一种垂向和横向耦合混合产流计算方法

本发明属于径流预报相关，更具体地，涉及一种垂向和横向耦合混合产流计算方法。

背景技术：

1、高精度水文预报可为水库调度、防洪减灾及水资源优化配置等提供决策依据，在水资源管理、水资源开发利用和国民经济建设等领域发挥着重要作用。产流计算是降雨径流建模的关键过程之一，受自然条件胁迫、陆面水文过程驱动，流域产流呈现异常复杂的时空变异特性，单一蓄满、超渗产流模式已经无法精确刻画产流过程的时空变异规律，开展基于混合产流的流域洪水预报研究是未来的重要发展方向。

2、目前常用的混合产流模式有垂向混合额产流、横向兼容混合产流、vic-3l混合产流等，地面径流、壤中流和地下水径流构成了不同产流机制下的全部径流成分，与单一产流模式相比，采用混合产流模式的预报精度有明显提升，但现有混合产流理论仍不足以精确刻画各种径流成分的组成变异规律，主要原因如下：现有混合产流理论假定土壤含水量达到田间持水量后产生壤中流，进而将采用蓄水容量分布曲线生产的蓄满径流量划分为壤中流和地下径流，忽略了未饱和带中也可能产生壤中流；其次，现有产流理论根据流域稳定下渗率进行地下径流分割时，其认为包气带岩土结构为水平方向空间分布均匀，该假定与实际情况不符，理论上，流域稳定下渗率是空间分布不均的，与流域植被覆盖、地形、土壤等下垫面特性相关。因此，现有的混合产流计算方法应用时存在径流产生机制不准确以及径流分割机制不合理，造成洪水预报精度偏低的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种垂向和横向耦合混合产流计算方法，其目的在于解决现有的混合产流方法开展洪水预报时存在径流产生及分割机制不清晰、洪水预报误差较大的技术问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种垂向和横向耦合混合产流计算方法，所述方法包括：s1：根据下渗能力分布曲线获得超渗地表径流量，进而获得当前时段下渗量；s2：以流域平均蓄水容量以及流域蓄水容量分布不均系数为参数构建流域蓄水容量分布曲线，并以相对不透水层平均下渗率和相对不透水层下渗能力分布不均系数为参数构建相对不透水层下渗能力分布曲线；s3：将所述流域蓄水容量分布曲线和相对不透水层下渗能力分布曲线耦合于同一坐标系，以两条曲线的交点和所述当前时段下渗量为基准获得总地下径流量；s4：采用流域平均稳定下渗能力和流域稳渗分布不均匀系数将所述总地下径流量分割为壤中流径流量和地下径流量；s5：将所述超渗地表径流量、壤中流径流量和地下径流量汇总获得流域出口总径流量。

3、优选地，所述超渗地表径流量rs和当前时段下渗量fa的计算公式为：

4、

5、fa＝p-rs

6、其中，p为降雨量，为下渗能力分布曲线围成的面积，表示流域平均下渗率；bf为下渗能力分布不均系数；δt代表计算时段。

7、优选地，步骤s2还包括根据所述流域蓄水容量分布情况和相对不透水层下渗能力分布曲线分别获得流域蓄水容量小于某固定值wm′的面积比例α，以及根据相对不透水层下渗率小于某固定值fs的面积比例γ：

8、

9、

10、其中，wm′为流域点蓄水容量，wm为流域水容量分布曲线围成的面积，表示流域平均蓄水容量，b为流域蓄水容量分布不均系数，fs为相对不透水层点下渗能力，为相对不透水层下渗能力分布曲线围成的面积，表示相对不透水层平均下渗率，bfs为相对不透水层下渗能力分布不均系数。

11、优选地，步骤s3具体为：将所述流域蓄水容量分布曲线和相对不透水层下渗能力分布曲线耦合于同一坐标系，以下渗水量为输入，根据两条曲线的相交情况，计算总地下径流量rr：

12、①当所述流域蓄水容量分布曲线和相对不透水层下渗能力分布曲线存在交点且则：

13、

14、②当所述流域蓄水容量分布曲线和相对不透水层下渗能力分布曲线存在交点且则：

15、

16、③当a+fa≤y，则：

17、

18、④当所述流域蓄水容量分布曲线和相对不透水层下渗能力分布曲线不存在交点且a+fa＞wm(1+b)，则：

19、rr＝fa-wm+w

20、其中，fa为当前时段下渗量，y为相对不透水层下渗能力分布曲线与流域蓄水容量分布曲线交点的纵坐标，a为当前时段流域平均土壤含水两的最大值，wm′为流域点蓄水容量，wm为流域水容量分布曲线围成的面积，表示流域平均蓄水容量，w为上一时段土壤含水量，α为流域蓄水容量小于某固定值wm′的面积比例，γ为相对不透水层下渗率小于某固定值fs的面积比例，wm′为流域点蓄水容量，fs为相对不透水层点下渗能力，b为流域蓄水容量分布不均系数，为相对不透水层下渗能力分布曲线围成的面积，表示相对不透水层平均下渗率。

21、优选地，步骤s4中采用流域平均稳定下渗能力和流域稳渗分布不均匀系数将所述总地下径流量分割为壤中流径流量ri和地下径流量rg具体公式为：

22、

23、rg＝rr-ri

24、其中，rr为总地下径流量，为流域平均稳定下渗能力；bfc为流域稳渗分布不均系数，δt为计算时段。

25、优选地，步骤s5中采用线性水库及马斯京根方法将所述超渗地表径流量、壤中流径流量和地下径流量汇总获得流域出口总径流量。

26、优选地，采用线性水库及马斯京根方法将所述超渗地表径流量、壤中流径流量和地下径流量汇总获得流域出口总径流量具体表达式为：

27、

28、

29、

30、qt(t)＝qs(t)+qi(t)+qi(t)

31、q(t)＝c0·qt(t)+c1·qt(t-1)+c2·q(t-1)

32、式中，rs(t)、ri(t)、rg(t)分别代表t时段超渗地表径流量、壤中流径流量和地下径流量；qs(t)、qi(t)、qg(t)分别代表t时段超渗地表径流、壤中流和地下径流；qs(t-1)、qi(t-1)、qg(t-1)分别代表t-1时段超渗地表径流、壤中流和地下径流；cs、ci、cg分别代表超渗地表径流消退系数、壤中流消退系数和地下径流消退系数；f为流域面积；qt(t-1)、qt(t)分别代表t-1时段和t时段单元面积河网总入流；q(t-1)、q(t)分别代表t-1时段和t时段单元面积河网总出流；c0、c1、c2为马斯京根参数。

33、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种垂向和横向耦合混合产流计算方法具体包括如下有益效果：

34、1.针对传统混合产流模型中的壤中流产生机制不完备的问题，本发明引入相对不透水层下渗能力分布曲线，完善了未蓄满区壤中流生成机制，提高了净雨计算的精度，可为流域径流分割提供更准确的输入背景场；

35、2.针对传统二水源分割方法未考虑包气带岩土结构水平空间分布不均匀性的问题，本技术采用流域平均稳定下渗能力和流域稳渗分布不均匀系数对总地下径流量进行了分割，引入稳渗能力分布不均系数考虑下垫面空间分布的异质性，提高了壤中流、地下径流划分的精度；

36、3.本技术提出了相对不透水层下渗能力分布曲线，从净雨计算及径流分割两个方面更加精细地刻画了产流过程的非一致性，在此基础上，采用线性水库及马斯京根方法，分水源汇流获得流域出口总径流，解决了传统混合产流计算方法应用时存在径流产生机制不准确以及径流分割机制不合理的技术问题，提高了洪水预测的准确性。