一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于耗散‑汇合结构的灌区水循环模型构建方法，包括划分汇水单元、耗散单元，空间计算单元，建立空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系；获取空间计算单元对应的气象信息、土地利用信息、土壤分布信息、水文地质参数信息，结合空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系，构建灌区分布式水循环模型。本发明专利技术解决了现有灌区水循环模型在解决引水分配结构、数量与过程模拟，以及与灌区排水过程、地下水变化耦合的问题，对灌区水资源调控及其循环转化规律的认识更加精细和准确。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法
本专利技术属于农业灌区水资源计算领域，具体涉及一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法。
技术介绍
当前，我国灌溉农田生产了全国粮食总产量的70％、棉花总产量的80％和蔬菜总产量的90％，为粮食生产与供应发挥着重要作用。灌区作为农业生产发展的集中区域，具有较为可靠的水源和引、输、配水渠道系统以及相应排水沟道，根据种植作物生长灌溉需求，人工调配灌溉水量的时空分布，形成了典型的“自然-人工”二元水循环结构。灌区一般分布在平原地区，无论是渠灌区还是井灌区均具有相对较好的水源条件。在渠灌区，普遍修建了干渠、支渠、斗渠、农渠等多级引水渠系，以及干沟、斗沟、支沟、农沟等多级排水沟道；井灌区则根据地下水赋存条件建设灌溉机井，通过灌溉机井抽水满足农田灌溉需求。因此，灌区引水系统的结构、分布，实质上已经形成了一套特征鲜明的水资源耗散体系，即灌溉水源通过各级渠道或灌溉机井输送分散至各灌溉田块，完成水资源由点、线扩散到面的过程。与此同时，灌区往往还有排涝、排盐的需求，进入田块未被消耗的水分通过地表和地下两条路径汇入各级排水沟，再汇流到排水干沟或河湖，流出灌区，形成了类似于河川径流的水资源汇合体系，完成面上水分经点、线集中汇合的过程。因而，如何精细模拟和反映灌区水循环特征与演变规律成为当前面临的难题之一。目前，常见的水文模型(如SWAT模型，VIC模型等)在受人类活动影响较小的流域应用效果较为理想，但是对拥有复杂灌区耗散-汇合特征的引水、排水等水资源人工调控过程的模拟还存在巨大困难，一是难以有效提取灌区引排水及水系特征，二是对人工优化调控及田间管理的定量化描述不够精细。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，该方法能够精细模拟具有典型耗散-汇流结构特征的灌区“自然-人工”二元水循环过程，从而能够更好认识灌区水资源演变规律，为灌区水资源高效利用提供支撑。为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，包括：(1)获取灌区DEM数据和排水系统信息，确定区域汇水路径，划分汇水单元；(2)获取灌区供水系统分布信息，确定区域供水耗散结构，划分耗散单元；(3)划分空间计算单元，建立空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系；(4)获取空间计算单元对应的气象信息、土地利用信息、土壤分布信息、水文地质参数信息，结合空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系，构建灌区分布式水循环模型。进一步地，步骤(1)具体过程为：获取灌区DEM数据信息，基于此数据提取河流水系，并参考实际水系分布进行修正，确定每条河段的汇水范围；在划分的每条河段的汇水范围基础上，基于灌区排水沟道分布，划分每条排水沟段对应的汇水范围，确定新的汇水范围，新的汇水范围为灌区汇水单元。进一步地，步骤(2)具体过程为：在划分的汇水单元基础上，基于灌区的多级引水渠系空间分布信息，划分每条引水渠段对应的供水范围，直至确定最末级渠系对应的灌溉田块，并建立每条引水渠耗散供水范围；在划分的供水单元基础上，基于灌区的地下水开采井的经纬度信息，确定每个供水单元对应的地下水开采井的数量、类型、供水对象与供水量，提取地下水的耗散单元信息。进一步地，构建的灌区水循环模型模拟的过程包括：蒸散发模拟、土壤水模拟、地下水模拟和灌区引-灌-排模拟。本专利技术提供的基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，具有以下有益效果：通过构建灌区农田灌溉水分的耗散结构系统，获取灌溉用水多尺度精细分布信息，同时与水循环的地表-土壤-地下及植被生态全过程进行深度耦合，实现对平原灌区水分循环的一体化模拟，更加客观真实反映平原灌区水分运动、分布及耗散特征，为水资源演变规律、高效利用等提供基础支撑。附图说明图1表示本专利技术基于耗散-汇合结构的平原灌区水循环模型构建方法的主要流程图。图2表示平原灌区地表水平向水资源耗散-汇合特征示意图。图3表示平原灌区地下垂向水资源耗散-汇合特征示意图。图4表示平原灌区水循环转化过程示意图。图5表示平原灌区引水耗散与排水汇合单元示意图。图6表示平原灌区地下水开采井与耗散单元关系示意图。图7表示平原灌区水循环计算单元示意图。图8表示平原灌区汇水单元与耗散单元拓扑关系示意图。图9表示平原灌区单元土地利用信息提取示意图。图10表示平原灌区单元土壤分布信息提取示意图。图11表示平原灌区单元水文地质参数分区示意图。图12表示地表输水渠段水平衡项关系图。具体实施方式本专利技术针对现有的水循环模型在平原区水循环特征刻画不清晰、社会水循环过程与消耗机理描述不准确、自然-人工复合水循环模拟准确性较低等问题，提供一种基于平原区水资源耗散-汇合结构的水循环全过程模拟计算方法，更科学、准确地模拟计算平原区水循环演变过程与水资源消耗、转化特征。本专利技术的思路：根据DEM数据和河网水系信息，确定汇水路径，划分研究区汇水单元，以真实客观地反映区域自然水循环的时空分布特征；依据研究区行政区划、引水渠系、地下开采井等分布信息，划分研究区耗散单元，以真实客观地反映平原灌区人工用水的时空分布特征；叠加构建研究区耗散-汇合单元结构，建立平原灌区水循环耗散-汇合单元的拓扑关系数据库，实现平原灌区自然水循环与人工水循环在结构上的耦合。按照1km×1km或其他适合研究任务的尺度划分地下水计算单元，并作为平原灌区水循环单元的空间范围；建立地下水计算单元与上述耗散、汇合单元之间的拓扑关系，即明确任一地下水单元所在的耗散单元、汇合单元信息，并获取耗散-汇合单元间的拓扑关系，并在垂向构建水分的耗散-汇合结构，实现地表-土壤-地下的一体化模拟计算。最后根据确定的计算单元范围，确定单元对应的气象站，并生成气象数据输入文件；确定单元内各种土地利用分布信息，并生成土地利用数据文件；确定单元内各种土壤类型分布信息，并生成土壤分布与参数数据文件；确定单元对应的水文地质分区信息，并生成单元水文地质参数数据文件，最终构建灌区水循环模型。具体过程包括：(1)获取灌区DEM数据和引水渠系、排水渠系、开采井、河流等基本水源信息，并进行信息矢量化处理，构建灌区水循环要素间的拓扑关系和特征数据库。具体步骤包括：借助ArcGIS软件将灌区引水渠系的总干渠、干渠、支渠、斗渠、农渠等分级信息进行矢量化，并建立各级引水渠系特征数据库，包括渠系编号、类型、级别、长度、坡度、深度、糙率系数等。借助ArcGIS软件将灌区排水渠系的总干沟、干沟、支沟、斗沟、农沟等分级信息进行矢量化，并建立各级排水沟特征数据库，包括排水沟编号、类型、级别、长度、坡度、深度、糙率系数、下游沟段编号等。借助ArcGIS软件将灌区内的河流水系分布进行矢量化，并对河道进行编码，建立河道特征数据库，包括河段编号、长度、坡度、深度、糙率系数、下游河段编号、水库编号、闸坝编号等。借助ArcGIS软件获取灌区内的地下水开采井坐标，并对开采井进行编码，建立地下水开采井特征数据库，包括开采井编号、经度、维度、井深、水源类型、成井日期、水泵功率、井口标高、水位标高、埋深等。(2)根据获取的水源分布信息，确定灌区供水耗散结构和供水范围，划分耗散计算单元。具体步骤包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于耗散‑汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取灌区DEM数据和排水系统信息，确定区域汇水路径，划分汇水单元；(2)获取灌区供水系统分布信息，确定区域供水耗散结构，划分耗散单元；(3)划分灌区空间计算单元，建立空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系；(4)获取空间计算单元对应的气象信息、土地利用信息、土壤分布信息、水文地质参数信息，结合空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系，构建灌区分布式水循环模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取灌区DEM数据和排水系统信息，确定区域汇水路径，划分汇水单元；(2)获取灌区供水系统分布信息，确定区域供水耗散结构，划分耗散单元；(3)划分灌区空间计算单元，建立空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系；(4)获取空间计算单元对应的气象信息、土地利用信息、土壤分布信息、水文地质参数信息，结合空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系，构建灌区分布式水循环模型。2.根据权利要求1所述的基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，步骤(1)具体过程为：获取灌区DEM数据信息，基于此数据提取河流水系，并参考实际水系分布进行修正，确定每条河段的汇水范围；在划分的每条河段的汇水范围基础上，基于灌区排水沟道分布，划分每条排水沟段对应的汇水范围，确定新的汇水范围，新的汇水范围为灌区汇水单元。3.根据权利要求1所述的基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，步骤(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵勇，翟家齐，王建华，李海红，王庆明，朱永楠，王丽珍，何凡，龚家国，姜珊，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11