇流演算。

对当前等高带进行汇流演算的时候，认为有一条概化的从上到下沟纵穿整个等高带。其中沟的上断面接受上一等高带的坡面径流，整个沟侧面接受本等高带的产流量，采用运动波方程对坡面进行汇流计算。

上断面接受径流量等于上断面输出径流量减去被当前等高带梯田截留的部分。本等高带产流量为梯田和非梯田部分产流的面积加权平均值，再除以沟长得到单宽流入量。计算公式如下：

Q_in0＝Q_in*(1-R_c)；

ql＝(R_t*A_s+R_o*(A_C1-A_s))/dt/len；

S_f＝S₀；

其中，Q_in0为当前等高带进行汇流演算时初始的上游流入量即刨除流入梯田部分，ql为坡面汇流单宽流入量，R_o为非梯田部分产流量，len为坡面长度，A为坡面流水断面面积，Q为当前等高带出口断面流量，n为曼宁糙率系数，R为水力半径，S₀为坡面坡降，S_f为摩擦坡降，t为时间，x为坡面纵向坐标，其余参数意义同前面。

Claims (6)

1.一种考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在分布式水文模型中采用子流域套等高带的方式进行计算单元划分；

S2，分析确定各等高带计算单元内的梯田面积；

S3，根据各等高带内的梯田面积确定当前等高带内的梯田对上一等高带的坡面径流拦截比例，即认为该部分坡面径流完全进入当前等高带的梯田内，参与当前等高带梯田的产汇流过程；

S4，对所述等高带内梯田产流过程进行模拟；

S5，模拟等高带坡面产流和汇流过程；

步骤S3中：

确定当前等高带梯田对上一等高带坡面径流拦截比例由以下公式计算：

R_c＝(2.2409-0.4075*A_s/A_C1)*A_s/A_C0

其中，R_c为当前等高带梯田对上一等高带坡面径流拦截比例，A_s为当前等高带内梯田面积，A_C1为当前等高带面积，A_C0为上一等高带面积；如果当前等高带是最上面的等高带，则R_c＝0；

步骤S4具体包括：

S41，计算梯田内的地表储水量，等于上游等高带流入的部分加上本时段的降水再减去本时段的入渗量；

S42，计算梯田部分的产流量，即梯田地表储水量超过梯田最大洼储量的部分作为产流量，如果不超过则产流量为0；

S42中：

采用以下方法模拟梯田的产流过程：

H＝(Q_in*dt/A_s*R_c+P-Inf)；

其中，H为当前等高带梯田内堆积的水深，H_max为当前等高带梯田最大可接受的储留深，Q_in为上一等高带流入当前等高带的流量，dt为模拟时间间隔，P为当前时段降水量，Inf为当前时段梯田部分入渗量，R_t为当前等高带梯田部分产流量，R_c为当前等高带梯田对上一等高带坡面径流拦截比例，A_s为当前等高带内梯田面积。

2.根据权利要求1所述的考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，其特征在于，步骤S1中：

所述分布式水文模型的基本单元是子流域套等高带，其中，子流域是地表水文过程相对独立的区域单元；等高带是子流域内部的细分，用于反映高程变化的差异影响，模拟从上而下的坡面汇流过程。

3.根据权利要求1所述的考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，其特征在于，步骤S2中：

确定各等高带内的梯田面积的方法包括：

(1)收集地市统计年鉴中的梯田面积，并根据土地利用类型，按山区旱地斑块进行空间展布，并同等高带计算单元进行相交处理，计算得到等高带内梯田的面积；

(2)通过遥感手段，基于DEM和遥感影像资料，解译得出流域范围内的梯田范围，并同等高带计算单元进行相交处理，计算得到等高带内梯田的面积。

4.根据权利要求1所述的考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

S51，计算等高带内非梯田部分的产流量；

S52，计算等高带内参与坡面汇流的单宽流入量；

S53，基于运动波方程进行坡面汇流计算。

5.根据权利要求4所述的考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，其特征在于，步骤S51中计算非梯田部分的产流量时，可采用Green-Ampt超渗产流模式或蓄满产流模式。

6.根据权利要求4所述的考虑梯田影响的坡面产汇流过程模拟方法，其特征在于，步骤S53中，采用运动波方法模拟等高带的坡面汇流过程：

Q_in0＝Q_in*(1-R_c)；

ql＝(R_t*A_s+R_o*(A_C1-A_s))/dt/len；

S_f＝S₀；

其中，Q_in0为当前等高带进行汇流演算时初始的上游流入量即刨除流入梯田部分，ql为坡面汇流单宽流入量，R_o为非梯田部分产流量，len为坡面长度，A为坡面流水断面面积，Q为当前等高带出口断面流量，n为曼宁糙率系数，R为水力半径，S₀为坡面坡降，S_f为摩擦坡降，t为时间，x为坡面纵向坐标，其余参数意义同前面。

Images