一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法技术

本发明专利技术公开一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法，步骤包括：获取待计算时段的降水、气温与蒸发数据；利用历史气象水文资料建立3条产流空间不均匀性曲线，即积雪面积衰减曲线、蒸发面积分配曲线和张力水蓄水容量曲线；建立根据土壤冻结状态确定的蓄满‑超渗组合产流计算机制，从而基于待计算时段的降水、气温与蒸发数据，和3条产流空间不均匀性曲线，利用蓄满‑超渗组合产流计算机制，计算得到待计算时刻的流域雨雪混合产流量。本发明专利技术可解决高寒山区流域雨雪混合产流计算难题，降低分布式水文模型中产流计算对下垫面资料的依赖程度。

A method for calculating runoff yield in a cold mountain basin

The invention discloses a method for calculating rainfall-snow mixed runoff yield in alpine mountain watershed, which comprises the following steps: obtaining precipitation, temperature and evaporation data in the period to be calculated; establishing three spatial inhomogeneity curves of runoff yield by using historical meteorological and hydrological data, namely, snow area attenuation curve, evaporation area distribution curve and tension water storage capacity curve. Based on the data of precipitation, temperature and evaporation, and three spatial inhomogeneity curves of runoff yield, the mixed runoff yield of rain and snow in the river basin at the time to be calculated can be calculated by using the combined runoff yield computer mechanism of full and super-infiltration. The invention can solve the difficult problem of rainfall-snow mixed runoff generation calculation in alpine mountain watershed and reduce the dependence of runoff generation calculation on underlying surface data in distributed hydrological model.

【技术实现步骤摘要】
一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法
本专利技术涉及流域水文预报
，特别是一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法。
技术介绍
应用分布式水文模型是进行流域水文过程模拟和预报的重要工具。高寒区水文气象及下垫面条件具有显著的垂向变异性，气温的季节/昼夜变化引起冰雪、土壤冻融过程交织循环，形成极其复杂的水文过程。为此，在构建高寒山区分布式水文模型时，需要建立一种能表征土壤冻融过程、能适应高寒山区资料条件的产流计算方法。目前，在高寒山区流域进行产流计算的分布式水文模型众多，如SWAT、VIC和TOPKAPI等。但是值得注意的是这些模型缺乏对土壤冻融转换中产流模式变化的考虑，高寒山区下垫面资料的匮乏也进一步限制了模型计算精度。名词解释新安江流域水文模型，基本原理为：把全流域分为许多块单元流域，对每个单元流域作产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程，再进行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量过程；把每个单元流域的出流过程相加，得到流域的总出流过程。SWAT分布式水文模型，基本原理为：将全流域分为若干个水文响应单元，对每个水文响应单元作产流和坡面汇流计算，得出水文响应单元的水、沙、营养物质和化学物质等向主河道的输入过程，再进行河道汇流计算，求得水、沙、营养物质和化学物质等从河网向流域出口的输移过程。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法，通过建立蓄满-超渗组合产流机制以及3条产流空间不均匀性曲线(积雪面积衰减曲线、蒸发面积分配曲线、张力水蓄水容量曲线)，解决高寒山区流域雨雪混合产流计算难题，降低分布式水文模型中产流计算对下垫面资料的依赖程度。本专利技术采取的技术方案为：一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法，包括：S1，获取待计算时段的流域降水、气温与蒸发数据，基于获取到的数据计算流域降雨量和降雪量；S2，建立流域内积雪覆盖率与积雪场水当量和积雪全覆盖时水当量三者之间的统计关系函数，即积雪面积衰减曲线；S3，建立表征流域蒸发的空间不均匀性的蒸发面积分配曲线；S4，根据地表土壤温度与气温之间的关系，判断待计算时段土壤是否处于冻结状态；S5，基于积雪面积衰减曲线和蒸发面积分配曲线，根据S4的判断结果计算雨雪混合产流量：在土壤处于冻结状态时，利用超渗产流机制计算雨雪混合产流量X；在土壤处于未冻结状态时，利用新安江水文模型中张力水蓄水容量曲线表征张力水蓄水容量在空间尺度上的不均匀性，根据蓄满产流机制计算雨雪混合产流量Y。本专利技术中积雪面积衰减曲线、蒸发面积分配曲线和张力水蓄水容量曲线中的曲线参数，以及土壤温度与气温之间的关系参数，可基于历史气象水文资料，采用参数率定方法选取并确定。历史气象水文资料包括已记录的历史降水、气温、产流量、蒸发等各曲线变量相关数据。优选的，S1中，基于待计算时段的流域降水与气温数据，采用气温阈值法进行固液态降水分离，进而计算降雨量和降雪量。即设置一个固液态区分的气温阈值，将气温阈值以上的降水数据视作降水数据，气温阈值以下的降水数据视作降雪数据，即可得到流域各时段的降雨量和降雪量。气温阈值可设置为0摄氏度。若S1获取的流域降水、气温与蒸发数据是历史实测数据，则最终计算得到产流量是历史模拟值；若S1获取的流域降水、气温与蒸发数据是未来预报数据，则最终计算得到产流量是未来预报值。优选的，S2基于SWAT分布式水文模型中积雪面积衰减曲线，得到流域内积雪覆盖率为：式(1)中，C1和C2为曲线形状参数，Scov为积雪覆盖率，S100％为积雪将流域100％覆盖时的水当量，St为时段t的流域积雪场水当量，且：St＝Ps,t+St-1′(2)式(2)中，Ps,t为第t个时段的降雪量，St-1′为第t-1个时段的剩余积雪场水当量。积雪面积衰减曲线的曲线形状参数C1和C2，基于历史气象水文数据，采用参数率定方法选取确定。优选的，S3建立的蒸发面积分配曲线为：式(3)中，F(Ei)为流域内任一点i的蒸发能力Ei在空间尺度上的概率分布，Emm为空间内单点最大蒸发能力，Emm＝k1·Ew，Ew为S1已获取的相应点的蒸发数据，k1为蒸发能力空间转换系数；流域平均蒸发能力为：λ为反映蒸发空间不均匀性的指数，则流域实际蒸发量为：Ea＝k2·Em，其中k2为蒸发折算系数。上述参数λ、k1和k2分别可利用历史气象水文数据，采用参数率定方法选取确定。Ew是可以实测的历史数值(实测的蒸发皿蒸发量)，或者是未来预测的蒸发量数据(计算得到的潜在蒸发能力)。优选的，S4中，判断土壤是否处于冻结状态包括步骤：S41，建立地表土壤温度Ts与气温Ta之间的线性统计关系为：Ts＝a·Ta+b(4)式(4)中，a和b为系数；S42，利用式(4)计算得到待计算时段的土壤温度值Ts,i；S43，定义土壤冻结阈值Ts,base，将S42计算得到的待计算时刻土壤温度值Ts,i与土壤冻结阈值Ts,base进行比较：若Ts,i≤Ts,base，则土壤处于冻结状态；若Ts,i＞Ts,base，则土壤处于未冻结状态。上述地表土壤温度Ts与气温Ta之间的线性统计关系中的系数a和b，利用历史气象水文数据中的地表土壤温度数据和气温数据，采用参数率定方法选取确定。优选的，S5中，在土壤处于冻结状态时，利用超渗产流机制计算雨雪混合产流量X为：X＝I-Ea(5)式(5)中，I为时段净水量，且时段t的净水量It＝Pr,t+Mt，Pr,t为时段t的降雨量，Mt为时段t的融雪水量。优选的，所述时段t的融雪水量Mt的计算包括步骤：S511，采用度日因子法计算时段t的潜在融雪能力Mt,max：Mt,max＝DDF·Scov·(Ta,t-Tmelt)(6)式(6)中，DDF为度日因子，Tmelt为积雪融化温度，Ta,t为时段t的气温；S512，将求得的潜在融雪能力Mt,max与积雪场水当量St进行比较：若Mt,max≤St，则融雪水量Mt＝Mt,max；若Mt,max＞St，则融雪水量Mt＝St；则时段t的剩余积雪场水当量为：S′t＝St-Mt。上述度日因子DDF的确定亦可利用历史气象水文资料采用参数率定方法选取确定。优选的，S5中，在土壤处于未冻结状态时，雨雪混合产流量X的计算步骤为：S521，基于新安江水文模型中张力水蓄水容量曲线，得到曲线中各时段土壤含水量W对应的曲线纵坐标蓄水容量值A：式(7)中，WMM＝WM·(1+B)为流域单点最大蓄水量，WM为流域平均蓄水容量，；S522，根据蓄满产流机制计算雨雪混合产流量Y为：上述新安江水文模型中张力水蓄水容量曲线中的蓄水容量曲线指数B，可利用历史气象水文数据中的流域蓄水量相关数据，采用参数率定方法选取确定。有益效果本专利技术通过建立蓄满-超渗组合产流计算机制，以及3条产流空间不均匀性曲线(积雪面积衰减曲线、蒸发面积分配曲线、张力水蓄水容量曲线)，并由此计算流域网格上的蓄满产流量或超渗产流量，可解决高寒山区流域雨雪混合产流计算难题，降低分布式水文模型中产流计算对下垫面资料的依赖程度，具有较强的工程意义。附图说明图1所示为本专利技术一种具体实施例的方法流程示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例进一步描述。参考图1，本专利技术的高寒山区流域雨雪混合产流计算方法，包括：S1，获取待计算时段的流域降水、气温与蒸发数据，基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法，其特征是，包括：S1，获取待计算时段的流域降水、气温与蒸发数据，基于获取到的数据计算流域降雨量和降雪量；S2，建立流域内积雪覆盖率与积雪场水当量和积雪全覆盖时水当量三者之间的统计关系函数，即积雪面积衰减曲线；S3，建立表征流域蒸发的空间不均匀性的蒸发面积分配曲线；S4，根据地表土壤温度与气温之间的关系，判断待计算时段土壤是否处于冻结状态；S5，基于积雪面积衰减曲线和蒸发面积分配曲线，根据S4的判断结果计算雨雪混合产流量：在土壤处于冻结状态时，利用超渗产流机制计算雨雪混合产流量X；在土壤处于未冻结状态时，利用新安江水文模型中张力水蓄水容量曲线表征张力水蓄水容量在空间尺度上的不均匀性，根据蓄满产流机制计算雨雪混合产流量Y。

【技术特征摘要】
1.一种高寒山区流域雨雪混合产流计算方法，其特征是，包括：S1，获取待计算时段的流域降水、气温与蒸发数据，基于获取到的数据计算流域降雨量和降雪量；S2，建立流域内积雪覆盖率与积雪场水当量和积雪全覆盖时水当量三者之间的统计关系函数，即积雪面积衰减曲线；S3，建立表征流域蒸发的空间不均匀性的蒸发面积分配曲线；S4，根据地表土壤温度与气温之间的关系，判断待计算时段土壤是否处于冻结状态；S5，基于积雪面积衰减曲线和蒸发面积分配曲线，根据S4的判断结果计算雨雪混合产流量：在土壤处于冻结状态时，利用超渗产流机制计算雨雪混合产流量X；在土壤处于未冻结状态时，利用新安江水文模型中张力水蓄水容量曲线表征张力水蓄水容量在空间尺度上的不均匀性，根据蓄满产流机制计算雨雪混合产流量Y。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S1中，基于流域降水与气温历史数据，采用气温阈值法进行固液态降水分离，进而计算降雨量和降雪量。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S2基于SWAT分布式水文模型中积雪面积衰减曲线，得到流域内积雪覆盖率为：式(1)中，C1和C2为曲线形状参数，Scov为积雪覆盖率，S100％为积雪将流域100％覆盖时的水当量，St为时段t的流域积雪场水当量，且：St＝Ps,t+St-1′(2)式(2)中，Ps,t为第t个时段的降雪量，St-1′为第t-1个时段的剩余积雪场水当量。4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S3建立的蒸发面积分配曲线为：式(3)中，F(Ei)为流域内任一点i的蒸发能力Ei在空间尺度上的概率分布，Emm为空间内单点最大蒸发能力，Emm＝k1·Ew，Ew为S1已获取的相应点的蒸发数据，k1为蒸发能力空间转换系数；流域平均蒸发能力为：λ为反映蒸发空间不均匀性的指数；则流域实际蒸发量为：Ea＝k2·Em，其中k2为蒸发折算系数。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李彬权，梁忠民，王军，胡义明，刘甜，黄华平，黄一昕，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32