一种多空间尺度流域产流产沙预测方法及装置与流程

本发明涉及分布式产流产沙预测术领域，尤其涉及一种多空间尺度流域产流产沙预测方法及装置。

背景技术

当前流域洪水泥沙预报模型主要采用单一种类模型，结合降雨观测数据与下垫面数据，进行产流产沙模拟与预测预报，然而由于水文现象在不同时空尺度上呈现出性质迥异的变化特征，不同尺度上水文变量和参数的空间变异性很大，而且现有不同空间尺度上水沙循环的机理、流域水沙循环全要素过程的动态耦合模拟的关键问题尚未解决，因此，单一种类模型在进行流域水沙过程模拟过程时，存在流域范围受限、难以大范围推广的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种多空间尺度流域产流产沙预测方法及装置。

一方面，本发明提供一种多空间尺度流域产流产沙预测方法，该方法包括：

步骤1、根据待预测流域的dem地形数据，采用d8算法计算每个dem栅格流向、dem栅格坡度和dem栅格汇流累积量，依据strahler河网分级方法，确定待预测流域的河网；

步骤2、根据待预测流域的dem地形数据、遥感影像和河网，将待预测流域划分为m个三级沟；

步骤3、根据dem地形数据的分辨率，对每个三级沟进行空间离散，将每个三级沟划分为多个网格单元；

步骤4、根据每个网格单元中的水流从网格中心点至三级沟出口的网格汇流时间，分别采用等流时线法和线性水库法计算每个三级沟网格单元的地表汇流和地下汇流，确定每个三级沟的断面出口产流量；

步骤5、根据每个三级沟的断面出口产流量，采用纳希瞬时单位线计算每个二级沟的沟网汇流量；

步骤6、根据每个二级沟的沟网汇流量，采用马斯京根多河段连续流量演算模型计算待预测流域的断面出口产流量；

步骤7、根据每个三级沟的格网坡度和遥感影像，将每个三级沟划分为梁峁坡地貌单元、沟谷坡地貌单元和沟槽地貌单元；

步骤8、根据每个三级沟中梁峁坡地貌单元的产沙量、沟谷坡地貌单元的产沙量和沟槽地貌单元的产沙量，确定每个三级沟的产沙量；

步骤9、根据每个三级沟的产沙量，采用泥沙输移比确定待预测流域的断面出口产沙量。

进一步地，所述步骤4中所述步骤4中根据式(1)计算网格汇流时间：

其中，tc表示网格汇流时间；kv表示速度常数；l表示网格中心点至三级沟出口的水流路径长；s表示从网格中心点至三级沟出口之间河道的坡度。

进一步地，所述步骤4中分别根据式(2)、式(3)和式(4)计算每个三级沟网格单元的地表汇流、地下汇流和每个三级沟的断面出口产流量：

qj,3(t)＝qu,i+qg,i(4)

其中，qu,i表示第i时段的地表汇流量，qg,i表示第i时段的地下汇流量，qj,3(t)表示第j个三级沟的断面出口量，qg,i-1表示为第i-1时段地下汇流量，hu,i表示第i时段地面净雨量，fn为每两条等流时线之间的面积，hg,i-1表示第i-1时段地下净雨量，f表示待预测流域的总面积，δt表示时段长度，kg表示地下水库的蓄泄系数，j＝1,2.......,m，t为时段序号，1,2...，30。

进一步地，所述步骤5中根据式(5)计算每个二级沟的沟网汇流量：

其中，qp，2(t)为第p个二级沟的沟网汇流量，t为时段序号，1,2.....，30；n为线性水库个数；k为线性水库的蓄泄系数；d为微分算子d/dt。

进一步地，所述步骤6中根据式(6)和式(7)计算待预测流域的断面出口产流量：

ql＝c0ql-1,2+c1ql-2,2+c2ql-1(6)

其中：c0+c1+c2＝1，q(t)表示待预测流域的断面出口产流量，ql为第l个河段的出流量，ql-1,2，ql-2,2为二级沟汇入一级沟的流量，t表示时段序号，t＝0，1，2，3，…，30；δt表示计算时段长，z表示河段数；x,k表示分段马斯京根法参数。

进一步地，所述步骤8中分别根据式(8)、式(9)、式(10)和式(11)计算梁峁坡地貌单元的产沙量、沟谷坡地貌单元的产沙量、沟槽地貌单元的产沙量和每个三级沟的产沙量：

e三级沟＝er+eg+ec(11)

其中，γs、γm分别为泥沙密实干容重和浑水容重；d为泥沙粒径；f为摩擦系数；为泥沙休止角；h1为梁峁坡水深；j1为梁峁坡比降；α1为梁峁坡坡度；v1为梁峁坡水流平均速度；ar是无量纲系数；br为梁峁坡宽度；h2为沟谷坡水深；j2为沟谷坡比降；α2为沟谷坡坡度；v2为沟谷坡水流平均速度；ag是无量纲系数；h3为沟槽水深；j3为沟槽比降；v3为沟槽水流平均流速；ω为泥沙颗粒群体沉速；u*为摩阻流速，κ为卡门常数；e3为沟槽发生冲刷的能量系数；c为无量纲系数；沟槽宽度b0。

进一步地，所述步骤9中根据式(12)和式(13)计算待预测流域的断面出口产沙量e：

e＝m*e三级沟*sdr(13)

其中，sdr为泥沙输移比，m为三级沟个数，tm降雨峰值发生时长；tp为次降雨总历时；qm为待预测流域洪峰流量，q为待预测流域的断面出口产流量，γm为浑水容重，γs为泥沙干容重，f为待预测流域的总面积，ρ为水密度。

另一方面，本发明提供一种多空间尺度流域产流产沙预测装置，该装置包括：

河网提取单元，根据待预测流域的dem地形数据，采用d8算法计算每个dem栅格流向、dem栅格坡度和dem栅格汇流累积量，依据strahler河网分级方法，确定待预测流域的河网；

流域分割单元，根据待预测流域的dem地形数据、遥感影像和河网，将待预测流域划分为m个三级沟；

三级沟网格划分单元，根据dem地形数据的分辨率，对每个三级沟进行空间离散，将每个三级沟划分为多个网格单元；

三级沟产流量计算单元，根据每个网格单元中的水流从网格中心点至三级沟出口的网格汇流时间，分别采用等流时线法和线性水库法计算每个三级沟网格单元的地表汇流和地表下汇流，确定每个三级沟的断面出口产流量；

沟网汇流量计算单元，根据每个三级沟的断面出口产流量，采用纳希瞬时单位线计算每个二级沟的沟网汇流量；

流域产流量计算单元，根据每个二级沟的沟网汇流量，采用马斯京根多河段连续流量演算模型计算待预测流域的断面出口产流量；

三级沟地貌提取单元，根据每个三级沟的格网坡度和遥感影像，将每个三级沟划分为梁峁坡地貌单元、沟谷坡地貌单元和沟槽地貌单元；

三级沟产沙量计算单元，根据每个三级沟中梁峁坡地貌单元的产沙量、沟谷坡地貌单元的产沙量和沟槽地貌单元的产沙量，确定每个三级沟的产沙量；

流域产沙量计算单元，根据每个三级沟的产沙量，采用泥沙输移比确定待预测流域的断面出口产沙量。

本发明的有益效果：

本发明提供的多空间尺度流域产流产沙预测方法，结合流域降雨观测数据与流域下垫面数据，通过耦合小尺度分布式次降水机理模型与大中尺度流域概念性洪水泥沙预报模型，将大中尺度流域分解为多个级别沟道(一级沟、二级沟和三级沟)，在此基础上，应用小尺度分布式次降水机理模型计算三级沟的出口断面的产流产沙量，以该产流产沙量作为大中尺度概念性洪水泥沙作业预报模型的计算参数，通过调用洪水泥沙作业预报模型计算接口，计算流域次暴雨产流产沙总量。通过对三级沟进行分布式产流产沙并行计算，克服了大中尺度流域采用分布式模型计算时速度低的缺陷。通过模型耦合计算，能够同时发挥小流域分布式次降水机理模型的精度优势，以及应用于大中尺度的概念性流域洪水泥沙预报模型的空间范围优势，从而提高土壤侵蚀产沙模拟与预报的精度与推广实用性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多空间尺度流域产流产沙预测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的待预测流域水系拓扑关系示意图；

图3为本发明实施例提供的多空间尺度流域产流产沙预测装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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。

图1为本发明实施例提供的多空间尺度流域产流产沙预测方法的流程示意图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

s101、根据待预测流域的dem地形数据，采用d8算法计算每个dem栅格流向、dem栅格坡度和dem栅格汇流累积量，依据strahler河网分级方法，确定待预测流域的河网；

s102、根据待预测流域的dem地形数据、遥感影像和河网，将待预测流域划分为m个三级沟；

s103、根据dem地形数据的分辨率，对每个三级沟进行空间离散，将每个三级沟划分为多个网格单元；

s104、根据每个网格单元中的水流从网格中心点至三级沟出口的网格汇流时间，分别采用等流时线法和线性水库法计算每个三级沟网格单元的地表汇流和地表下汇流，确定每个三级沟的断面出口产流量；

s105、根据每个三级沟的断面出口产流量，采用纳希瞬时单位线计算每个二级沟的沟网汇流量；

s106、根据每个二级沟的沟网汇流量，采用马斯京根多河段连续流量演算模型计算待预测流域的断面出口产流量；

s107、根据每个三级沟的格网坡度和遥感影像，将每个三级沟划分为梁峁坡地貌单元、沟谷坡地貌单元和沟槽地貌单元；

具体地，在实际操作中，为了进一步提高效率，也可结合人工勾绘的方法，首先提取每个三级沟的峁边线和沟缘线，从而将每个三级沟划分为梁峁坡地貌单元、沟谷坡地貌单元和沟槽地貌单元。

s108、根据每个三级沟中梁峁坡地貌单元的产沙量、沟谷坡地貌单元的产沙量和沟槽地貌单元的产沙量，确定每个三级沟的产沙量；

s109、根据每个三级沟的产沙量，采用泥沙输移比确定待预测流域的断面出口产沙量。

图2为本发明实施例提供的待预测流域水系拓扑关系示意图；如图2所示，该拓扑结构中，多个三级沟汇流进入二级沟，多个二级沟汇流进入一级沟，多个一级沟分段演进流向待预测流域出口。

本发明提供的多空间尺度流域产流产沙预测方法，结合流域降雨观测数据与流域下垫面数据，通过耦合小尺度分布式次降水机理模型与大中尺度流域概念性洪水泥沙预报模型，将大中尺度流域分解为多个级别沟道(一级沟、二级沟和三级沟)，在此基础上，应用小尺度分布式次降水机理模型计算三级沟的出口断面的产流产沙量，以该产流产沙量作为大中尺度流域概念性洪水泥沙作业预报模型的计算参数，通过调用洪水泥沙作业预报模型计算接口，计算流域次暴雨产流产沙总量。通过对三级沟进行分布式产流产沙并行计算，克服了大中尺度流域采用分布式模型计算时速度低的缺陷。通过模型耦合计算，能够同时发挥小尺度分布式次降水机理模型的精度优势，以及应用于大中尺度流域概念性洪水泥沙预报模型的空间范围优势，从而提高土壤侵蚀产沙模拟与预报的精度与推广实用性。

在上述实施例的基础上，该方法中的所述步骤s104中根据式(1)计算网格汇流时间：

其中，tc表示网格汇流时间；kv表示速度常数；l表示网格中心点至三级沟出口的水流路径长；s表示从网格中心点至三级沟出口之间河道的坡度。

具体地，根据每个网格到三级沟出口断面时间tc，基于arcgis平台，将汇流时间相等的点子连成一条曲线，即生成三级沟的等流时线。

在上述实施例的基础上，该方法中的所述步骤s104中分别根据式(2)、式(3)和式(4)计算每个三级沟网格单元的地表汇流、地下汇流和每个三级沟的断面出口产流量：

qj,3(t)＝qu,i+qg,i(4)

其中，qu,i表示第i时段的地表汇流量，qg,i表示第i时段的地下汇流量，qj,3(t)表示第j个三级沟的断面出口量，qg,i-1表示为第i-1时段地下汇流量，hu,i表示第i时段地面净雨量，fn为每两条等流时线之间的面积，hg,i-1表示第i-1时段地下净雨量，f表示待预测流域的总面积，δt表示时段长度，kg表示地下水库的蓄泄系数，j＝1,2.......,m，t为时段序号，1,2...，30。

在上述实施例的基础上，该方法中的所述步骤s105中根据式(5)计算每个二级沟的沟网汇流量：

其中，qp，2(t)为第p个二级沟的沟网汇流量，t为时段序号，1,2.....，30；n为线性水库个数；k为线性水库的蓄泄系数；d为微分算子d/dt。

在上述实施例的基础上，该方法中的所述步骤s106中根据式(6)和式(7)计算待预测流域的断面出口产流量：

ql＝c0ql-1,2+c1ql-2,2+c2ql-1(6)

其中：c0+c1+c2＝1，q(t)表示待预测流域的断面出口产流量，ql为第l个河段的出流量，ql-1,2，ql-2,2为二级沟汇入一级沟的流量，t表示时段序号，t＝0，1，2，3，…，30；δt表示计算时段长，z表示河段数；x,k表示分段马斯京根法参数。

在上述各实施例的基础上，该方法中的所述步骤s108中分别根据式(8)、式(9)、式(10)和式(11)计算梁峁坡地貌单元的产沙量、沟谷坡地貌单元的产沙量、沟槽地貌单元的产沙量和每个三级沟的产沙量：

e三级沟＝er+eg+ec(11)

其中，γs、γm分别为泥沙密实干容重和浑水容重；d为泥沙粒径；f为摩擦系数；为泥沙休止角；h1为梁峁坡水深；j1为梁峁坡比降；α1为梁峁坡坡度；v1为梁峁坡水流平均速度；ar是无量纲系数；br为梁峁坡宽度；h2为沟谷坡水深；j2为沟谷坡比降；α2为沟谷坡坡度；v2为沟谷坡水流平均速度；ag是无量纲系数；h3为沟槽水深；j3为沟槽比降；v3为沟槽水流平均流速；ω为泥沙颗粒群体沉速；u*为摩阻流速，κ为卡门常数；e3为沟槽发生冲刷的能量系数；c为无量纲系数；沟槽宽度b0。

在上述实施例的基础上，该方法中的所述步骤s109中根据式(12)和式(13)计算待预测流域的断面出口产沙量e：

e＝m*e三级沟*sdr(13)

其中，sdr为泥沙输移比，m为三级沟个数，tm降雨峰值发生时长；tp为次降雨总历时；qm为待预测流域洪峰流量，q为待预测流域的断面出口产流量，γm为浑水容重，γs为泥沙干容重，f为待预测流域的总面积，ρ为水密度。

由上述内容可知，本发明提供的多空间尺度流域产流产沙预测方法，结合流域降雨观测数据与流域下垫面数据，通过耦合小尺度分布式次降水机理模型与大中尺度流域概念性洪水泥沙预报模型，将大中尺度流域分解为多个级别沟道(一级沟、二级沟和三级沟)，在此基础上，应用小尺度分布式次降水机理模型计算三级沟的出口断面的产流产沙量，以该产流产沙量作为大中尺度流域概念性洪水泥沙作业预报模型的计算参数，通过调用洪水泥沙作业预报模型计算接口，计算流域次暴雨产流产沙总量。通过对三级沟进行分布式产流产沙并行计算，克服了大中尺度流域采用分布式模型计算时速度低的缺陷。通过模型耦合计算，能够同时发挥小尺度分布式次降水机理模型的精度优势，以及应用于大中尺度流域概念性洪水泥沙预报模型的空间范围优势，从而提高土壤侵蚀产沙模拟与预报的精度与推广实用性。

图3为本发明实施例提供的多空间尺度流域产流产沙预测装置的结构示意图。如图3所示，该装置包括：河网提取单元301，流域分割单元302，三级沟网格划分单元303，子流域产流量计算单元304，沟网汇流量计算单元305，流域产流量计算单元306，三级沟地貌提取单元307，子流域产沙量计算单元308和流域产沙量计算单元309。其中：

河网提取单元301根据待预测流域的dem地形数据，采用d8算法计算每个dem栅格流向、dem栅格坡度和dem栅格汇流累积量，依据strahler河网分级方法，确定待预测流域的河网；流域分割单元302根据待预测流域的dem地形数据、遥感影像和河网，将待预测流域划分为m个三级沟；三级沟网格划分单元303根据dem地形数据的分辨率，对每个三级沟进行空间离散，将每个三级沟划分为多个网格单元；三级沟产流量计算单元304根据每个网格单元中的水流从网格中心点至三级沟出口的网格汇流时间，分别采用等流时线法和线性水库法计算每个三级沟网格单元的地表汇流和地下汇流，确定每个三级沟的断面出口产流量；沟网汇流量计算单元305根据每个三级沟的断面出口产流量，采用纳希瞬时单位线计算每个二级沟的沟网汇流量；流域产流量计算单元306根据每个二级沟的沟网汇流量，采用马斯京根多河段连续流量演算模型计算待预测流域的断面出口产流量；三级沟地貌提取单元307根据每个三级沟的格网坡度和遥感影像，将每个三级沟划分为梁峁坡地貌单元、沟谷坡地貌单元和沟槽地貌单元；三级沟产沙量计算单元308根据每个三级沟中梁峁坡地貌单元的产沙量、沟谷坡地貌单元的产沙量和沟槽地貌单元的产沙量，确定每个三级沟的产沙量；流域产沙量计算单元309根据每个三级沟的产沙量，采用泥沙输移比确定待预测流域的断面出口产沙量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。