一种岩溶区分布式非线性水文模拟方法技术

本发明专利技术提供一种岩溶区分布式非线性水文模拟方法，首先获取流域数字高程模型数据并在此基础上计算栅格的地形指数，获取流域岩溶发育地质图和石漠化地质图，判断流域内各栅格的岩溶发育和石漠化情况；然后构建表层岩溶带自由水蓄水库；之后计算表层岩溶带自由水蓄水容量，表层岩溶带自由水蓄水库对表层岩溶带侧向出流的日出流系数，表层岩溶带自由水蓄水库对地下水的日出流系数；最后通过栅格内坡面汇流和栅格间马斯京根法汇流将各栅格的产流汇到流域出口。本发明专利技术构建表层岩溶带自由水蓄水库和地下溶隙线性水库计算岩溶流域的径流，模拟岩溶流域表层岩溶带和地下溶隙对径流的调蓄作用，为岩溶流域水文模拟提供方法，促进分布式水文模型的发展。式水文模型的发展。式水文模型的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种岩溶区分布式非线性水文模拟方法


[0001]本专利技术属于水文模拟与预报领域，具体涉及一种岩溶区分布式非线性水文模拟方法。

技术介绍

[0002]全球岩溶面积约为220万km2，居住人口约10亿人。中国西南部是世界上岩溶发育最典型的地区之一，具有集中连片的岩溶地貌，分布面积约5.4
×
105km2。由于石漠化、植被稀少等原因，岩溶流域的土层厚度、土地覆盖类型等下垫面条件空间异质性大。流域内岩溶裂隙发育程度不同，导致了流域产汇流机制复杂，洪水模拟难度大。岩溶流域中的表层岩溶带以及地下深层溶隙、溶洞等都是地表水入渗、地下水赋存和运移的良好介质，在产汇流过程中起重要作用，探究地表水
‑
岩溶水
‑
土壤水的转化和产汇流规律十分必要。岩溶流域下垫面空间异质性较大，其洪水模拟难度大。集总式的岩溶水文模型难以刻划流域下垫面条件的复杂性；水动力岩溶模型在实验小流域模拟效果好，但是需要精细的数据资料，且对于面积更大的中小河流流域，模型的洪水模拟计算量庞大。分布式和半分布式概念性岩溶模型，可以在考虑下垫面异质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩溶区分布式非线性水文模拟方法，其特征在于：针对包含岩溶区的目标流域，执行以下步骤，实现目标流域出口断面流量的预测：步骤1，基于目标流域数字高程模型，计算目标流域内各栅格的地形指数；基于目标流域岩溶发育地质图和目标流域石漠化地质图，得到目标流域内各栅格的岩溶发育情况和石漠化情况；步骤2，分别针对目标流域内各栅格，基于栅格新安江模型的模拟方法，得到各栅格土壤自由水蓄水库各径流的径流深；分别针对目标流域岩溶区的各岩溶栅格，结合各岩溶栅格的石漠化情况，构建各岩溶栅格的表层岩溶带自由水蓄水库；步骤3，针对各岩溶栅格构建的表层岩溶带自由水蓄水库，结合目标流域内各栅格的地形指数，计算得到各岩溶栅格表层岩溶带自由水蓄水库容量，以及得到各岩溶栅格表层岩溶带自由水蓄水库对表层岩溶带侧向径流的日出流系数、表层岩溶带自由水蓄水库对岩溶地下径流的日出流系数，进而得到各岩溶栅格的表层岩溶带自由水蓄水库各径流的径流深；步骤4，针对目标流域，基于各栅格土壤自由水蓄水库各径流的径流深、各岩溶栅格的表层岩溶带自由水蓄水库各径流的径流深、以及各栅格的岩溶发育情况，通过各栅格内各径流的坡面汇流量，结合栅格间使用马斯京根法得到目标流域出口断面各径流的流量，进而实现目标流域出口断面流量的预测。2.根据权利要求1所述的一种岩溶区分布式非线性水文模拟方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤1
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1，基于目标流域数字高程模型计算目标流域内各栅格的地形指数：域数字高程模型计算目标流域内各栅格的地形指数：式中，Slope为栅格坡度，TI为栅格地形指数，为栅格在经度方向的高程变化率，为栅格在纬度方向的高程变化率，a为栅格单宽累积面积；步骤1
‑
2，基于目标流域石漠化地质图，将目标流域内的各栅格划分为3种类型：(1)非岩溶栅格，(2)未石漠化岩溶栅格，(3)石漠化岩溶栅格。3.根据权利要求2所述的一种岩溶区分布式非线性水文模拟方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤2
‑
1，目标流域内的各栅格基于栅格新安江模型的模拟方法，在降水经过植被截流、蒸发、满足土壤张力水蓄水容量后，获得的剩余雨量R称为栅格总径流深：R＝P
‑
I
CA
‑
E
‑
W
M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)获得的剩余雨量流入该栅格的土壤自由水蓄水库；式中：R为栅格总径流深，P为栅格降雨量，I
CA
为栅格植被截流量，E为栅格蒸发量，W
M
为栅格张力水蓄水容量；步骤2
‑
2，基于栅格新安江模型的模拟方法，分别对目标流域内的各非岩溶栅格，采用土壤自由水蓄水库进行分水源调蓄，定义土壤自由水蓄水库蓄水容量为S
M
，判断总径流深R
与当前时段初始土壤自由水蓄水库蓄水量S0之和与S
M
的关系，其中，R+S0大于S
M
产生地表径流，R+S0小于S
M
不产生地表径流；土壤自由水蓄水库有两个出口，一个旁侧出口形成壤中流，一个向下出口形成地下径流：流：流：S
0t+1
＝S
‑
K
I
×
S
‑
K
G
×
S
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中：R为栅格总径流深，R
S
为栅格地表径流深，R
I
为栅格壤中流径流深，R
G
为非岩溶栅格地下径流深，S
M
为栅格土壤自由水蓄水库蓄水容量，K
I
为栅格土壤自由水蓄水库对壤中流的日出流系数；K
G
为栅格土壤自由水蓄水库对地下径流的日出流系数；S0为栅格当前时段初始土壤自由水蓄水库蓄水量，S为栅格当前时段土壤自由水蓄水库蓄水量，S
0t+1
为栅格下一时段初始土壤自由水蓄水库蓄水量；步骤2
‑
3，对于各未石漠化岩溶栅格，在土壤自由水蓄水库的下方构建表层岩溶带自由水蓄水库；上层土壤自由水蓄水库与下层表层岩溶带自由水蓄水库串联，定义表层岩溶带自由水蓄水库容量为S
MEK
；通过格林
‑
安普特公式计算上层土壤自由水蓄水库的自由水向下层表层岩溶带自由水蓄水库渗透的过程：式中：f(t)为栅格土壤自由水库下渗能力，K为栅格饱和水力传导度，Ψ为栅格湿润锋处土壤吸力，Δθ为栅格土壤饱和含水率与初始含水率之差，F(t)为栅格累计渗漏量，t为当前时段；实际下渗量计算公式为：f
a
＝f(t)
×
Δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)式中：f
a
为实际下渗量，f(t)为栅格土壤自由水库下渗能力，Δt为时间步长；基于栅格新安江模型的模拟方法，分别对于各未石漠化岩溶栅格土壤自由水蓄水库分水源调蓄的计算过程如下：水源调蓄的计算过程如下：R
I
＝K
I
×
S
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)S
0t+1
＝S
‑
K
I
×
S
‑
f
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)式中：R为栅格总径流深，R
S
为栅格地表径流深，R
I
为栅格壤中流径流深，S
M
为栅格土壤自由水蓄水库蓄水容量，S0为栅格当前时段初始土壤自由水蓄水库蓄水量，S为栅格当前时
段土壤自由水蓄水库蓄水量，f
a
为栅格实际下渗量，S
0t+1
为栅格下一时段初始土壤自由水蓄水库蓄水量；下层表层岩溶带自由水蓄水库有两个出口，一个旁侧出口形成表层岩溶带侧向径流，一个向下出口形成岩溶地下径流：S
EK
＝S
EK0
+f
a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)S
EK0t+1
＝S
EK
‑
K
EKI
×
S
EK
‑
K
EKG
×
S
EK
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)式中：S
EK0
为栅格当前时段初始表层岩溶带自由水蓄水库蓄水量，S
EK
为栅格当前时段表层岩溶带自由水蓄水库蓄水量，S
EK0t+1
为栅格下一时段初始表层岩溶带自由水蓄水库蓄水量，R
EKI

【专利技术属性】
技术研发人员：周佳奇，张珂，李致家，姚成，张企诺，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：