小流域下垫面条件提取分析方法技术

本发明专利技术公开了一种小流域下垫面条件提取分析方法，包括S小流域地貌特征分析：分析小流域集水面积阈值与河源密度关系、小流域坡面汇流形式分界点分析、河数比、河长比、面积比统计分析；S2、下渗特性分析：土壤质地数据加工、小流域下身特性分析、计算土壤下渗影响深度及产流时间；S3、小流域单位性特征提取：采利用流域的时间～面积关系分析单位线，计算流域各点到达流域出口的汇流时间。本发明专利技术可对划分的全国山洪灾害小流域属性数据集进行下垫面条件分析，为解决全国山洪灾害模拟预报提供了基础数据支撑。据支撑。据支撑。

【技术实现步骤摘要】
小流域下垫面条件提取分析方法


[0001]本专利技术属于水文数据处理、地理信息数据处理分析领域，具体涉及一种小流 域下垫面条件提取分析方法。

技术介绍

[0002]山洪灾害监测预警项目建设中，问题主要包括：没有调查分析小流域基本情 况，主要凭经验确定预警指标和可能受到山洪威胁的行政村及其大致位置；没有 进行小流域暴雨洪水分析，划定的危险区没有与降雨和洪水频率建立对应关系， 范围偏大，几乎包括了山丘区所有居民点，导致预警范围大、人员转移安置难度 大。
[0003]因此需开展山洪灾害调查评价，摸清山洪灾害防治区内水文、地形地貌、社 会经济等基础信息、准确划定危险区、合理确定预警指标，为山洪灾害准确预警 和撤离转移提供保障。通过调查评价收集处理以小流域为单元的水文、地形地貌、 社会经济等基础信息，利用地理信息系统、卫星遥感识别、现代水文模型、激光 扫描测量等先进技术手段，提取相关数据，结合现场调查，进行小流域暴雨洪水 分析，综合评价受山洪威胁居民地的山洪灾害现状防御能力，科学划定危险区。

技术实现思路

[0004]为解决全国山洪灾害模拟预报提供基础数据支撑，对划分的全国山洪灾害小 流域属性数据集进行下垫面条件分析，本专利技术提供了一种小流域下垫面条件提取 分析方法，
[0005]本专利技术通过下述技术方案来实现。
[0006]一种小流域下垫面条件提取分析方法，步骤如下：
[0007]S1、小流域地貌特征分析：
[0008](1)分析小流域集水面积阈值与河源密度关系；<br/>[0009](2)小流域坡面汇流形式分界点分析；
[0010](3)河数比、河长比、面积比统计分析：按照霍顿定律，计算各条河流最 佳面积阈值条件下的小流域河数比、河长比和面积比；
[0011]S2、下渗特性分析：
[0012](1)土壤质地数据加工；
[0013](2)小流域下身特性分析；
[0014](3)计算土壤下渗影响深度及产流时间；
[0015]S3、小流域单位性特征提取：采用分布式单位线方法，使用1:5万DEM和 2.5米土地利用和植被类型信息数据，充分考虑流域内地形、植被等的空间分布 特性，利用流域的时间～面积关系分析单位线，计算流域各点到达流域出口的汇 流时间。
[0016]进一步优选，步骤S 3中，为了考虑雨强对流域汇流非线性的影响，在计算 单位线时，取流域各点的汇流速度为时段雨强的函数，采用下式计算流域各点的 流速
[0017]V＝KS
0.5
i
0.4
[0018]式中，i为时段雨强；V为水流速度(m/s)；S为流域某网格沿着水流方向 的坡度；K为流速系数；
[0019]小流域中的任意一点，都有一条固定的到达其出口的汇流路径；在DEM中， 某一格网内的径流沿坡度最大方向流向其周围相邻的栅格，按照该方法可以得到 该栅格内的径流向出口汇集的路径；根据栅格的尺寸及栅格中的水流速度，由下 式计算出每一栅格中径流的滞留时间：
[0020]Δτ＝L/V或
[0021]式中，Δτ为栅格内径流时间；L为网格的边长；沿着汇流路径，由下式可 以计算出各栅格到达流域出口的汇流时间：
[0022][0023]式中，τ为某一栅格到达小流域出口的汇流时间；m为径流路径上网格的 数量，将汇流时间进行统计计算，得到小流域汇流时间的概率密度分布——瞬时 单位线，横坐标为汇流时间，纵坐标为计算时段内的出流面积与时段的比值；利 用瞬时单位线向时段单位线的转换方法，将瞬时单位线转换成所需时段的时段单 位线，转换公式为：
[0024][0025]式中，Δt为单位线时段；q(Δt,t)为时段单位线；F为流域面积；S(t)为 由瞬时单位线得到的S
‑
曲线；
[0026]将由瞬时单位线转换后的时段单位线进行一次线性水库调蓄，调蓄后得到小 流域单位线，调蓄计算方法为：
[0027]uh
i
＝c*I
i
+(1
‑
c)*uh
i
‑1[0028]式中，uh为调蓄后的单位线；I为调蓄前的单位线；c为调蓄系数；
[0029]对汇流时间概率密度分布进行单位转换及线性水库调蓄后，得到小流域单位 线；将小流域单位线的洪峰值比上小流域的面积，得到单位洪峰模数，小流域单 位线的底宽即为流域汇流时间，汇流时间比上小流域最长汇流路径长度，得到流 域平均流速；单位洪峰模数反映了下垫面条件、地形地貌对汇流特征的综合影响。
[0030]进一步优选，分析小流域集水面积阈值与河源密度关系的过程如下：
[0031]在小流域划分成果的基础上，选取了山丘区流域面积在1万km2以下的河流 为研究对象，统计分析不同流域的小流域集水面积阈值与河源密度关系；
[0032]河源集水面积阈值按照DEM网格数为100、200、400、600、800、1000、 1200、1400、1600、1800、2000、2200、2400、2600、2800、3000、3200，分别 提取各流域的河源数，得到汇水面积阈值与单位面积河源数的函数关系；
[0033]利用DEM提取河网时，利用均值变点法分析各河流最佳集水面积阈值。
[0034]进一步优选，小流域坡面汇流形式分界点分析的过程如下：
[0035]小流域的汇流形式分为坡面汇流、沟道汇流和河道汇流，三种汇流形式依据 地形地貌特征进行区分，或根据小流域阈值与河源数的关系曲线确定；采用一阶 差分曲线法及均值变点法确定两分界点位置，将面积阈值分为三个区域，分别表 征坡面汇流、细沟道汇
流和河道汇流分区，将流域地形地貌类型与水文计算紧密 联系起来提高洪水过程预报的精确度；采用均值变点法和一阶差分法，判定DEM 提取河网的最佳阈值，进而分析坡面、细沟道和河道汇流的集水面积分界点。
[0036]进一步优选，土壤质地数据加工：通过收集整理土壤普查数据得到土壤类型 数据集；结合土壤剖面数据、《中国土种志》资料，获取土壤中矿物质颗粒的粘 粒、粉粒和砂粒的组合比例，采用国际制土壤质地分类标准进行插值分析，得到 0～20cm表层土的土壤质地数据，并根据水文特性进行修正，得到土壤质地类型 数据；根据水文特性，增加岩石、块石、碎砾石、水域和城镇及硬化地面5种类 型。
[0037]进一步优选，小流域下身特性分析：根据小流域土壤质地分类结果，收集国 内外相关成果，通过统计分析混合产流模型所需的饱和含水量、残余含水量、土 壤田间持水量、土壤湿润锋毛管吸力、水力传导度、土壤持水曲线Van Genuchten 模型参数7项小流域产流特征参数，获得12种标准土壤和块石、碎砾石类的参 数值，土壤类型包括砂土或壤砂土、砂壤土、壤土、粉壤土、砂粘壤土、粘壤土、 粉粘壤土、砂粘土、壤粘土、粉粘土、粘土、重粘土、块石、碎石。
[0038]进一步优选，计算土壤下渗影响深度及产流时间：采用Richard<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小流域下垫面条件提取分析方法，其特征在于，步骤如下：S1、小流域地貌特征分析：(1)分析小流域集水面积阈值与河源密度关系；(2)小流域坡面汇流形式分界点分析；(3)河数比、河长比、面积比统计分析：按照霍顿定律，计算各条河流最佳面积阈值条件下的小流域河数比、河长比和面积比；S2、下渗特性分析：(1)土壤质地数据加工；(2)小流域下身特性分析；(3)计算土壤下渗影响深度及产流时间；S3、小流域单位性特征提取：采用分布式单位线方法，使用1:5万DEM和2.5米土地利用和植被类型信息数据，充分考虑流域内地形、植被等的空间分布特性，利用流域的时间～面积关系分析单位线，计算流域各点到达流域出口的汇流时间。2.根据权利要求1所述的一种小流域下垫面条件提取分析方法，其特征在于，步骤S3中，为了考虑雨强对流域汇流非线性的影响，在计算单位线时，取流域各点的汇流速度为时段雨强的函数，采用下式计算流域各点的流速V＝KS
0.5
i
0.4
式中，i为时段雨强；V为水流速度(m/s)；S为流域某网格沿着水流方向的坡度；K为流速系数；小流域中的任意一点，都有一条固定的到达其出口的汇流路径；在DEM中，某一格网内的径流沿坡度最大方向流向其周围相邻的栅格，按照该方法可以得到该栅格内的径流向出口汇集的路径；根据栅格的尺寸及栅格中的水流速度，由下式计算出每一栅格中径流的滞留时间：Δτ＝L/V或式中，Δτ为栅格内径流时间；L为网格的边长；沿着汇流路径，由下式可以计算出各栅格到达流域出口的汇流时间：式中，τ为某一栅格到达小流域出口的汇流时间；m为径流路径上网格的数量，将汇流时间进行统计计算，得到小流域汇流时间的概率密度分布——瞬时单位线，横坐标为汇流时间，纵坐标为计算时段内的出流面积与时段的比值；利用瞬时单位线向时段单位线的转换方法，将瞬时单位线转换成所需时段的时段单位线，转换公式为：式中，Δt为单位线时段；q(Δt,t)为时段单位线；F为流域面积；S(t)为由瞬时单位线得到的S
‑
曲线；将由瞬时单位线转换后的时段单位线进行一次线性水库调蓄，调蓄后得到小流域单位线，调蓄计算方法为：
uh
i
＝c*I
i
+(1
‑
c)*uh
i
‑1式中，uh为调蓄后的单位线；I为调蓄前的单位线；c为调蓄系数；对汇流时间概率密度分布进行单位转换及线性水库调蓄后，得到小流域单位线；将小流域单位线的洪峰值比上小流域的面积，得到单位洪峰模数，小流域单位线的底宽即为流域汇流时间，汇流时间比上小流域最长汇流路径长度，得到流域平均流速；单位洪峰模数反映了下垫面条件、地形...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昌军，孙涛，乔楠，丁留谦，孙东亚，李昌志，孙勃，王东升，常凊睿，魏永强，
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：