一种基于地貌单位线的水文模型制造技术

本发明专利技术公开了一种基于地貌单位线的水文模型，步骤为：根据降水与归一化植被指数(NDVI)数据计算冠层截留量；根据一个蓄满超渗综合产流模式计算地表与地下水补给量；根据地表产流量与DEM数据计算地貌单位线，以计算地表径流量；根据地下水补给量与地下线性水库计算地下径流量；以地表和地下径流之和作为流域出流。本发明专利技术能够很好地模拟流域洪水过程，参数确定方法简单明确，输入数据来源稳定可靠，对无资料和缺资料地区开展洪水预报预警研究有着积极作用。

A hydrological model based on geomorphic unit hydrograph

【技术实现步骤摘要】
一种基于地貌单位线的水文模型
本专利技术属于水文预报
，特别涉及一种基于地貌单位线的水文模型。
技术介绍
在山洪问题的防治工作中，山区小流域暴雨洪水分析计算是非常重要的非工程措施之一。由于山洪产生过程的复杂性、山区流域特征的复杂性以及短历时强降雨的不确定性等因素，再加上山区流域的实测水文资料较少，造成山洪过程分析计算具有很高的难度。水文模型作为描述流域降雨径流形成过程的重要方式，也是研究山洪问题的最常用的手段之一。但是随着对降雨径流过程中的各种水文现象的认识不断加深，已有的水文模型的缺陷和不合理性也逐渐被揭露，如模型参数太多、模型结构过于经验化、模型可移用性较差，同时已有水文模型的应用一般需要实测的洪水数据来率定相关的模型参数。虽然山区流域的实测水文资料较少，但是随着科学技术的发展，尤其是遥感与信息技术的发展，可以比较容易地获取数字高程模型(DEM)、植被覆盖、植被指数(NDVI)、土壤数据等下垫面信息。充分利用这些数据来构建水文模型，准确的描述流域降雨径流形成过程，将会是解决无水文资料或缺乏水文资料地区山洪问题的重要手段之一。降雨径流过程通常分为产流和汇流两个阶段，其中产流包括截留、下渗、蒸散发等环节，汇流则包括坡面汇流、地下水汇流、洪水波运动等环节。截留量的多少对流域水量平衡计算有着重要影响，而植被截留能力则是截留过程中最重要的参数，Hoyningen-Huene与Gomez等人建立了叶面积指数与植被截留能力的转换方程，而叶面积指数可以直接利用植被指数计算。一般水文模型的产流可分为蓄满产流、超渗产流与混合产流(即既考虑蓄满又考虑超渗)模式3种模式。蓄满产流假定只有流域土壤达到田间持水量时才会产流，超渗产流则假定只有在降雨强度超过流域下渗能里时才会产流。这两种产流模式都具有局限性，而混合产流模式则是考虑了流域的下渗能力和土壤蓄水能力，能够较好的描述流域产流过程。山区流域的坡面汇流过程极大地受控于流域地形特征。Rodriguez-Iturbe、Gupta等人最早提出了地貌瞬时单位线(GIUH)理论并探讨了河流地貌形态对流域汇流的影响，从而为无资料或缺资料区的汇流计算提供了一种可行的解决办法，例如基于霍顿-斯特拉勒河道分级法建立的地貌瞬时单位线。线性水库演算法考虑了水量平衡方程和线性水库的蓄泄关系，能够较好的模拟地下径流的汇流过程。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于地貌单位线的水文模型，能够很好地模拟流域洪水过程，参数确定方法简单明确，输入数据来源稳定可靠，对无资料和缺资料地区开展洪水预报预警研究有着积极作用。技术方案：为实现上述目的，本专利技术提供一种基于地貌单位线的水文模型，包括如下步骤：第一步，根据降水实测数据与遥感观测NDVI数据计算冠层截留量；第二步，根据降水扣除截留量与一个简单的蓄满超渗综合产流模式计算地表与地下水补给量；第三步，根据地表产流量与DEM数据计算的地貌单位线来计算地表径流量，根据地下水补给量与地下线性水库来计算地下径流量，汇总地表和地下径流成为流域出流；第四步，根据历史洪水数据利用粒子群优化算法(PSO)率定。第一步根据降水与NDVI数据计算冠层截留量包含以下步骤：模型以降水、蒸发皿蒸发量与NDVI数据作为模型输入，通过归一化植被指数(NDVI)来计算叶面积指数(LAI)，然后利用叶面积指数计算冠层持水能力，降水受到下垫面植被的截留作用，首先补充冠层持水量，当冠层持水量达到冠层持水能力时，降水扣除冠层截留量作为下一步产流过程计算的输入，冠层截留水量以蒸发的形式消耗，公式如下：LAI＝9.7686*NDVI-1.9528公式(1)Imax＝0.490*LAI+1.184公式(2)Ps＝max(P-Imax-It-1,0)公式(3)Ep＝ETpan*Ke公式(4)Ei＝min(It,Ep)公式(5)其中，NDVI为归一化植被指数，LAI为叶面积指数，P为降水量(mm)，Ps为降水扣除冠层截留量(mm)，Imax为冠层持水能力(mm)，It为当前计算时段冠层截留量(mm)，It-1为上一时段经由蒸发消耗剩余的截留量(mm)，ETpan为蒸发皿蒸发量(mm)，Ke为蒸发皿蒸发折算系数，Ep蒸发皿折算的实际蒸发量(mm)。第二步根据降水扣除截留量与一个简单的蓄满超渗综合产流模式计算地表与地下产流量包含以下步骤：首先跟据土壤数据(包括流域内主要土壤类型、各类型土壤的厚度、沙粒含量、黏粒含量、砾石含量、有机碳含量、土壤含盐量)由以下公式计算获得各类型土壤饱和含水量：式中，SD为土壤的厚度(mm)，S为沙粒含量(％)，C为黏粒含量(％)，R为砾石含量(体积％)，OC为有机碳含量(％)，ECE为土壤含盐量(dS/m)，OM为有机质含量(％)，θ33为33千帕时的土壤湿度，θ(S-33)为0-33千帕时的土壤湿度，SAT为饱和土壤含水量。然后根据各类型土壤数据在流域类的面积比例，然后乘以各类型土壤饱和含水量获得流域平均土壤饱和含水量。假设降水扣除冠层截留量之后，水分在时段内均匀到达地面，超过流域平均下渗能力的部分形成超渗产流，其余部分入渗成为土壤含水量，而当水分到达地面的强度小于流域平均下渗能力，但土壤含水量水量达到饱和土壤含水量时，则这部分水量则溢出地面形成蓄满产流，超渗产流与蓄满产流共同组成了地表产流，土壤含水量一部分通过土壤蒸发的形式消耗，一部分作为地下水补给量补给到地下水库中，具体计算公式如下：式中，SMt-1为上一时段末的土壤含水量(mm)，SMtmp为本时段中土壤含水量(mm)，SMt为本时段末土壤含水量(mm)，Pis为本时段渗入土壤的水量(mm)，Ps为降水扣除冠层截留量(mm)，IC为流域平均下渗能力(mm)，Es为土壤蒸发量(mm)，Ep蒸发皿折算的实际蒸发量(mm)，Ei为截留量蒸发量(mm)，Rs为地表产流量(mm)，Rg为地下水补给量，Kg地下水补给系数。第三步根据地表产流量与DEM数据计算的地貌单位线来计算地表径流量，根据地下水补给量与地下线性水库来计算地下径流量，汇总地表和地下径流成为流域出流包含以下步骤：首先利用DEM数据来计算地貌单位线参数，采用D8算法计算流向，并生成相应的汇流累计量文件，然后生成河网，根据河网数据生成霍顿河流参数，包括面积比(RA)河数比(RB)，河长比(RL)，最高级河流长度(LΩ)。对于地表产流，通过传统地貌瞬时单位线计算地表汇流，计算公式如下：其中：RA为包括面积比，RB为河数比，RL为河长比，LΩ为最高级河流长度，v是流速，Г(x)为Gamma函数，t为时间，RA为面积比。然后对地貌瞬时单位线积分获得S(t)曲线，根据S(t)曲线计算时段单位线u(Δt,t)，通过地表产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于地貌单位线的水文模型，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)根据降水实测数据与遥感观测NDVI数据计算冠层截留量；/n(2)根据降水扣除截留量与一个简单的蓄满超渗综合产流模式计算地表与地下水补给量；/n(3)根据地表产流量与DEM数据计算的地貌单位线来计算地表径流量，根据地下水补给量与地下线性水库来计算地下径流量，汇总地表和地下径流成为流域出流；/n(4)根据历史洪水数据利用粒子群优化算法PSO率定。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于地貌单位线的水文模型，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据降水实测数据与遥感观测NDVI数据计算冠层截留量；
(2)根据降水扣除截留量与一个简单的蓄满超渗综合产流模式计算地表与地下水补给量；
(3)根据地表产流量与DEM数据计算的地貌单位线来计算地表径流量，根据地下水补给量与地下线性水库来计算地下径流量，汇总地表和地下径流成为流域出流；
(4)根据历史洪水数据利用粒子群优化算法PSO率定。


2.根据权利要求1所述的一种基于地貌单位线的水文模型，其特征在于，所述步骤(1)中根据降水实测数据与遥感观测NDVI数据计算冠层截留量的具体步骤如下：
以降水、蒸发皿蒸发量与NDVI数据作为模型输入，通过归一化植被指数NDVI来计算叶面积指数LAI，然后利用叶面积指数计算冠层持水能力，降水受到下垫面植被的截留作用，首先补充冠层持水量，当冠层持水量达到冠层持水能力时，降水扣除冠层截留量作为下一步产流过程计算的输入，冠层截留水量以蒸发的形式消耗，公式如下：
LAI＝9.7686*NDVI-1.9528
Imax＝0.490*LAI+1.184
Ps＝max(P-(Imax-It-1),0)
Ep＝ETpan*Ke
Ei＝min(It,Ep)
其中，NDVI为归一化植被指数，LAI为叶面积指数，P为降水量，Ps为降水扣除冠层截留量，Imax为冠层持水能力，It为当前计算时段冠层截留量，It-1为上一时段经由蒸发消耗剩余的截留量，ETpan为蒸发皿蒸发量，Ke为蒸发皿蒸发折算系数，Ep蒸发皿折算的实际蒸发量。


3.根据权利要求1所述的一种基于地貌单位线的水文模型，其特征在于，所述步骤(2)中根据降水扣除截留量与一个简单的蓄满超渗综合产流模式计算地表与地下水补给量的具体步骤如下：
首先跟据土壤数据，包括流域内主要土壤类型、各类型土壤的厚度、沙粒含量、黏粒含量、砾石含量、有机碳含量、土壤含盐量，由以下公式计算获得各类型土壤饱和含水量：
OM＝OC/0.58
θ33t＝-0.251S+0.195C+0.011OM+0.006(S×OM)-0.27(C×OM)+0.452(S×C)+0.299



θ(S-33)t＝0.278S+0.034C+0.022OM-0.018(S×OM)-0.027(C×OM)-0.584(S×C)+0.078
θ(S-33)＝θ(S-33)t+0.636θ(S-33)t-0.107
SAT＝θ33+θ(S-33)-0.097S+0.043
式中，SD为土壤的厚度，S为沙粒含量，C为黏粒含量，R为砾石含量，OC为有机碳含量，ECE为土壤含盐量，OM为有机质含量，θ33为33千帕时的土壤湿度，θ(S-33)为0-33千帕时的土壤湿度，SAT为饱和土壤含水量；
根据各类型土壤数据在流域类的面积比例乘以各类型土壤饱和含水量获得流域平均土壤饱和含水量；
降水扣除冠层截留量之后，水分在时段内均匀到达地面，超过流域平均下渗能力的部分形成超渗产流，其余部分入渗成为土壤含水量，而当水分到达地面的强度小于流域平均下渗能力，但土壤含水量水量达到饱和土壤含水量时...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔巍，王文，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32