CN111783323B - 一种陆面水文耦合模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陆面水文耦合模拟系统及方法，该系统包括陆面过程模型、耦合器、取用水模块和汇流模块；在陆面过程模型的模拟系统中，增加了考虑人类活动影响的取用水方案和汇流方案，使得在陆面水文耦合模拟过程中既能模拟陆‑气间的水分、能量交换过程，又能考虑人类获得因素，能够更准确地反映陆面水文各要素的实际变化规律与特征。

Description

一种陆面水文耦合模拟系统及方法

技术领域

本发明属于气象水文技术领域，具体涉及一种陆面水文耦合模拟系统及方法。

背景技术

在全球变化及人类活动的双重影响下，陆面水文过程逐渐显现出了“自然-社会”二元特性，陆-气间的水分和能量等通量均发生了改变，进而改变了水资源、极端旱涝事件等的演变规律。因此，开展气候变化与人类活动对陆地水训练的影响研究已成为当今科学前言和应用基础问题。传统的分布式水文模型仅从流域水循环角度来探析水循环及水资源变化特征与规律，缺乏对能量平衡过程及物质过程的描述，难以全面反映陆-气间水热耦合过程以及与植被生长密切相关的生态水文过程，而基于网格单元的陆面模式可以较好地反映陆-气间水分、能量交换过程对水循环过程的影响。因此，发展考虑人文影响的陆面水文耦合模拟系统可以准确地表述陆-气水循环过程和能量平衡过程，揭示变化环境下水分、能量要素通量的变化规律及成因，同时可为流域综合管理提供科学依据，

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的陆面水文耦合模拟系统及方法解决了现有的水文耦合模拟过程中没有考虑人类活动影响，导致模拟过程不准确难以准确反映陆面水分各要素实际变化规律与特征的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种陆面水文耦合模拟系统，包括：

陆面过程模型，用于根据大气强迫数据逐层计算各要素过程得到土壤水文过程的产流量数据；

耦合器，用于在陆面过程模型和取用水模块之间进行产流量数据的传递；

取用水模块，用于根据接收到的产流量数据确定取用水方案，并更新产流量数据传输至汇流模块；同时将更新的产流量数据通过耦合器返回至陆面过程模型，进行剩余的陆面过程计算；

汇流模块，用于根据更新后的产流量数据确定汇流方案。

进一步地，所述取用水模块及汇流模块与陆面过程模型并行运行，实时更新运行数据，实现陆面水文耦合。

一种陆面水文耦合模拟方法，包括以下步骤：

S1、陆面过程：初始化陆面过程模型，并在陆面过程模型中根据大气强迫数据得到土壤水文过程的产流量数据；

S2、数据传递：通过耦合器将产流量数据传递至取用水模块；

S3、取用水过程：在取用水模块中根据接收到的产流量数据确定取用水方案，并更新产流量数据，将更新后的产流量数据传输至汇流模块；

S4、汇流过程：根据更新后的产流量数据进行汇流计算；

S5、水文耦合：将取用水过程更新的产流量数据及汇流计算数据通过耦合器返回至陆面过程模型，继续完成陆面过程计算，实现陆面水文耦合。

进一步地，所述步骤S3具体为：

S31、确定取用水过程的用水量；

S32、基于确定的用水量，确定取用水过程中的各取用水方案；

S33、将接收到的产流量数据减去各取用水方案所需的用水量，得到更新后的产流量数据并传输至汇流模块。

进一步地，所述步骤S31具体为：

A1、收集各级行政单元与用水量相关的基础数据；

A2、将各级行政单元的基础数据进行空间栅格化；

A3、基于栅格化后各网格单元中的基础数据，计算各网格单元中取用水过程的用水量。

进一步地，所述步骤A1中的基础数据包括总用水量、各类用水需求的用水量、灌区面积、人口和工业产值；

所述步骤A3中的用水量包括单位时间内的农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量；

所述农业用水量Q_a为：

式中，area为农业用水对应的网格单元中的灌区面积，AREA为农业用水对应的网格单元所在的行政单元的灌区面积，Q_A为农业用水对应的网格单元所在行政单元的农业用水量；

所述工业用水量Q_i为：

式中，val为工业用水对应的网格单元中的工业产值，VAL为工业用水对应的网格单元所在的行政单元的工业系数，Q_I为工业用水对应的网格单元所在行政单元的工业用水量；

所述生活用水量Q_d为：

式中，pop为生活用水对应的网格单元中的人口数据，POP为生活用水对应的网格单元所在的行政单元的人口数据，Q_D为生活用水对应的网格单元所在行政单元的生活用水量；

所述生态用水量Q_e的占比根据其所在行政单元的生态用水占比进行分配。

进一步地，所述步骤S32中的取用水方案包括取水过程、用水过程和排水过程；

所述取水过程包括地表取水过程方案和地下取水过程方案；

所述地表取水过程的表达式为：

S'＝S-Q_s×Δt

式中，S'和S分别代表取水前和取水后的地表水量，Q_s为单位时间内取用水的地表水量，Δt为取水时间；

所述地下取水过程的表达式为：

式中，Q_g为单位时间内地下水抽水量，s为网格单元的面积，d”、d'分别为抽水后和抽水前地下水埋深，W”、W'分别为抽水后与抽水前地下含水层的水量；

所述用水过程的表达式为：

式中，Q_a、Q_i、Q_d和Q_e分别为单位时间内各网格单元的农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量；P_a、P_i、P_d和P_e分别为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水取用地下水的比例；

所述排水过程包括第一排水过程和第二排水过程；

所述第一排水过程为农业用水和生态用水在经过使用后，不经过冠层截留，以有效降水的形式直接进入土壤表层参与后续的自然水循环过程；

所述第一排水过程的表达式为：

Q'_top＝Q_top+Q_a+Q_e

式中，Q'_top、Q_top分别为农业取用水和生态取用水前后进入土壤的水量；

所述第二排水过程为工业用水和生活用水在经过使用后，一部分以水蒸发的形式进行耗散返回到大气中，剩下的部分以废水的形式流入河道，参与后续的自然水循环过程；

所述第二排水过程的表达式为：

式中，Q'_r、Q_r分别为生活用水与工业用水前后的河道流量，α_d、α_i分别为生活用水和工业用水的效率，E'、E分别为生活用水和工业用水前后的蒸发量。

进一步地，所述步骤S4中的汇流方案中汇流过程流量的表达式为：

式中，Q^j+1为第j+1计算时段下的汇流过程流量，Q^j为第j计算时段下的汇流过程流量，Δt为第j+1计算时段与第j计算时段的时间差，Δx为第j+1计算时段时的汇流距离与第j计算时段的汇流距离的距离差，为第j计算时段第i个网格单元内的侧向流入量，α和β均为中间变量，且/> n为坡面或河道的Manning糙率系数，b为河宽，h为河道水深，S为坡面或河道的摩擦坡降，/>为第i个计算网格在j-1个时段的汇流量。

本发明的有益效果为：

本发明提供的陆面水文耦合模拟系统及方法，在陆面过程模型的模拟系统中，增加了受人类活动影响的取用水方案和汇流方案，使得在陆面水文耦合模拟过程中既能模拟陆-气间的水分、能量交换过程，又能考虑人类获得因素，能够更准确地反映陆面水文各要素的实际变化规律与特征。

附图说明

图1为本发明提供的陆面水文耦合模拟系统结构图。

图2为本发明提供的陆面水文耦合模拟方法流程图。

图3为本发明提供的人类取用水方案示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，:一种陆面水文耦合模拟系统，包括：

陆面过程模型，用于根据大气强迫数据逐层计算各要素过程得到土壤水文过程的产流量数据；

耦合器，用于在陆面过程模型和取用水模块之间进行产流量数据的传递；

取用水模块，用于根据接收到的产流量数据确定取用水方案，并更新产流量数据传输至汇流模块；同时将更新的产流量数据通过耦合器返回至陆面过程模型，进行剩余的陆面过程计算；

汇流模块，用于根据更新后的产流量数据确定汇流方案。

本实施例中的水文耦合模拟系统实际是在陆面过程模型的基础上增加了取用水模块和汇流模块，并通过耦合器进行数据传递，使得陆面过程模型在考虑取用水方案和汇流方案的基础上进行实时更新计算；其中，陆面过程模型为现有的软件模型，可以模拟陆-气间垂向上水循环过程、能量平衡过程等；耦合器为地球系统模型的子模块，用于进行数据传递。

上述取用水模块及汇流模块与陆面过程模型并行运行，实时更新运行数据，实现陆面水文耦合模拟数据的实时更新。

本实施例提供的陆面水文耦合模拟系统基于陆面过程模型，引入了受人类活动影响的取用水过程和汇流过程，使得在陆面水文耦合过程既能模拟陆-气间的水分、能量交换过程，又能考虑人类活动因素，能够更准确地反映陆面水文要素的实际变化规律与特征。

实施例2：

本发明实施例提供与上述实施例1中的耦合模拟系统对应陆面水文耦合模拟方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1、陆面过程：初始化陆面过程模型，并在陆面过程模型中根据大气强迫数据得到土壤水文过程的产流量数据；

S2、数据传递：通过耦合器将产流量数据传递至取用水模块；

S3、取用水过程：在取用水模块中根据接收到的产流量数据确定取用水方案，并更新产流量数据，将更新后的产流量数据传输至汇流模块；

S4、汇流过程：根据更新后的产流量数据确定汇流方案；

S5、水文耦合：将取用水过程更新的产流量数据及汇流计算数据通过耦合器返回至陆面过程模型，继续完成陆面过程计算，实现陆面水文耦合。

本实施例的步骤S3具体为：

S31、确定取用水过程的用水量；

S32、基于确定的用水量，确定取用水过程中的各取用水方案；

S33、将接收到的产流量数据减去各取用水方案所需的用水量，得到更新后的产流量数据并传输至汇流模块。

其中，步骤S31具体为：

A1、收集各级行政单元与用水量相关的基础数据；

其中，通过收集水资源公报与统计年鉴确定各级行政单元的基础数据包包括总用水量、各类用水需求的用水量、灌区面积、人口和工业产值；

A2、将各级行政单元的基础数据进行空间栅格化；

A3、基于栅格化后各网格单元中的基础数据，计算各网格单元中取用水过程的用水量。

将栅格化的灌区面积比例和人口密度数据插值成预设空间分辨率数据，并结合各网格面积，得到各网格单元的灌区面积和人口数据，利用栅格化后网格单元中的工业产值得到预设空间分辨率的工业产值数据；基于此，得到各网格单元中用水量，具体包括单位时间内的农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量；

农业用水量Q_a为：

式中，area为农业用水对应的网格单元中的灌区面积，AREA为农业用水对应的网格单元所在的行政单元的灌区面积，Q_A为农业用水对应的网格单元所在行政单元的农业用水量；

工业用水量Q_i为：

式中，val为工业用水对应的网格单元中的工业产值，VAL为工业用水对应的网格单元所在的行政单元的工业系数，Q_I为工业用水对应的网格单元所在行政单元的工业用水量；

生活用水量Q_d为：

式中，pop为生活用水对应的网格单元中的人口数据，POP为生活用水对应的网格单元所在的行政单元的人口数据，Q_D为生活用水对应的网格单元所在行政单元的生活用水量；

生态用水量Q_e的占比根据其所在行政单元的生态用水占比进行分配。

上述步骤S32中的考虑受人类活动影响的取用水方案包括取水过程、用水过程和排水过程，其他输水、耗水、回用等其他环节忽略或做简化处理，整个取用水环节如图3所示；

对于取水过程，假定从地表河流及地下水井取水，地下水直接取自该网格，而地表水优先考虑该网格，如果该网格单元储水量不能满足要求，则按照河网的拓扑结构，从相邻的网格取水；取水过程包括地表取水过程方案和地下取水过程方案；

地表取水过程的表达式为：

S'＝S-Q_s×Δt (4)

式中，S'和S分别代表取水前和取水后的地表水量，Q_s为单位时间内取用水的地表水量，Δt为取水时间；

地下水取水会导致地下水埋深增加，故地下取水过程的表达式为：

式中，Q_g为单位时间内地下水抽水量，s为网格单元的面积，d”、d'分别为抽水后和抽水前地下水埋深，W”、W'分别为抽水后与抽水前地下含水层的水量；

对于用水过程，假定用水量分为农业、工业、生活与生态4类用水，用水过程的表达式应满足平衡方程为：

式中，Q_a、Q_i、Q_d和Q_e分别为单位时间内各网格单元的农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量；P_a、P_i、P_d和P_e分别为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水取用地下水的比例；

对于排水过程，其包括第一排水过程和第二排水过程；

第一排水过程为农业用水和生态用水在经过使用后，不经过冠层截留，以有效降水的形式直接进入土壤表层参与后续的自然水循环过程；

第一排水过程的表达式为：

Q'_top＝Q_top+Q_a+Q_e (7)

式中，Q'_top、Q_top分别为农业取用水和生态取用水前后进入土壤的水量；

第二排水过程为工业用水和生活用水在经过使用后，一部分以水蒸发的形式进行耗散返回到大气中，剩下的部分以废水的形式流入河道，参与后续的自然水循环过程；

第二排水过程的表达式为：

式中，Q'_r、Q_r分别为生活用水与工业用水前后的河道流量，α_d、α_i分别为生活用水和工业用水的效率，E'、E分别为生活用水和工业用水前后的蒸发量。

本实施例的步骤S4中，在确定汇流方案中的汇流过程流量时：

汇流方案中的汇流过程包括坡面汇流和河道汇流，每个网格单元都包含坡面与河道两类汇流单元，由于实际河网信息十分复杂，为了简化计算，假定河道断面为矩形，所有坡面产生的地表产流均通过坡面汇流进入河道，而地下产流则直接进入河道，河道接收坡面和上游网格汇入的流量，并流入下游网格或流域出口汇入海洋；

坡面和河道的流速采用Manning公式进行计算：

式中，V为坡面或河道的流速，V是坡面或河道的流速，m/s；S是坡面和河道考虑了重力、摩擦力、惯性力等对水的影响的摩擦坡降，如果地形足够陡峭，则重力占主导地位，S可近似认为河床坡降；n是坡面和河道的Manning糙率系数；R是水力半径，m。对于坡面汇流，如果水面足够大，水深足够浅，可以假设水力半径约等于水深。对于河道汇流，R可根据过水断面面积和湿周进行计算：

式中，A为河道过水断面面积，m²；χ是湿周，m；

汇流过程的连续方程可表示如下：

式中，x为汇流距离，m；Q为x处的汇流量，m³/s；t是汇流时间，s；q_L是计算时段内的侧向流入量，m₃/s/m。

汇流过程采用牛顿迭代法进行求解，将式(9)和(10)联立，构造如下公式：

对式(12)进行显式差分，可得计算河道水深的牛顿迭代公式：

式中，h是河道水深，m；b是河宽，m；j是计算时段。

将式(9)进行转换，可得：

将式(14)代入式(11)进行显式差分，并经过一系列的变换，步骤S4中的汇流方案中汇流过程流量的表达式为：

式中，Q^j+1为第j+1计算时段下的汇流过程流量，Q^j为第j计算时段下的汇流过程流量，Δt为第j+1计算时段与第j计算时段的时间差，Δx为第j+1计算时段时的汇流距离与第j计算时段的汇流距离的距离差，为第j计算时段第i个网格单元内的侧向流入量，α和β均为中间变量，且/> n为坡面或河道的Manning糙率系数，b为河宽，h为河道水深，S为坡面或河道的摩擦坡降，/>为第i个计算网格在j-1个时段的汇流量。

Claims (4)

1.一种陆面水文耦合模拟系统，其特征在于，包括：

陆面过程模型，用于根据大气强迫数据逐层计算各要素过程得到土壤水文过程的产流量数据；

耦合器，用于在陆面过程模型和取用水模块之间进行产流量数据的传递；

取用水模块，用于根据接收到的产流量数据确定取用水方案，并更新产流量数据传输至汇流模块；同时将更新的产流量数据通过耦合器返回至陆面过程模型，进行剩余的陆面过程计算；

汇流模块，用于根据更新后的产流量数据确定汇流方案；

所述取用水模块将更新后的产流量数据传输至汇流模块的方法具体为：

S31、确定取用水过程的用水量；

S32、基于确定的用水量，确定取用水过程中的各取用水方案；

S33、将接收到的产流量数据减去各取用水方案所需的用水量，得到更新后的产流量数据并传输至汇流模块；

所述步骤S31具体为：

A1、收集各级行政单元与用水量相关的基础数据；

A2、将各级行政单元的基础数据进行空间栅格化；

A3、基于栅格化后各网格单元中的基础数据，计算各网格单元中取用水过程的用水量；

所述步骤S32中的取用水方案包括取水过程、用水过程和排水过程；

所述取水过程包括地表取水过程方案和地下取水过程方案；

所述地表取水过程的表达式为：

S'＝S-Q_s×Δt

式中，S'和S分别代表取水前和取水后的地表水量，Q_s为单位时间内取用水的地表水量，Δt为取水时间；

所述地下取水过程的表达式为：

式中，Q_g为单位时间内地下水抽水量，s为网格单元的面积，d”、d'分别为抽水后和抽水前地下水埋深，W”、W'分别为抽水后与抽水前地下含水层的水量；

所述用水过程的表达式为：

式中，Q_a、Q_i、Q_d和Q_e分别为单位时间内各网格单元的农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量；P_a、P_i、P_d和P_e分别为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水取用地下水的比例；

所述排水过程包括第一排水过程和第二排水过程；

所述第一排水过程为农业用水和生态用水在经过使用后，不经过冠层截留，以有效降水的形式直接进入土壤表层参与后续的自然水循环过程；

所述第一排水过程的表达式为：

Q'_top＝Q_top+Q_a+Q_e

式中，Q'_top、Q_top分别为农业取用水和生态取用水前后进入土壤的水量；

所述第二排水过程为工业用水和生活用水在经过使用后，一部分以水蒸发的形式进行耗散返回到大气中，剩下的部分以废水的形式流入河道，参与后续的自然水循环过程；

所述第二排水过程的表达式为：

式中，Q'_r、Q_r分别为生活用水与工业用水前后的河道流量，α_d、α_i分别为生活用水和工业用水的效率，E'、E分别为生活用水和工业用水前后的蒸发量；

所述汇流模块中，确定的汇流方案中汇流过程流量的表达式为：

式中，Q^j+1为第j+1计算时段下的汇流过程流量，Q^j为第j计算时段下的汇流过程流量，Δt为第j+1计算时段与第j计算时段的时间差，Δx为第j+1计算时段时的汇流距离与第j计算时段的汇流距离的距离差，为第j计算时段第i个网格单元内的侧向流入量，α和β均为中间变量，且/> n为坡面或河道的Manning糙率系数，b为河宽，h为河道水深，S为坡面或河道的摩擦坡降，/>为第i个计算网格在j-1个时段的汇流量。

2.根据权利要求1所述的陆面水文耦合模拟系统，其特征在于，所述取用水模块及汇流模块与陆面过程模型并行运行，实时更新运行数据，实现陆面水文耦合。

3.一种陆面水文耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、陆面过程：初始化陆面过程模型，并在陆面过程模型中根据大气强迫数据得到土壤水文过程的产流量数据；

S2、数据传递：通过耦合器将产流量数据传递至取用水模块；

S3、取用水过程：在取用水模块中根据接收到的产流量数据确定取用水方案，并更新产流量数据，将更新后的产流量数据传输至汇流模块；

S4、汇流过程：根据更新后的产流量数据进行汇流计算；

S5、水文耦合：将取用水过程更新的产流量数据及汇流计算数据通过耦合器返回至陆面过程模型，继续完成陆面过程计算，实现陆面水文耦合；

所述步骤S3具体为：

S31、确定取用水过程的用水量；

S32、基于确定的用水量，确定取用水过程中的各取用水方案；

S33、将接收到的产流量数据减去各取用水方案所需的用水量，得到更新后的产流量数据并传输至汇流模块；

所述步骤S31具体为：

A1、收集各级行政单元与用水量相关的基础数据；

A2、将各级行政单元的基础数据进行空间栅格化；

A3、基于栅格化后各网格单元中的基础数据，计算各网格单元中取用水过程的用水量；

所述步骤S32中的取用水方案包括取水过程、用水过程和排水过程；

所述取水过程包括地表取水过程方案和地下取水过程方案；

所述地表取水过程的表达式为：

S'＝S-Q_s×Δt

式中，S'和S分别代表取水前和取水后的地表水量，Q_s为单位时间内取用水的地表水量，Δt为取水时间；

所述地下取水过程的表达式为：

式中，Q_g为单位时间内地下水抽水量，s为网格单元的面积，d”、d'分别为抽水后和抽水前地下水埋深，W”、W'分别为抽水后与抽水前地下含水层的水量；

所述用水过程的表达式为：

式中，Q_a、Q_i、Q_d和Q_e分别为单位时间内各网格单元的农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量；P_a、P_i、P_d和P_e分别为农业用水、工业用水、生活用水和生态用水取用地下水的比例；

所述排水过程包括第一排水过程和第二排水过程；

所述第一排水过程为农业用水和生态用水在经过使用后，不经过冠层截留，以有效降水的形式直接进入土壤表层参与后续的自然水循环过程；

所述第一排水过程的表达式为：

Q'_top＝Q_top+Q_a+Q_e

式中，Q'_top、Q_top分别为农业取用水和生态取用水前后进入土壤的水量；

所述第二排水过程为工业用水和生活用水在经过使用后，一部分以水蒸发的形式进行耗散返回到大气中，剩下的部分以废水的形式流入河道，参与后续的自然水循环过程；

所述第二排水过程的表达式为：

式中，Q'_r、Q_r分别为生活用水与工业用水前后的河道流量，α_d、α_i分别为生活用水和工业用水的效率，E'、E分别为生活用水和工业用水前后的蒸发量；

所述步骤S4中的汇流方案中汇流过程流量的表达式为：

式中，Q^j+1为第j+1计算时段下的汇流过程流量，Q^j为第j计算时段下的汇流过程流量，Δt为第j+1计算时段与第j计算时段的时间差，Δx为第j+1计算时段时的汇流距离与第j计算时段的汇流距离的距离差，为第j计算时段第i个网格单元内的侧向流入量，α和β均为中间变量，且/> n为坡面或河道的Manning糙率系数，b为河宽，h为河道水深，S为坡面或河道的摩擦坡降，/>为第i个计算网格在j-1个时段的汇流量。

4.根据权利要求3所述的陆面水文耦合模拟方法，其特征在于，所述步骤A1中的基础数据包括总用水量、各类用水需求的用水量、灌区面积、人口和工业产值；

所述步骤A3中的用水量包括单位时间内的农业用水量、工业用水量、生活用水量和生态用水量；

所述农业用水量Q_a为：

式中，area为农业用水对应的网格单元中的灌区面积，AREA为农业用水对应的网格单元所在的行政单元的灌区面积，Q_A为农业用水对应的网格单元所在行政单元的农业用水量；

所述工业用水量Q_i为：

式中，val为工业用水对应的网格单元中的工业产值，VAL为工业用水对应的网格单元所在的行政单元的工业系数，Q_I为工业用水对应的网格单元所在行政单元的工业用水量；

所述生活用水量Q_d为：

式中，pop为生活用水对应的网格单元中的人口数据，POP为生活用水对应的网格单元所在的行政单元的人口数据，Q_D为生活用水对应的网格单元所在行政单元的生活用水量；

所述生态用水量Q_e的占比根据其所在行政单元的生态用水占比进行分配。