【技术实现步骤摘要】
适用于高寒地区的径流模拟分析方法、系统及介质
[0001]本专利技术属于水循环过程分析与水文模拟的
，具体涉及一种适用于高寒地区的径流模拟分析方法、系统及介质。
技术介绍
[0002]中国寒区陆地面积417.4万km2，是中国主要大江、大河的发源地及半干旱区的主要地表水源，更是干旱区的水塔。高海拔(约占寒区面积的70％)是中国寒区的特色，高寒山区水文过程研究是中国西部水资源预估及水源地保护的基础，是了解内陆河流域水循环过程的关键。气候变化使得区域水文循环过程加快，尤其在高纬度、高海拔地区，温度升高将使积雪、冰川融水量增加，这将给高寒区的水资源管理带来新的挑战。水文模型能够基于水量平衡原理和水动力学原理，对复杂的水文过程进行抽象和概化，是模拟水文循环过程的数学物理工具，也是量化气候变化影响的有效工具。然而，高寒地区由于海拔差异造成的温度、降水分布差异明显，叠加积雪、冻融等过程，使得传统水文模型难以有效适用，进而造成高寒地区径流模拟分析的难题。
技术实现思路
[0003]本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种适用于高寒地区的径流模拟分析方法、系统及介质，提升了高寒区水文过程的模拟能力，为高寒地区的水文过程模拟、气候变化的影响分析以及变化环境下的水资源管理等提供支撑。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]本专利技术一方面提供了一种适用于高寒地区的径流模拟分析方法，包括下述步骤：
[0006]S1、对高寒地区进行划分，将高寒...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.适用于高寒地区的径流模拟分析方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、对高寒地区进行划分，将高寒地区的流域划分为不同子流域，将各子流域划分为不同的计算单元；S2、模拟高寒地区的气温和降水；所述模拟高寒地区的气温是通过建立气温变化模拟模型实现，所述气温变化模拟模型包括气温日间变化的模拟、气温夜间变化的模拟以及气温空间分布的模拟；所述气温日间变化的模拟是基于温度与太阳辐射通量密度为正比例关系，太阳辐射通量密度日变化为正弦曲线的分析，得到气温随时间的日间变化曲线公式化表达；所述气温夜间变化的模拟是通过夜间气温衰减率来表征，所述气温衰减率由前一日日落时的气温和当日最低气温及夜间时间长度计算得或由气温资料分析得到；所述气温空间分布的模拟是根据气温随海拔的增高而呈直线递减这一事实，考虑海拔对于不同水文响应单元面气温模拟的影响来实现；所述模拟高寒地区的降水基于海拔的差异，对各水文响应单元雨量进行插补计算；S3、蒸发计算，对于水域覆盖情形的水文响应单元，采用彭曼公式计算其蒸发能力；对于冰雪覆盖情形的水文响应单元，冰雪面温度和相应于冰雪面温度的饱和水汽压数据，采用库兹明公式计算冰雪蒸发能力；对于土壤植被覆盖情形的水文响应单元，其上的蒸发包括由植物冠层截留供水的湿润枝叶蒸散发和土壤蒸散发两大部分组成，而土壤蒸散发又由土壤供水的干燥枝叶散发和植物棵间裸露土壤表层蒸发两部分组成；在土壤充分湿润条件下，土壤植被覆盖情形的水文响应单元上面平均散发能力，包含干燥枝叶散发能力、湿润枝叶散发能力、植物棵间裸露土壤表层蒸发能力三部分，由下式计算：E
p
＝E
v
δ
c
(1
‑
δ
t
)+E
po
δ
c
δ
t
+E
Soil
(1
‑
δ
c
)其中E
v
表示干燥枝叶散发能力，由Penman
‑
Monteith理论公式计算；E
po
表示湿润枝叶散发能力，由Penman公式计算；E
soil
表示植物棵间裸露土壤表层蒸发能力，由改进的Penman
‑
Monteith理论公式计算；E
p
表示平均蒸散发能力；δ
c
表示植物冠层覆盖度，不同季节在0～1之间取不同值；δ
t
表示湿润枝叶面积占总枝叶面积的比例；S4、融雪计算，包括计算融雪量与有效融水量两部分；所述融雪量采用温度指标法，结合气温的日间与空间模拟计算；所述有效融水当量即实际融水当量，分冰川区和积雪区计算，其中冰川区可能含有积雪，而积雪区不含冰川，当计算地区为冰川区时，如果流域积雪水当量小于总可能的融水当量M
p
时，则积雪全部融化，其余部分由冰川融水补给；如果流域积雪水当量能够满足总的融水当量M
p
时，则不产生冰川融水；S5、产流计算，采用新安江模型三分水源的概念来计算地面径流、壤中流、地下径流的产流量，分土壤层是否发生冻结两种情况进行分水源计算，在土壤层发生冻结情形时，按不同冻融状态，对自由水蓄水库的冻结高度变化进行了模拟，并对地下水和壤中流的出流规律进行了分析：冰川和积雪的持水特点不一样，按积雪特性计算出流，即融雪水以液态水的形式进入积雪中，首先补充积雪液态水蓄水量，当蓄水量满足积雪持水能力时，剩余的融雪水在重力的作用下排出来，成为融雪水出流，即为产流；与土壤的持水能力类似，积雪的持水能力也是不均匀的，取积雪水当量的比率SL作为积
雪持水能力平均值，从而更为精细化的实现了高寒地区土壤冻融时的产流过程；S6、汇流计算，采用“河流
‑
流域”模型进行全流域的汇流计算；采用地貌单位线法进行子流域汇流计算。2.根据权利要求1所述适用于高寒地区的径流模拟分析方法，其特征在于，步骤S1中，所述对高寒地区进行划分，包括子流域划分与计算单元划分；所述子流域划分是基于数字高程模型DEM数据，利用ArcGIS软件进行水文分析，提取流域水系、坡度、坡向的地理信息；根据流域水系和水文观测站的位置，将流域划分为不同子流域；所述计算单元划分是将流域按高程
‑
土壤
‑
植被之间的关系进行概化，采用自然子流域
‑
水文响应单元划分法，依据流域DEM、土壤、植被、坡向数据，将各子流域具体划分为多个高程、土壤、植被和坡向的组合，即划分为不同的计算单元。3.根据权利要求2所述适用于高寒地区的径流模拟分析方法，其特征在于，所述将流域按高程
‑
土壤
‑
植被之间的关系进行概化，具体为：高程≤3500m，土壤为酸性棕壤、棕壤，植被为山地针叶林、阔叶林混交林带；高程在3500～4200m时，土壤为漂灰土，植被为亚高山针叶林带；高程在4200～4500m时，土壤为棕毡土，植被为高山疏林、灌丛带；高程在4500～5000m时，土壤为黑毡土，植被为高山草甸、草原带；高程≥5000m时，土壤为砾石滩，植被为高山寒漠带和高山冰雪带。4.根据权利要求1所述适用于高寒地区的径流模拟分析方法，其特征在于，所述气温日间变化的模拟中，气温随时间的日间变化曲线如下：式中，T
t
表示白昼间t时刻的气温值；T
min
表示日最低气温；T
max
表示日最高气温；t
b
表示日出时刻；DL表示白昼长度；P表示最高气温出现时刻与正午时的时间差；所述气温夜间变化的模拟中，夜间的气温衰减用直线描述，其通式为：式中，t
e
表示日落时刻；T
e
表示日落时的气温；k表示夜间气温衰减率，该气温衰减率始终为负；所述气温空间分布的模拟是根据气温随海拔的增高而呈直线递减这一规律，即每升高100m温度递减0.57～0.61℃的事实，采用下式进行气温空间分布的模拟；
式中，T0表示距水文响应单元最近的气象观测场气温；Z0表示气象观测场高程；Z表示水文响应单元平均高程；T表示水文响应单元面平均气温。5.根据权利要求1所述适用于高寒地区的径流模拟分析方法，其特征在于，对各水文响应单元雨量进行插补，公式为：P＝P0·
[1+0.001(Z
‑
Z0)]
ꢀꢀ
(4)式中，P、Z分别为水文响应单元面平均日雨量和平均海拔高程；P0、Z0分别为与水文响应单元所在子流域形心同经度的河谷日雨量和海拔高程。6.根据权利要求1所述适用于高寒地区的径流模拟分析方法，其特征在于，在步骤S3中，将土壤分为3层，即土壤上层、土壤下层和土壤深层；采用土壤温度方程分别计算土壤上层、土壤下层和土壤深层的温度，并将土壤层的冻融状态概化为如下4种：冻融状态1：土壤上层、下层和深层均冻结；冻融状态2：土壤上层解冻，土壤下层冻结；冻融状态3：土壤上层和下层解冻，土壤深层冻结；冻融状态4：土壤上层、下层和深层均解冻；对于冻土情形，假定土壤蒸散发只在解冻层进行，针对土壤层的具体冻融状态，采用相应的土壤蒸散发计算模型；对于冻融状态1：忽略土壤蒸散发，即EU＝0，EL＝0，ED＝0
ꢀꢀ
(5)对于冻融状态2：按一层模型计算土壤蒸散发，公式如下：当WU＞EM时，EU＝EM，EL＝0，ED＝0
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(6)当WU≤EM时，式中，EM＝k
p
E
p
，k
p
是控制水量平衡的蒸发能力折算系数；对于冻融状态3：按二层模型计算土壤蒸散发，公式如下：当WU＞EM时，EU＝EM，EL＝0，ED＝0
ꢀꢀ
(8)当WU≤EM时，对于冻融状态4：
对于没有发生冻融现象的土壤层，采用三层蒸发模型计算E，具体表达式为：当WU＞EM时，EU＝EM，EL＝0，ED＝0
ꢀꢀ
(...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾文豪，陈牧风，王建群，杨芳，王森，张康，董增川，姚弘祎，陈娟，
申请(专利权)人：珠江水利委员会珠江水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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