考虑地形影响的水文模型水流沿程再分配方法与流程

本发明涉及水文，尤其是涉及一种考虑地形影响的水文模型水流沿程再分配方法。

背景技术：

1、流域水循环大致可以概化为降水、蒸散发、径流和流域蓄水量变化等过程，其中降水是循环过程的主要输入，通常起主导作用；蒸散发造成水分损失，是水循环过程的输出项；径流和流域蓄水量动态变化受降水和蒸散发共同影响，是流域水循环中影响自然生态环境和人类社会的关键环节。土壤含水量的时空动态分布直接影响土壤生态系统演进，与降雨等因子共同成为中国气候以及植被类型分区的重要依据，影响不同地域的作物类型与耕作模式，间接塑造各具特色的经济、文化和社会生活方式。因此，将土壤含水量动态变化作为流域水循环的关键环节，量化气象因子以及地形地貌特征对于土壤含水量时空分布的影响，不仅有助于提高流域降雨径流过程模拟的合理性，还为土壤墒情模拟与预报、农业生产实践、生态环境保护以及人文社会科学研究等多方面提供重要参考依据。

2、然而传统的集总式水文模型通常将流域作为一个整体，难以实现流域内部土壤水时空分布动态过程的量化模拟。基于遥感、地理信息以及数字流域等技术的发展，采用数值矩阵描述地表高程变化的栅格数字高程模型(dem，digital elevation model)逐步成熟，并得到了广泛的应用。基于数字高程模型，分布式水文模型一般将流域划分为若干计算单元，水流在不同计算单元之间运动汇集，如何结合地形坡度等要素，合理考虑水流沿程再分配，成为保障分布式模型水文过程模拟精度，提高土壤水时空动态分布模拟精细化水平的重点和难点问题。

3、为了进一步促进土壤水时空动态分布模拟的发展，提高分布式降雨径流过程模拟精度，需要更深入理解地形坡度对于水流沿程分配的影响，量化各个栅格单元土壤含水量对于水流沿程运动的响应。

4、在研究分布式水文模型水流沿程再分配方法时，首先面临的挑战就是如何合理划分直接进入沟道的水流和补充下游栅格单元土壤含水量的水流。在目前的实际应用中，多不考虑地形坡度对于水流沿程分配的影响，直接将所有的水流补充补充下游栅格单元土壤含水量。这种方法虽然一定程度上实现了栅格单元间水流交换的概化模拟，但是难以合理描述流域内部土壤水时空动态分布过程，一定程度降低了分布式降雨径流过程模拟精度，制约降雨径流过程模拟精细化水平。

5、因而忽略地形坡度对于水流沿程再分配影响的方法不利于土壤水时空动态分布模拟精细化水平的提高。因此，实有必要设计一种考虑地形影响的水文模型水流沿程再分配方法，以克服上述问题。

技术实现思路

1、为了避免上述问题，提供了一种考虑地形影响的水文模型水流沿程再分配方法，设计合理，有利于较好的模拟降雨径流过程中的土壤水时空动态分布，实现较高精度的径流过程模拟。

2、本发明提供的一种考虑地形影响的水文模型水流沿程再分配方法，包括如下步骤：

3、步骤1，基于数字高程模型dc将流域离散为若干栅格单元，将栅格单元的分辨率设置为分布式水文模型产汇流计算的计算尺度，提取地形坡度βc；

4、步骤2，选取分辨率高于dc的数字高程模型ds，计算地形坡度并将其升尺度至计算尺度，量化栅格单元内部的地形起伏βs；

5、步骤3，以降雨p和蒸发e为输入，计算栅格单元内能够自由流出的水流q，以βc和βs间的比例将q划分为进入下游栅格单元包气带的水流qc和排入栅格单元内部沟道的水流qs；

6、步骤4，水流qc补充下游栅格单元包气带缺水量后继续流出，水流qs通过沟道在不同栅格单元间快速运动，实现栅格单元间的水流沿程再分配。

7、优选地，步骤1中包括如下子步骤：

8、1.1基于数字高程模型dc将流域离散为若干正交栅格单元，并将栅格单元边长为lc作为计算尺度；

9、1.2按顺时针方向对栅格单元相邻的8个单元进行编码，分别将东、东南、南、西南、西、西北、北和东北方向的相邻栅格单元编码为0、1、2、3、4、5、6和7；

10、1.3将相对高程最低的栅格单元所在的方向作为水流流向，将水流流入的栅格单元作为下游栅格单元，计算栅格单元和下游栅格单元间的地形坡度βc，计算公式如下：

11、

12、式中：ec为栅格单元高程；ex为下游栅格单元高程；为栅格单元与下游栅格单元间的直线距离；当下游栅格单元编码为0、2、4和6时，∈的值为1，否则为1.414。

13、优选地，步骤2中包括如下子步骤：

14、2.1选取分辨率高于dc的数字高程模型ds，将栅格单元离散为边长为ls的若干小栅格单元；

15、2.2在栅格单元内，采用步骤1.2和1.3中的方法计算边长为ls的小栅格单元间的地形坡度βs；

16、2.3计算地形坡度βs的一阶原点矩，其升尺度至计算尺度，量化栅格单元内部的地形起伏βσ，计算公式如下：

17、

18、式中：i为栅格单元内部、边长为ls的小栅格单元的编号，从1到n；n为栅格单元内部、边长为ls的小栅格单元的数目。

19、优选地，步骤3中包括如下子步骤：

20、3.1以降雨p和蒸发e为输入，采用蓄满产流模型和线性水库公式计算栅格单元内能够自由流出的水流q；

21、3.2以βc和βs间的比例将水流q划分为进入下游栅格单元包气带的水流qc和排入栅格单元内部沟道的水流qs，计算公式如下：

22、qc+qs＝q；

23、

24、优选地，步骤4中包括如下子步骤：

25、4.1水流qc补充下游栅格单元包气带缺水量后继续流出，

26、当w+pe+qc≤wm时，r＝0；

27、当w+pe+qc＞wm时，r＝pe+w+qc-wm；

28、式中：wm为张力水蓄水容量；w为张力水含量；pe为扣除蒸发损失后的降雨量，即净雨；r为产生的径流量；

29、径流量r经过蓄满产流模型的分水源以及线性水库方法计算后，转变为能够流动的水流qb；

30、4.2水流qs通过沟道在不同栅格单元间快速运动，通过如下两个公式联立求解得到沟道水流流量q，然后逐渐累积得到流域出口的径流过程；

31、

32、式中：a为沟道水流断面面积，q为沟道水流流量；sf为水力坡度，so为沟道坡度；t为时间项，值一般为计算时间间隔；x为空间项，值一般为栅格单元的边长。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该考虑地形影响的水文模型水流沿程再分配方法以影响水流沿程再分配的物理因子为基础，量化了地形对于水流沿程再分配的影响作用，进而提出一种考虑地形影响的分布式水文模型水流沿程再分配方法；既保证了计算结果的精度与可靠性，同时解决了分布式模型中水流经过不同计算栅格单元时沿程再分配问题。且本方法主要应用流域数字高程模型，数据来源稳定可靠，方法中变量之间的函数关系明确，有利于流域中水流沿程再分配的快速自动执行，通过数字流域技术以简化提取步骤，保证了结果的客观合理性，可以进一步促进数字水文学以及分布式模型的深入发展。