【技术实现步骤摘要】
一种多年冻土区温度主导的变源产流模式模拟方法
[0001]本专利技术属于冻土水文、流域产流、水文模型
，具体涉及一种多年冻土区温度主导的变源产流模式模拟方法。
技术介绍
[0002]冰川、积雪和冻土是寒区水文过程的三大下垫面要素，目前冰川融水径流、积雪融水径流研究方法已相对成熟，而冻土作为分布广泛的寒区水文要素，其不同于非冻土区的水循环和三水转化关系，由此决定了多年冻土区具有完全不同的径流形成过程、机制与季节动态。
[0003]目前，冻土区水文过程模拟方法主要存在以下问题：(1)模拟模型输入参数过多，计算时间长；并且，在缺资料的冻土流域具有较大的应用局限性；(2)现有冻土区模拟模型进行水文过程模拟时，可产流土壤厚度参数H对于各HRU来说是恒定不变的，由此导致水文过程模拟的精度较低。
技术实现思路
[0004]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种多年冻土区温度主导的变源产流模式模拟方法，可有效解决上述问题。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]本专利技术提供一种多年冻土区温度主导的变源产流模式模拟方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1，确定需要进行变源产流模式模拟的研究区域；利用GIS平台和冻土流域数字高程模型对研究区域进行水文分析，提取研究区域的水文响应单元HRU；
[0008]步骤S2，确定需要进行变源产流模式模拟的研究时间段[T1，T2]；其中，T1代表研究起始时间；T2代表研究终止时间；其中，研究时间段[T1，T2]为历...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多年冻土区温度主导的变源产流模式模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，确定需要进行变源产流模式模拟的研究区域；利用GIS平台和冻土流域数字高程模型对研究区域进行水文分析，提取研究区域的水文响应单元HRU；步骤S2，确定需要进行变源产流模式模拟的研究时间段[T1，T2]；其中，T1代表研究起始时间；T2代表研究终止时间；其中，研究时间段[T1，T2]为历史研究时间段或未来研究时间段；确定模拟时间步长；步骤S3，获取研究区域的基础地理信息以及研究区域在研究时间段[T1，T2]的基础气象数据，并将基础地理信息和基础气象数据作为基础数据保存到数据库；步骤S4，建立变源产流模式模拟模型，所述变源产流模式模拟模型以步骤S3得到的所述基础数据作为输入，按步骤S2确定的模拟时间步长，对所述研究区域在研究时间段[T1，T2]的产流过程进行模拟；具体方法为：步骤S4.1，将水文响应单元HRU进行格网化处理，得到C0个网格；对于每个网格(x，y)，均根据基础地理信息和基础气象数据，得到网格(x，y)在时间t时的地表温度LST
(x，y，t)
；步骤S4.2，根据模拟时间步长，将研究时间段[T1，T2]划分形成多个时间序列；分析网格(x，y)在研究时间段[T1，T2]各个时刻的地表融化指数，将地表融化指数最大时的时间表示为t
q
；假设当前模拟到时间t，对于网格(x，y)在时间t的水文过程进行模拟，具体包括步骤S4.3-步骤S4.6：步骤S4.3，将网格(x，y)所在地理位置的土壤在高度方向从上往下分为n层；其中，i＝1，2，
…
，n；i是从地表往下数的第i层，n是从地表往下数的最后一层，z
i
是第i层土壤的厚度，则土壤总厚度对于任意的第i层土壤，均采用以下方式，计算网格(x，y)的第i层土壤在时间t时的土壤含水量θ
(x，y，i，t)
：1)根据当前模拟的时间t，判断网格(x，y)土壤的土壤冻融状态；其中，土壤冻融状态包括两种：土壤冻结状态和土壤融化状态；2)如果为土壤融化状态，当第i层土壤的土壤深度小于等于50cm时，采用公式3计算土壤含水量θ
(x，y，i，t)
：其中：A
(x，y，i)
是网格(x，y)第i层土壤融化过程中，第i层土壤含水量最大值与最小值的差值；B
(x，y，i)
是网格(x，y)第i层土壤物理属性参数，控制S曲线的形状；是网格(x，y)第i层土壤含水量等于该层融化过程中土壤含水量均值时对应的地表温度；θ
mnin(x，y，i)
是网格(x，y)第i层土壤在融化过程中对应的最小土壤含水量；3)如果为土壤融化状态，当第i层土壤的土壤深度大于50cm时，采用公式4计算土壤含水量θ
(x，y，i，t)
：
其中：DDT
(x，y，t)
是网格(x，y)在时间t时的地表融化指数；是网格(x，y)第i层土壤的土壤含水量等于融化过程中土壤含水量均值时对应的地表融化指数；t1代表融化过程开始的时间；4)如果为土壤冻结状态，当第i层土壤的土壤深度小于等于50cm时，采用下式计算土壤含水量θ
(x，y，i，t)
：其中：A”(x，y，i)
是网格(x，y)第i层土壤冻结过程中，第i层土壤含水量最大值与最小值的差值；B
(x，y，i)
是网格(x，y)第i层土壤物理属性参数，控制S曲线的形状；是网格(x，y)第i层土壤含水量等于该层冻结过程中土壤含水量均值时对应的地表温度；θ”min(x，y，i)
是网格(x，y)第i层土壤在冻结过程中对应的最小土壤含水量；5)如果为土壤冻结状态，当第i层土壤的土壤深度大于50cm时，采用公式5计算土壤含水量θ
(x，y，i，t)
：：其中：DDF
(x，y，t)
是网格(x，y)在时间t时的地表冻结指数；是网格(x，y)第i层土壤的土壤含水量等于冻结过程中土壤含水量均值时对应的地表融化指数；t2是冻结过程开始的时间；步骤S4.4，如果为土壤冻结状态，对网格(x，y)土壤进行从上往下冻结过程模拟，得到网格(x，y)土壤在时间t时从上往下的冻结深度Z
fd(x，y，t)
，方法为：(1)按从上往下顺序，依次计算各层土壤完全冻结时所需的地表冻结指数；当i＝1时，第i层土壤完全冻结所需的地表冻结指数NF
(x，y，i)
为：NF
(x，y，i)
＝Q
F(x，y，i)
·
z
i
·
(R
F(x，y，i)
/2)
ꢀꢀꢀ
(6)R
F(x，y，i)
＝z
i
/C
F(x，y，i)
ꢀꢀꢀ
(7)Q
F(x，y，i)
＝L
·
θ
F(x，y，i)
·
ρ
F(x，y，i)
ꢀꢀꢀ
(8)
其中：NF
(x，y，i)
为第i层土壤完全冻结所需的地表冻结指数；Q
F(x，y，i)
是第i层土壤冻结过程中土壤潜热；R
F(x，y，i)
是第i层土壤冻结过程中土壤热阻；C
F(x，y，i)
是第i层土壤冻结过程中的土壤热传导系数；L是冰的融化潜热；θ
F(x，y，i)
是第i层土壤冻结过程中的平均土壤含水量；ρ
F(x，y，i)
是第i层土壤冻结过程中的土壤容重；当i＞1时，通过下式计算第i层土壤完全冻结所需的地表冻结指数NF
(x，y，i)
：其中：R
F(x，y，j)
是第j层土壤冻结过程中土壤热阻；(2)对于n层土壤，按从上向下方向，对各层土壤完全冻结时所需的地表冻结指数求和，如果当计算到第k-1层土壤时，DDF
(x，y，t)
等于则第k-1层及以上土壤刚好完全被冻结；此时，网格(x，y)土壤在时间t时从上往下的冻结深度如果当计算到第k层土壤时，DDF
(x，y，t)
大于且小于表明第k-1层及以上土壤完全被冻结，而第k层土壤部分被冻结；此时，采用以下公式，计算网格(x，y)土壤在时间t时从上往下的冻结深度Z
fd(x，y，t)
：：其中：Δzf
(x，y，k，t)
是网格(x，y)在时间t时其第k层土壤内从上往下冻结厚度；C
F(x，y，k)
是网格(x，y)第k层土壤冻结过程中的土壤热传导系数；θ
F(x，y，k)
是网格(x，y)第k层土壤冻结过程中的平均土壤含水量；步骤S4.5，如果为土壤融化状态，对网格(x，y)土壤进行从上往下融化过程模拟，得到网格(x，y)土壤在时间t时从上往下的融化深度Z
td(x，y，t)
，方法为：(1)按从上往下顺序，依次计算各层土壤完全融化时所需的地表融化指数；当i＝1时，第i层土壤完全融化所需的地表融化指数NT
(x，y，i)
为：NT
(x，y，i)
＝Q
T(x，y，i)
·
z
i
·
(R
T(x，y，i)
/2)
ꢀꢀꢀ
(11)R
T(x，y，i)
＝z
i
/C
T(x，y，i)
ꢀꢀꢀ
(12)Q
T(x，y，i)
＝L
·
θ
T(x，y，i)
·
ρ
T(x，y，i)
ꢀꢀꢀ
(13)其中：NT
(x，y，i)
为第i层土壤完全融化所需的融化指数；Q
T(x，y，i)
是第i层土壤融化过程中土壤潜热；R
T(x，y，i)
是第i层土壤融化过程中土壤热阻；
C
T(x，y，i)
是第i层土壤融化过程中的土壤热传导系数；L是冰的融化潜热；θ
T(x，y，i)
是第i层土壤融化过程中的平均土壤含水量；ρ
T(x，y，i)
是第i层土壤融化过程中的土壤容重；当i＞1时，通过下式计算第i层土壤完全融化所需的地表融化指数NT
(x，y，i)
：其中：R
T(x，y，j)
是第j层土壤融化过程中土壤热阻；(2)对于n层土壤，按从上向下方向，对各层土壤完全融化所需的地表融化指数求和，如果当计算到第k-1层土壤时，DDT
(x，y，t)
等于则第k-1层及以上土壤刚好完全融化；此时，网格(x，y)土壤在时间t时从上往下的融化深度如果当计算到第k层土壤时，DDT
(x，y，t)
大于且小于表明第k-1层及以...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄克威，王根绪，周剑，文磊，宋春林，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：
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