一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型制造技术

一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型，属于水文水资源研究领域。该模型通过在HBV产流模型中添加冰川模块得到改进后的产流模型，将改进后的产流模型应用于所研究流域的每个网格单元，得到流域每个网格单元的水文要素模拟值，并利用基于线性传递函数的汇流模型将流域每个网格单元的径流模拟值汇集到整个流域的出口得到整个流域的径流预估值。本发明专利技术中的水文模型可以在缺资料地区/流域进行径流模拟并获得流域内部各状态变量的模拟值，为实现气候变化对流域内部各水文要素的不同影响的研究提供技术支持，从而可以更好地指导流域可持续发展和水资源管理。

A new hydrological model based on grid watershed and classification calibration

【技术实现步骤摘要】
一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型
本专利技术涉及水文水资源研究领域，具体而言，涉及一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型。
技术介绍
自20世纪以来，全球气候变暖已成为了不争的事实。据IPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange)第五次研究报告指出，1880—2012年这一百多年间，全球海洋和陆地的表面平均温度呈线性上升趋势，共计上升了0.85℃。全球气候变暖会影响全球范围内的降水、温度等环境因素，改变水资源在时空上的分配，导致了区域/流域尺度范围内的水文循环受到显著影响，高纬度地区/流域和高山寒区所受到的影响尤为显著。而通过运用水文模型，能有效地模拟一个流域内径流的形成规律，这使得水文模型逐渐成为研究气候变化下水文响应的重要途径。然而，用于研究流域径流形成规律的水文模型需要气候因子等数据的驱动。我国西南青藏高原地区是我国许多大江大河的发源地，如长江、黄河、雅鲁藏布江等，但由于当地极其恶劣的自然条件，鲜有人至，导致了我国西南寒区内用于气候监测的站点极其稀少，这极大地限制了需要较多气候数据驱动的分布式水文模型在西南寒区流域的应用。而集总式产流模型具有所需的气候驱动数据少，模拟精度高以及对各种复杂气候条件下的水文响应模拟有较好的适应性等优点而被广泛应用于缺资料地区/流域的径流模拟。但集总式产流模型仅能模拟整个流域的径流情况而无法反映流域内部的状态变量(如径流、积雪的空间分布等)，这对进一步研究气候变化对流域内各水文要素(如冰川、积雪等)的不同影响极为不利。r>
技术实现思路
有鉴于现有技术中的不足，本专利技术提出了一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型，该模型兼具有分布式水文模型与集总式HBV产流模型的优点，可以在缺资料地区/流域进行径流模拟并获得流域内部各状态变量的模拟值，为实现气候变化对流域内部各水文要素的不同影响的研究提供技术支持，以便尽早地对冰川、积雪等因受气候变化的影响而造成的自然灾害做出可预见性的应对措施，并为实现流域可持续发展和水资源管理提供理论依据。本专利技术采用如下方案实现：一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型，包括产流计算和汇流计算两个主模块，所述的产流计算主模块是在HBV产流模型中添加冰川模块后得到的改进的产流模型，所述的汇流计算主模块是采用基于线性传递函数的汇流模型实现；所述的水文模型将所研究的流域划分成若干大小相同的网格单元，根据每个网格单元内的土地利用情况和土壤类型，将网格单元划分成若干组别，将所述的改进后的产流模型应用于每个网格单元，同一组别内的网格单元的产流模型参数设定为相同，得到每个网格单元的水文要素模拟值，并利用汇流模型将获得的每个网格单元的径流模拟值汇集到整个流域的出口得到整个流域的径流预估值。上述技术方案中，进一步的，所述的改进的产流模型，具体如下：在HBV产流模型中添加基于度日因子法的冰川模块，假定当网格单元中的积雪全部消融之后冰川才开始消融，且冰川融水量与温度成正比：式中，Gm(t)为冰川融水量，单位为mm；S为积雪量，单位为mm；GCFMAX为冰川融水度日因子，单位为mm/℃；T(t)为日/月气温，单位为℃；TT为冰川消融临界温度，单位为℃。进一步的，所述的基于线性传递函数的汇流模型包括用于每个网格单元的产流到达网格单元出口的汇集时间计算以及河网汇流计算，均通过实测径流量和降水数据导出的线性传递函数模型表示，该模型假设径流运输过程是线性且时不变，并且径流的单位线函数是非负的：①采用如下的线性函数将地表径流与基流相分离，计算每个网格单元内的产流到达该网格单元出口的汇集时间：式中，QS(t)是基流量，QF(t)是地表径流量；总径流量Q(t)满足以下关系式：Q(t)＝QS(t)+QF(t)其中，参数k和b假设在每个网格单元内是常数；地表径流和基流满足以下关系式：假设实测径流量与最终转化为径流的那部分降水即有效降水量Peff之间存在线性关系，则根据地表径流与基流之间的关系式，可以找到地表径流QF与有效降水量Peff之间的单位线函数，该单位线函数和有效降水量Peff可以通过迭代求解以下等式来得到：式中，UHF(τ)是地表径流的单位线函数，tmax是地表径流衰减的最长时间；网格单元的单位线函数可以通过流域的单位线函数和流域的河网单位线函数的反卷积来获得。②运用线性圣维南方程进行河网汇流：其中，C是波速，单位为m/s，D是水力扩散系数，单位为m2/s，C和D根据每个网格单元进行率定。进一步的，该模型预测时包括如下步骤：步骤一、获取地面观测数据：选择水文要素可控制的闭合流域，且流域出口断面有长期观测径流；流域内部或周边有长期气象观测资料，并有多期的土地利用调查数据，时间序列资料经过可靠性和一致性检验，将长时间序列的水文气象观测资料划分为率定期和验证期；步骤二、流域网格化：根据所需设定的网格单元的大小和研究流域的边界将所研究流域划分成若干个大小相同的网格单元；同时利用空间插值法制备每个网格单元的气象驱动数据；步骤三、网格单元的分类及每个网格单元内产流模型的应用：根据每个网格单元内的土地利用情况和土壤类型，将网格单元划分成若干组别，将改进的产流模型应用于每个网格单元；步骤四、基于分类的水文模型参数率定：事先随机生成若干组参数，对于同一组别的网格单元设定为相同的一组参数，分别代入改进的产流模型中，应用改进的产流模型在每个网格单元中模拟得到若干组每个网格单元的水文要素模拟值，包括产流量、积雪量；采用基于线性传递函数的汇流模型将流域每个网格单元的日/月产流量汇集到流域出口得到整个流域的日/月径流量；之后将模型模拟得到的若干组流域出口径流值和流域内部水文要素分别与流域出口断面径流实测值以及流域内部水文要素的实测值根据评价指标进行评价，优选出最佳参数组；步骤五、水文模型的验证：将步骤四中优选得到的最佳参数组代入水文模型中，用验证期的气象数据驱动水文模型模拟得到验证期的径流模拟值，并将其与流域出口断面径流实测值根据与率定期相同的评价指标进行评价以验证水文模型的可靠性。更进一步的，所述的评价指标包括：Nash-Sutcliffe效率系数：相对误差：式中：Qs为模拟日/月流量，单位为m3/s或其它水文要素；Q0为实测日/月流量，单位为m3/s或其它水文要素；为实测日/月流量的平均值，单位为m3/s或其它水文要素；t为时间，单位为天/月；N为总的时长，单位为天/月。本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术通过将流域划分成相同大小的网格单元，在每一个网格单元内用一组产流模型参数反映该网格单元的水文特性并得到各水文要素的模拟值，利用汇流模块将每个网格单元的产流汇集到流域出口得到整个流域最终的径流模拟值，从而实现模拟大尺度缺资料地区/流域水文响应特性的目的。此外本专利技术中采用的产流模型还新添加有冰川模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型，其特征在于，包括产流计算和汇流计算两个主模块，所述的产流计算主模块是在HBV产流模型中添加冰川模块后得到的改进的产流模型，所述的汇流计算主模块是采用基于线性传递函数的汇流模型实现；所述的水文模型将所研究的流域划分成若干大小相同的网格单元，根据每个网格单元内的土地利用情况和土壤类型，将网格单元划分成若干组别，将所述的改进后的产流模型应用于每个网格单元，同一组别内的网格单元的产流模型参数设定为相同，得到每个网格单元的水文要素模拟值，并利用汇流模型将获得的每个网格单元的径流模拟值汇集到整个流域的出口得到整个流域的径流预估值。/n

【技术特征摘要】
1.一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型，其特征在于，包括产流计算和汇流计算两个主模块，所述的产流计算主模块是在HBV产流模型中添加冰川模块后得到的改进的产流模型，所述的汇流计算主模块是采用基于线性传递函数的汇流模型实现；所述的水文模型将所研究的流域划分成若干大小相同的网格单元，根据每个网格单元内的土地利用情况和土壤类型，将网格单元划分成若干组别，将所述的改进后的产流模型应用于每个网格单元，同一组别内的网格单元的产流模型参数设定为相同，得到每个网格单元的水文要素模拟值，并利用汇流模型将获得的每个网格单元的径流模拟值汇集到整个流域的出口得到整个流域的径流预估值。


2.根据权利要求1所述的一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型，其特征在于，所述的改进的产流模型，具体如下：
在HBV产流模型中添加基于度日因子法的冰川模块，假定当网格单元中的积雪全部消融之后冰川才开始消融，且冰川融水量与温度成正比：



式中，Gm(t)为冰川融水量，单位为mm；S为积雪量，单位为mm；GCFMAX为冰川融水度日因子，单位为mm/℃；T(t)为日/月气温，单位为℃；TT为冰川消融临界温度，单位为℃。


3.根据权利要求1所述的一种新的基于网格化流域和分类率定的水文模型，其特征在于，所述的基于线性传递函数的汇流模型包括用于每个网格单元的产流到达网格单元出口的汇集时间计算以及河网汇流计算，均通过实测径流量和降水数据导出的线性传递函数模型表示，该模型假设径流运输过程是线性且时不变，并且径流的单位线函数是非负的：
①采用如下的线性函数将地表径流与基流相分离，计算每个网格单元内的产流到达该网格单元出口的汇集时间：



式中，QS(t)是基流量，QF(t)是地表径流量；
总径流量Q(t)满足以下关系式：
Q(t)＝QS(t)+QF(t)
其中，参数k和b假设在每个网格单元内是常数；
地表径流和基流满足以下关系式：



假设实测径流量与最终转化为径流的那部分降水即有效降水量Peff之间存在线性关系，则根据地表径流与基流之间的关系式，可以找到地表径流QF与有效降水量Peff之间的单位线函数，该单位线函数和有效降水量Peff可以通过迭代求解以下等式来得到：



式中，UHF(τ)是地表径流的单位线函数，tmax是地表径流衰减的最长时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：何柯琪，许月萍，高超，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33