一种有限元控制的分布式水文模型的建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水文学领域，尤其涉及一种有限元控制的分布式水文模型建模方法。
【背景技术】
[0002] 针对流域降水径流的非线性问题，水文学领域提出了众多分布式水文模型。现有 的分布式水文模型的网格是处理流域降水径流非线性问题的基础，它把流域下垫面变化的 分散和不连续（主要指非渐变和突变）转化成网格内的渐变和连续，以便于用线性方法处 理流域降水径流的非线性问题。
[0003]目前，大多分布式水文模型在进行流域产汇流计算时只考虑流域线性尺度的下限 (即网格足够小），没有考虑线性尺度的上限（即网格足够大）。从微分学的角度看，分布 式水文模型中所设定的网格步长越小，网格内的水文现象越接近线性变化，但是，针对一个 面积较大的流域，网格步长越小，降水径流计算时间就会越长，这在模型参数的率定和赋值 时，参数的变化对计算结果变化表现为很不敏感，使得在有限的资料条件下，很难率定出准 确的模型参数。为了节省计算时间，当模型网格选的过大时，超出了线性尺度，网格内本身 就出现了非线性问题，使得径流模拟难以准确，以至于产汇流计算的结果失真，实际上已经 违背了分布式水文模型的初衷。
[0004] 受人类活动的影响，人类对流域下垫面的改变是持续的和变化的，以至于反应同 一种流域状态的降水径流资料很有限，常规的分布式水文模型很难选择适合的模型参数适 应这样的变化，在这种条件下有效的模拟流域降水径流过程是非常困难的，预报结果也无 法满足模型精度的要求。
[0005] 现有设计的水文模型不能灵活调整从而使得参数率定复杂、计算时间长且不能有 效应对下垫面变化对流域产汇流的影响。
[0006] 因此，如何设计一种参数率定容易、计算时间短，可以有效应对下垫面变化对流域 产汇流影响的分布式水文模型是业界亟需解决的课题。
【发明内容】
[0007] 本发明实施例的目的在于提供一种有限元控制的分布式水文模型的建模方法旨 在解决同有技术不能有效应对下垫面变化对流域产汇流影响且参数率定困难和计算时间 长的问题。
[0008] 本发明提供一种有限元控制的分布式水文模型的建模方法，其包括步骤：
[0009] 将流域进行有限元划分，生成流域内的有限元分布；
[0010] 根据所述划分的有限元生成有限元模型；
[0011] 根据所述有限元模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型。
[0012] 优选地，所述有限元划分是依据流域下垫面属性及雨量站控制密度进行的，每个 有限元内具有相同或近似的下垫面属性，其中，一个有限元通过一个雨量站进行控制，一个 雨量站控制不同属性的有限元，有限元面积集合等于流域面积。
[0013] 优选地，所述的有限元划分是依据流域河网结构进行的，根据流域河网汇流特性 按河流分叉划分汇流节点，其中，当流域河网汇流出现多级分叉时对应划分出多级节点，在 汇流节点以上，根据流域下垫面属性及雨量站控制划分有限元，各有限元通过河网组成流 域有限元分布。
[0014] 优选地，所述第一水文模型是物理水文模型，利用三水源计算产流且利用线性水 库计算坡面汇流，每个有限元具有单一的下垫面属性，有限元生成的有限元模型有着独立 而特定的模型参数，其中：
[0015] 水面有限元蒸散发折算系数K取0. 8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为1，深 层散发系数C为0,流域平均张力水容量WM为0_，上层张力水容量WUM为0_，下层张力水 容量WLM为0mm，不透水面积比例为1，流域平均自由水容量SM为0mm，流域自由水容量分布 曲线指数为1 ;
[0016] 丘陵有限元蒸散发折算系数K取0. 8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为0. 33， 深层散发系数C为0· 15,流域平均张力水容量丽取160-200mm，上层张力水容量WUM取 15-25_，下层张力水容量WLM取60-100_，不透水面积比例为0. 01，流域平均自由水容量 SM为40-70mm，流域自由水容量分布曲线指数为1 ;
[0017] 山地有限元蒸散发折算系数K取0. 8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为0. 33， 深层散发系数C为0· 15,流域平均张力水容量丽取180-220mm，上层张力水容量WUM取 15-35_，下层张力水容量WLM取60-100_，不透水面积比例为0. 01，流域平均自由水容量 SM为40-60mm，流域自由水容量分布曲线指数为1 ;
[0018] 平原有限元蒸散发折算系数K取0. 8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为0. 33， 深层散发系数C为0· 15,流域平均张力水容量丽取140-180mm，上层张力水容量WUM取 15-25_，下层张力水容量WLM取60-100_，不透水面积比例为0. 01，流域平均自由水容量 SM为45-75mm，流域自由水容量分布曲线指数为1 ;
[0019] 农田有限元蒸散发折算系数K取0.8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为0.33， 深层散发系数C为0· 15,流域平均张力水容量丽取190-230mm，上层张力水容量WUM取 30-50mm，下层张力水容量WLM取80-120mm，不透水面积比例为0. 01，流域平均自由水容量 SM为55-85mm，流域自由水容量分布曲线指数为1 ;
[0020] 森林有限元蒸散发折算系数K取0. 8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为0. 33， 深层散发系数C为0· 15,流域平均张力水容量丽取180-220mm，上层张力水容量WUM取 20-40_，下层张力水容量WLM取60-100_，不透水面积比例为0. 01，流域平均自由水容量 SM为50-70mm，流域自由水容量分布曲线指数为1 ;
[0021] 草地有限元蒸散发折算系数K取0. 8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为0. 33， 深层散发系数C为0· 15,流域平均张力水容量丽取180-220mm，上层张力水容量WUM取 20-40_，下层张力水容量WLM取60-100_，不透水面积比例为0. 01，流域平均自由水容量 SM为45-75mm，流域自由水容量分布曲线指数为1 ;
[0022] 城镇有限元蒸散发折算系数K取0. 8-0. 9,流域蓄水容量分布曲线指数B为0. 33， 深层散发系数C为0· 15,流域平均张力水容量丽取120-180mm，上层张力水容量WUM取 10-20mm，下层张力水容量WLM取55-85mm，不透水面积比例为0· 4-0. 6,流域平均自由水容 量SM为35-55mm，流域自由水容量分布曲线指数为1。
[0023] 优选地，所述有限元模型通过河网汇流生成有限元控制的分布式水文模型，模型 输出成果为流域出口的径流过程及水位过程，河网汇流利用线性水库或马斯京干法调节 演算。
[0024] 优选地，所述流域有限元分布是可变动的，当流域下垫面的属性发生变化或流域 的降水站控制密度发生改变时，可调整流域的有限元分布，有限元控制的分布式水文模型 则根据新的流域内的有限元分布进行组合，其中，各类有限元模型的参数不变，调整后的有 限元面积集合不变。
[0025] 优选地，所述有限元模型中的流域蓄水能力参数是可变动的，当人类活动改变了 下垫面的持水能力时，通过地下水埋深与蓄水容量关系对应修正有限元模型的蓄水容量参 数。
[0026] 优选地，所述有限元分布的调整是通过有限元分布控制开关实现的。
[0027] 优选地，所述的有限元模型参数的变动是通过有限元模型控制开关实现的。
[0028] 优选地，所述地下水埋深与蓄水容量的关系是通过流域内有限元的地下水代表站 与不同地下水埋深的有限元模型建立的，且每个有限元模型都具有对应的蓄水容量参数， 地下水埋深与蓄水容量关系参数如下：
[0029] 平原地区流域平均张力水容量WM为150mm时，地下水埋深I. 4-2m ;WM为160mm时， 地下水埋深2-2. 5m ;WM为180mm时，地下水埋深2. 5-6m ;WM为200mm时，地下水埋深