CN117744428B - 一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，涉及水文模拟及预测技术领域，包括以下步骤：S1：将流域进行网格单元划分，逐网格确定汇流路径，计算网格坡面汇流时间，划分流域坡面等流时带；S2：构建网格单元尺度时变产流强度的等流时线汇流计算模型，并提出模型时序参数计算逻辑，实现场次和多场次降水情景下模型的坡面汇流计算；S3：输入逐时段降水数据并进行空间网格展布，计算各时段等流时带内逐网格产流量等步骤；本发明实现了在场次和多场次降水情景下考虑时变产流强度的等流时线汇流计算过程。

Description

一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法

技术领域

本发明涉及水文模拟及预测技术领域，更具体的说是涉及一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法。

背景技术

目前，坡面汇流计算是水文循环中重要的过程之一，而坡面汇流计算的方法包括单位线法、简化圣维南方法和等流时线法，其中等流时线法简单有效，可以对较小流域实现合理演算过程。

但是，现有的等流时线法由于将汇流过程概化为线性时不变系统，主要具有如下缺点：(1)传统等流时线法计算并未真正的考虑降水的空间异质性分布特征；(2)传统等流时线法对于地表产流认为时不变系统，即所划分的同一等流时面内的产流量是一致的，但受到土壤调蓄作用，同一等流时面内只能说明其产生地表径流的区域汇集到流域出口的时间是一致，但同一等流时面内的产流区域及产流强度是动态变化的，传统等流时线法并未考虑；(3)传统等流时线法是根据所划分的等流时线，认为两条等流时线内的产流量汇集到流域出口时间一样，该方法简单但误差较大，所提取的等流时线面当流域较大时与实际情况误差较大。(4)传统等流时线法计算多为场次降水下的汇流计算过程，而对于长系列降水情景下，即存在场次降水情景，又存在非连续的多场次降水，在坡面汇流计算模型中如何刻画单次和多次场次降水以实现复杂降水情景下的连续汇流计算过程需要进一步考虑。

因此，如何提供一种能够解决上述问题的汇流计算方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，考虑了时变产流面积与降水空间异质性，而非认为同一等流时面上全部都产流，对于当前时段下产流的面积与产流量进行汇流计算，提高了计算精度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，包括以下步骤：

S1：将流域进行网格单元划分，逐网格确定汇流路径，计算网格坡面汇流时间，划分流域坡面等流时带；

S2：构建网格单元尺度时变产流强度的等流时线汇流计算模型，确定模型时序参数计算逻辑，根据汇流计算模型以及参数计算逻辑实现场次和多场次降水情景下模型的坡面汇流计算；

S3：输入逐时段降水数据并进行空间网格展布，计算各时段等流时带内逐网格产流量；

S4：将S3计算的各等流时带内网格产流量输入至汇流计算模型中，模拟单次降水或任意多场次降水下逐时段的等流时坡面汇流过程。

优选的，所述S1具体包括：

将流域进行空间离散化，划分网格单元

对流域网格单元提取DEM高程信息；

利用D8算法得到所述网格单元的汇流路径，并得到每个网格单元汇流至河道的汇流时间；

基于所述汇流时间确定等流时带。

优选的，所述S2中，汇流量计算模型的具体表达式为：

式中，Q_t表示t时段末的汇流量，其中t＝1,2,…a+b，a为降雨总时段数量，b为等流时带数量，A_t-i+1,j表示第i等流时带第j个单元对应的面积，h_i,j表示第i等流时带第j单元上的产流深，其中n表示产流的时段数，m＝1,2…min{a,b}，m为a、b最小值。

优选的，所述S2具体包括：

S21：获取流域的等流时线信息以及等流时面积，逐时段计算，当流域网格单元产流且上一时刻流域网格单元的汇流量Q_t-1为零或为初始时刻时，此时a＝1、t＝1、m＝1、n＝1，并根据a、t、m、n的值确定当前时刻汇流量Q_t；

S22：当所述流域网格单元产流且所述上一时刻所述流域网格单元的汇流量不为零时，重新确定a、t、m、n的值，并根据重新确定的a、t、m、n的值计算当前时刻汇流量Q_t；

S23：当所述流域网格单元不产流且所述上一时刻所述流域网格单元的汇流量Q_t-1不为零时，则当前时刻的产流深为零，重新确定a、t、m、n的值，并根据重新确定的a、t、m、n值计算当前时刻汇流量Q_t；

S24：当所述流域网格单元不产流且所述上一时刻所述流域网格单元的汇流量为零时，此时重新确定t值，当前时刻的汇流量Q_t＝0；

S25：更新流域出口最终时序径流量Q_out值，并判断是否模拟结束，没有结束则进入下一时段，并更新T值，否则结束计算。

优选的，所述S3还包括：

读入流域长系列气象站点降水数据，并将站点降水数据通过空间展布方法，展布到每个网格上；

基于地表产流计算方法，计算出逐网格的产流量。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，基于网格进行逐网格计算汇流时间，确定单元格等流时线；基于单元网格，确定所有等流时的网格作为传统同一等流时面；考虑了时变产流面积与降水空间异质性。在同一等流时面上，考虑时变产流面积，而非认为同一等流时面上全部都产流，对于当前时段下产流的面积与产流量进行汇流量计算，提高了计算精度。

此外，本发明提供的方法与传统等流时汇流计算方法相比，本发明中的计算模型的创新点在于考虑同一等流时带内的产流时变差异性，即将传统公式中的h_i进一步划分为h_i,j，其次将传统公式中的等流时带面积A_i，替换为了A_t-i+1,j，即考虑不同等流时带内单元网格面积上时变产流强度，进一步将h_i,j与A_t-i+1,j相乘并累加得到相应的汇流叠加计算结果。因为不同降水时段内，同一等流时带其产流强度时空分布是在变化的，而传统的等流时带则是进行了均一化处理，这导致计算结果产生了误差，而传统计算则认为同一等流时带内的产流是相同的，本发明通过上述构建的计算模型则考虑了等流时带内的产流场的变化，从而提高了等流时带的计算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法的整体流程图；

图2为本发明提供的模型时序参数计算逻辑的整体流程图；

图3为本发明实施例提供的网格单元划分示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1、附图3所示，本发明实施例提供一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，包括以下步骤：

S1：将流域进行网格单元划分，逐网格确定汇流路径，计算网格坡面汇流时间，划分流域坡面等流时带；

S2：构建网格单元尺度时变产流强度的等流时线汇流计算模型，确定模型时序参数计算逻辑，根据汇流计算模型以及参数计算逻辑实现场次和多场次降水情景下模型的坡面汇流计算；

S3：输入逐时段降水数据并进行空间网格展布，计算各时段等流时带内逐网格产流量；

S4：将S3计算的各等流时带内网格产流量输入至汇流计算模型中，模拟单次降水或任意多场次降水下逐时段的等流时坡面汇流过程。

在一个具体的实施例中，S1具体包括：

将流域进行空间离散化，划分网格单元

对流域网格单元提取DEM高程信息；

利用D8算法得到网格单元的汇流路径，并得到每个网格单元汇流至河道的汇流时间；

基于汇流时间确定等流时带。

具体的，将网格单元使用arcgis技术提取逐网格的高程信息，基于高程信息提取流域逐网格的汇流路径。

对于某一个子流域，计算其中单元网格中的汇流速度v、汇流时间τ，并根据汇流时间τ计算出每一个网格到流域出口处的汇流时间即第j个网格汇流时间T_j，对应的具体表达式为：

v＝aS_S ^0.5 (1)

式中，v为坡面流速，a为坡面流速系数，反映坡面糙率，可以根据土地利用情况加权平均；S_s为坡面坡度，τ为坡面汇流时间；单元网格内的L汇流路径，当汇流路径为直线时，则汇流路径L为边长a，当汇流路径为该网格内是斜对角时，T_j为第j个网格单元汇流到流域出口处的总时间，n为第j个网格单元到流域出口上所经过的网格数量，τ_i为沿途第i个网格单元内的汇流时间。

在一个具体的实施例中，S2中，汇流量计算模型的具体表达式为：

式中，Q_t表示t时段末的汇流量，其中t＝1,2,…a+b，a为降雨总时段数量，b为等流时带数量，A_t-i+1,j表示第i等流时带第j个单元对应的面积，h_i,j表示第i等流时带第j单元上的产流深，其中n表示产流的时段数，m＝1,2…min{a,b}，m为a、b最小值。

参见附图2所示，在一个具体的实施例中，S2中模型时序参数计算逻辑的具体过程包括：

S21：获取流域的等流时线信息以及等流时面积，逐时段计算，当流域网格单元产流且上一时刻流域网格单元的汇流量Q_t-1为零或为初始时刻时，此时a＝1、t＝1、m＝1、n＝1，并根据a、t、m、n的值确定当前时刻汇流量Q_t；

S22：当流域网格单元产流且上一时刻流域网格单元的汇流量不为零时，重新确定a、t、m、n的值，并根据重新确定的a、t、m、n的值计算当前时刻汇流量Q_t，其中更新a、t、m、n的值的具体过程为：

即经过判断后a、t的值分别累加1，当m与min(a,b)的对比符合公式(5)时则n或m的值分别累加1，不符合公式(5)时则m、n的值不发生变化；

S23：当流域网格单元不产流且上一时刻流域网格单元的汇流量Q_t-1不为零时，则当前时刻的产流深为零，重新确定a、t、m、n的值，并根据更新的a、t、m、n值计算当前时刻汇流量Q_t，其中更新a、t、m、n的值的具体过程为：

即经过判断后a、t的值分别累加1，当m与min(a,b)的对比符合公式(6)时则n或m的值分别累加1，不符合公式(6)时则m、n的值不发生变化；

S24：当流域网格单元不产流且上一时刻流域网格单元的汇流量为零时，此时重新确定t值，具体为t＝t+1，且当前时刻的汇流量Q_t＝0；

S25：更新流域出口最终时序径流量Q_out值，Q_out为一个场次汇流的计算结果，并判断是否模拟结束，没有结束则进入下一时段，并更新T值，具体为T＝T+1，否则结束计算。

具体的，t、n、m变化规则为：

(1)t从1开始逐时刻增加1，m从1时刻累加1，此时n保持为1不变；

(2)当m增加至min{a,b}时，计算n时开始累加1；

(3)当m增加至a时，则不再增加，m＝a，此时n继续增加直到达到a。

考虑动态降水模拟方法，当降水中断时，此时仍考虑有降水，但是降水为0，继续带入计算过程，如果下一时刻仍有降水，则进行连续计算Q_t值。

当进入到S23时，当前时段产流量为0，但是此时该连续汇流过程并没有结束，因为此前各时段的产流量与等流时带汇流存在时间滞后效应，将继续向流域出口汇流，所以需要继续计算Qt值，直到S23计算结果为0，若下一时段仍没有产流量，则进入到S24，此时则认为该连续场次降水结束。若一直没有产流，则重复进行S24步骤，若下一时刻发生产流则进入S21步骤，此时将a、t、m、n等时序变量全部归为1，开始进入到下一场汇流计算过程，该计算逻辑解决了连续多场次降水产流下的汇流计算问题，详细计算结果参见表1。

表1多场次降水等流时线汇流计算过程表

在一个具体的实施例中，S3还包括：

读入流域长系列气象站点降水数据，并将站点降水数据通过空间展布方法，展布到每个网格上，其中展布方法可以为反距离权重法、泰森多边形法；

基于地表产流计算方法，计算出逐网格的产流量。

在一个具体的实施例中，S4包括：将S3计算的各等流时带产流量输入到S2所构建的计算模型中，输出长系列降水情景下等流时汇流模拟计算结果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将流域进行网格单元划分，逐网格确定汇流路径，计算网格坡面汇流时间，划分流域坡面等流时带；

S2：构建网格单元尺度时变产流强度的等流时线汇流计算模型，确定模型时序参数计算逻辑，根据汇流计算模型以及参数计算逻辑实现场次和多场次降水情景下模型的坡面汇流计算，具体包括：

S21：获取流域的等流时线信息以及等流时面积，逐时段计算，当流域网格单元产流且上一时刻流域网格单元的汇流量Q_t-1为零或为初始时刻时，此时a＝1、t＝1、m＝1、n＝1，并根据a、t、m、n的值确定当前时刻汇流量Q_t；

S22：当所述流域网格单元产流且所述上一时刻所述流域网格单元的汇流量不为零时，重新确定a、t、m、n的值，并根据重新确定的a、t、m、n的值计算当前时刻汇流量Q_t；

S23：当所述流域网格单元不产流且所述上一时刻所述流域网格单元的汇流量Q_t-1不为零时，则当前时刻的产流深为零，重新确定a、t、m、n的值，并根据重新确定的a、t、m、n值计算当前时刻汇流量Q_t；

S24：当所述流域网格单元不产流且所述上一时刻所述流域网格单元的汇流量为零时，此时重新确定t值，当前时刻的汇流量Q_t＝0；

S25：更新流域出口最终时序径流量Q_out值，并判断是否模拟结束，没有结束则进入下一时段，并更新T值，否则结束计算；

S3：输入逐时段降水数据并进行空间网格展布，计算各时段等流时带内逐网格产流量；

S4：将S3计算的各等流时带内网格产流量输入至汇流计算模型中，模拟单次降水或任意多场次降水下逐时段的等流时坡面汇流过程；

所述S2中，汇流量计算模型的具体表达式为：

式中，Q_t表示t时段末的汇流量，其中t＝1,2,…a+b，a为降雨总时段数量，b为等流时带数量，A_t-i+1,j表示第i等流时带第j个单元对应的面积，h_i,j表示第i等流时带第j单元上的产流深，其中n表示产流的时段数，m＝1,2…min{a,b}，m为a、b最小值。

2.根据权利要求1所述的一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，其特征在于，所述S1具体包括：

将流域进行空间离散化，划分网格单元

对流域网格单元提取DEM高程信息；

利用D8算法得到所述网格单元的汇流路径，并得到每个网格单元汇流至河道的汇流时间；

基于所述汇流时间确定等流时带。

3.根据权利要求1所述的一种基于时变产流强度的等流时线汇流计算方法，其特征在于，所述S3还包括：

读入流域长系列气象站点降水数据，并将站点降水数据通过空间展布方法，展布到每个网格上；

基于地表产流计算方法，计算出逐网格的产流量。