CN113657047A - 一种基于双自由水库的产流计算方法、装置及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双自由水库的产流计算方法、装置及存储介质，计算方法包括：在新安江模型的三层包气带结构的基础上设置张力水蓄满层，形成包括上层包气带、下层包气带、深层包气带和张力水蓄满层的四层包气带结构；建立双自由水库产流结构：将包气带内自由水能够占据的空间划分为上层自由水库和下层自由水库，其中上层包气带、下层包气带和深层包气带占据上层自由水库，张力水蓄满层占据下层自由水库；使用蓄满产流算法，计算时段产流量；根据建立的双自由水库产流结构将时段产流量划分为地表径流、壤中流和地下径流三种径流成分。本发明提出了基于双自由水库的产流结构，可以很好地适用于浅层地下水埋深较深的半干旱半湿润流域。

Description

一种基于双自由水库的产流计算方法、装置及存储介质
技术领域
本发明属于水文预报领域，具体涉及一种基于双自由水库的产流计算方法。
背景技术
水文模型是模拟流域水文过程的重要方法，一般主要由产流计算和汇流计算组成。产流计算目前主要有两种算法：一种是蓄满产流算法；另一种是超渗产流算法。使用蓄满产流算法的水文模型典型代表是新安江模型。新安江模型中的蓄满产流算法包括产流量计算和分水源计算两部分。目前新安江模型在国内的湿润区流域得到了广泛的应用，并取得了良好的模拟效果。在半干旱半湿润区，新安江模型也有较多的应用，但模拟效果不如在湿润区的模拟效果好。出现这种现象的一个主要原因便是，由于气候条件及人类对地下水的开采，半干旱半湿润区的浅层地下水埋深较深，包气带较厚，这导致了半干旱半湿润区的产流规律与湿润区不同。基于湿润区的产流规律构建的产流计算方法不适用于半干旱半湿润区的实际情况，这使得新安江模型在半干旱半湿润区的模拟效果较差。因此，需要提出一种新的产流计算方法来提高半干旱半湿润区的水文模拟效果。
发明内容
本发明的目的是提出一种更好地模拟半干旱半湿润区流域的产流过程的基于双自由水库的产流计算方法。
为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：
一种基于双自由水库的产流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立双自由水库产流结构：在新安江模型的三层包气带结构的基础上，在深层包气带之下设置张力水蓄满层，形成包括上层包气带、下层包气带、深层包气带和张力水蓄满层的四层包气带结构；将包气带内自由水能够占据的空间划分为上层自由水库和下层自由水库，其中上层包气带、下层包气带和深层包气带占据上层自由水库，张力水蓄满层占据下层自由水库；
使用蓄满产流算法，计算时段产流量；
根据建立的双自由水库产流结构将时段产流量划分为地表径流、壤中流和地下径流三种径流成分。
使用蓄满产流算法，计算一次降雨过程各时段产流量：
Figure BDA0003210652480000021
式中，R(t)为第t时段的时段产流量，W(t)为第t时段的初始时刻的张力水蓄水量，WM为张力水蓄水容量，Pε(t)为扣除蒸散发损耗、植被冠层截留损耗后的第t时段的时段净降雨量。
根据建立的双自由水库产流结构分别计算地表径流、壤中流和地下径流三种径流的方法是：
Figure BDA0003210652480000022
式中，Rs(t)为第t时段的地表径流，R(t)为第t时段的时段产流量，S(t)为第t时段初的上层自由水库蓄水量，SM为上层自由水蓄水容量；Ri(t)和S(t)的计算方法是：
Ri(t)＝Ki*(R(t)+S(t)-Rs(t)-Fd(t)) (3)
Figure BDA0003210652480000023
式中，Ri(t)为第t时段的壤中流，Ki为壤中流出流系数；Fd(t)为第t时段的下层自由水库入流；S(t-1)为第t-1时段的上层自由水库蓄水量；R(t-1)为第t-1时段的时段产流量；Ri(t-1)为第t-1时段的壤中流；Rs(t-1)为第t-1时段的地表径流；Fd(t-1)为第t-1时段的下层自由水库入流；S(0)为初始时刻上层自由水库蓄水量，根据流域的初始状态观测值或估计值来设定；
Figure BDA0003210652480000024
式中，K为土壤饱和水力传导度，Ψ为湿润锋处土壤吸力，△θ为土壤饱和含水率与田间持水量之差，F(t)为第t时段初的累计渗漏量；
Figure BDA0003210652480000025
式中，Fd(i)为第i时段的下层自由水库入流，F0为第1时段初的累计渗漏量，可设置为某一极小值，如0.001。
Figure BDA0003210652480000031
式中，Rg(t)为第t时段的地下径流，Sl(t)为第t时段初的下层自由水库蓄水量，SLM为下层自由水蓄水容量，Kg为地下径流出流系数。
第t时段初的下层自由水库蓄水量Sl(t)、下层自由水蓄水容量SLM的计算方法为：
Figure BDA0003210652480000032
Figure BDA0003210652480000033
式中，Sl(0)为初始时刻的下层自由水库蓄水量，Zr为初始时刻的河道水位高程，Zg为初始时刻的地下水位高程，Zi为河道下伏含水层底边界高程，μ为地下水位变动带给水度；以上初始时刻状态变量值根据流域的初始状态观测值或估计值来设定。
本发明的有益效果：本发明提供一种基于双自由水库的产流计算方法，在新安江模型的三层包气带结构的基础上，在深层包气带之下设置张力水蓄满层，形成包括上层包气带、下层包气带、深层包气带和张力水蓄满层的四层包气带结构；将包气带内自由水能够占据的空间划分为上、下两层自由水库，其中上层、下层、深层包气带占据上层自由水库，张力水蓄满层占据下层自由水库，构成双自由水库的产流结构；计算方法为，首先，获得扣除蒸散发损耗、植被冠层截留损耗后的时段降雨量，基于蓄满产流理论计算时段产流量；接着，基于双自由水库产流结构，将时段产流量划分为地表径流、壤中流、地下径流三种径流成分。本发明提出了基于双自由水库的产流结构，可以很好地适用于浅层地下水埋深较深的半干旱半湿润区的产流计算，提高了半干旱半湿润区的水文模拟效果。
附图说明
图1是本发明提供的基于双自由水库的产流计算方法流程示意图；
图2是本发明提供的基于双自由水库的产流结构示意图；
图3是本发明提供的基于双自由水库的产流计算方法与原始的基于单自由水库的产流计算方法的洪水模拟效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
应当理解的是，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1
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于双自由水库的产流计算方法，包括以下步骤：
步骤1，建立双自由水库产流结构：
基于双自由水库的产流结构的示意图如图2所示。是在新安江模型的三层包气带结构的基础上，在深层包气带之下设置张力水蓄满层，形成包括上层包气带、下层包气带、深层包气带和张力水蓄满层的四层包气带结构；将包气带内自由水能够占据的空间划分为上层自由水库和下层自由水库，其中上层包气带、下层包气带和深层包气带占据上层自由水库，张力水蓄满层占据下层自由水库；
步骤2，使用蓄满产流算法，计算时段产流量，获得扣除蒸散发损耗、植被冠层截留损耗后的时段降雨量：
Figure BDA0003210652480000041
式中，R(t)为第t时段的时段产流量，W(t)为第t时段初始时刻的张力水蓄水量，WM为张力水蓄水容量，Pε(t)为扣除蒸散发损耗、植被冠层截留损耗后的第t时段的时段净降雨量。
步骤3，根据建立的双自由水库产流结构将时段产流量划分为地表径流、壤中流和地下径流三种径流成分：
Figure BDA0003210652480000042
式中，Rs(t)为第t时段的地表径流，R(t)为第t时段的时段产流量，S(t)为第t时段的自由水量，SM为上层自由水蓄水容量；Ri(t)和S(t)的计算方法是：
Ri(t)＝Ki*(R(t)+S(t)-Rs(t)-Fd(t))(3)
Figure BDA0003210652480000043
式中，Ri(t)为第t时段的壤中流，Ki为壤中流出流系数；Fd(t)为第t时段的下层自由水库入流；S(t-1)为第t-1时段的上层自由水库蓄水量；R(t-1)为第t-1时段的时段产流量；Ri(t-1)为第t-1时段的壤中流；Rs(t-1)为第t-1时段的地表径流；Fd(t-1)为第t-1时段的下层自由水库入流；S(0)为初始时刻上层自由水库蓄水量，根据流域的初始状态观测值或估计值来设定；
Figure BDA0003210652480000051
式中，K为土壤饱和水力传导度，Ψ为湿润锋处土壤吸力，△θ为土壤饱和含水率与田间持水量之差，F(t)为第t时段初的累计渗漏量；
Figure BDA0003210652480000052
式中，Fd(i)为第i时段的下层自由水库入流，F0为降雨初始时刻渗漏量，可设置为某一极小值，如0.001。
Figure BDA0003210652480000053
式中，Rg(t)为第t时段的地下径流，Sl(t)为第t时段初的下层自由水库蓄水量，SLM为下层自由水蓄水容量，Kg为地下径流出流系数。
步骤3中，计算下层自由水库蓄水量、下层自由水蓄水容量的计算方法为：
Figure BDA0003210652480000054
Figure BDA0003210652480000055
式中，Sl(0)为初始时刻的下层自由水库蓄水量，Zr为初始时刻的河道水位高程，Zg为初始时刻的地下水位高程，Zi为河道下伏含水层底边界高程，μ为地下水位变动带给水度；以上初始时刻状态变量值根据流域的初始状态观测值或估计值来设。
选择典型半干旱半湿润区海河流域内的清水河流域作为实施对象，采用本发明提出的基于双自由水库的产流算法和原始的基于单自由水库的产流算法分别计算两种不同产流算法下对应的3种径流成分，并采用统一的汇流算法(坡面及河网汇流均采用马斯京根算法)进行汇流计算。通过参数优选及调整，获得两种算法的最优洪水模拟效果。参考《水文情报预报规范GB/T 22482-2008》，选择洪峰流量相对误差、峰现时间误差、Nash-Sutcliffe效率系数和径流深误差作为评价指标，可以发现基于双自由水库的产流算法的模拟效果要优于原始的基于单自由水库的产流算法，如图3所示。
实施例2
本发明还提供了一种装置，用于计算产流。装置包括处理器和存储器；存储器中存储有程序或指令，程序或指令由处理器加载并执行以实现实施例1的基于双自由水库的产流计算方法。
实施例3
本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以为非易失性计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质也可以为易失性计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有指令，当指令在计算机上运行时，使得计算机执行实施例1的基于双自由水库的产流计算方法。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read-only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明。本领域技术人员在不脱离本发明构思的前提下做出若干改进和优化，都应当视为本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于双自由水库的产流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立双自由水库产流结构：在新安江模型的三层包气带结构的基础上，在深层包气带之下设置张力水蓄满层，形成包括上层包气带、下层包气带、深层包气带和张力水蓄满层的四层包气带结构；将包气带内自由水能够占据的空间划分为上层自由水库和下层自由水库，其中上层包气带、下层包气带和深层包气带占据上层自由水库，张力水蓄满层占据下层自由水库；
使用蓄满产流算法，计算时段产流量；
根据建立的双自由水库产流结构，将时段产流量划分为地表径流、壤中流和地下径流三种径流成分并计算。
2.根据权利要求1所述的产流计算方法，其特征在于，根据建立的双自由水库产流结构，计算地表径流、壤中流和地下径流三种径流的方法是：
Figure FDA0003210652470000011
式中，Rs(t)为第t时段的地表径流，SM为上层自由水蓄水容量，R(t)为第t时段的时段产流量，S(t)为第t时段初的上层自由水库蓄水量；
Ri(t)＝Ki*(R(t)+S(t)-Rs(t)-Fd(t))
式中，Ri(t)为第t时段的壤中流，Ki为壤中流出流系数；Fd(t)为第t时段的下层自由水库入流；
Figure FDA0003210652470000012
式中，Rg(t)为第t时段的地下径流，Sl(t)为第t时段初的下层自由水库蓄水量，SLM为下层自由水蓄水容量，Kg为地下径流出流系数。
3.根据权利要求2所述的产流计算方法，其特征在于，第t时段的时段产流量R(t)的计算方法是：
Figure FDA0003210652470000013
式中，W(t)为第t时段的初始时刻的张力水蓄水量，WM为张力水蓄水容量，Pε(t)为扣除蒸散发损耗、植被冠层截留损耗后的第t时段的时段净降雨量。
4.根据权利要求2所述的产流计算方法，其特征在于，第t时段初的上层自由水库蓄水量S(t)的计算方法是：
Figure FDA0003210652470000021
式中，S(t-1)为第t-1时段的上层自由水库蓄水量；R(t-1)为第t-1时段的时段产流量；Ri(t-1)为第t-1时段的壤中流；Rs(t-1)为第t-1时段的地表径流；Fd(t-1)为第t-1时段的下层自由水库入流；S(0)为初始时刻上层自由水库蓄水量，根据流域的初始状态观测值或估计值来设定。
5.根据权利要求2所述的产流计算方法，其特征在于，第t时段的下层自由水库入流Fd(t)的计算方法为：
Figure FDA0003210652470000022
式中，K为土壤饱和水力传导度，Ψ为湿润锋处土壤吸力，△θ为土壤饱和含水率与田间持水量之差，F(t)为第t时段初的累计渗漏量。
6.根据权利要求5所述的产流计算方法，其特征在于，第t时段初的累计渗漏量F(t)的计算方法为：
Figure FDA0003210652470000023
式中，Fd(i)为第i时段的下层自由水库入流，F0为初始时刻的渗漏量。
7.根据权利要求2所述的地下径流的计算方法，其特征在于，第t时段初的下层自由水库蓄水量Sl(t)、下层自由水蓄水容量SLM的计算方法为：
Figure FDA0003210652470000024
Figure FDA0003210652470000025
式中，Sl(0)为初始时刻的下层自由水库蓄水量，Zr为初始时刻的河道水位高程，Zg为初始时刻的地下水位高程，Zi为河道下伏含水层底边界高程，μ为地下水位变动带给水度；以上初始时刻状态变量值根据流域的初始状态观测值或估计值来设定。
8.一种装置，其特征在于，包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序或指令，所述程序或指令由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一所述产流计算方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现如权利要求1至7任一所述产流计算方法的步骤。
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