一种边坡水文过程模拟方法技术

本申请提供一种边坡水文过程的计算方法，属于水文数值模拟计算领域。本方法包括：接收目标区域的基础数据；设置边坡单元格的上下游连接关系；计算每个边坡单元格的植被层、地表层、不饱和土壤层和饱和土壤层之间的水分交互过程；计算边坡单元格的顶部蓄水及单元格之间的溢流过程；根据土壤湿度监测数据对模型参数进行校正，得到最终的边坡土壤湿度的时间序列。本申请提出的边坡水文过程计算方法能够有效克服传统地表水

【技术实现步骤摘要】
一种边坡水文过程模拟方法


[0001]本申请涉及一种边坡水文过程模拟方法，属于水文数值模拟计算领域。

技术介绍

[0002]在高原山地城市的生态建设中，边坡绿地是一种较为常见的绿化措施。由于山地城市的海拔落差较大，城市道路往往依边坡而建，且边坡的坡度较陡。为确保边坡的美观绿化，同时确保安全，往往在原有边坡的基础上建造紧密联接的鱼鳞坑，鱼鳞坑形状为矩形或者其他形状(如长宽深分别为3m
×
3m
×
0.2m)，边缘为水泥框体，通过钢筋等措施固定至边坡底部的岩石层，相互联接覆盖整个边坡，最底部与排水渠相接，收集多余径流。鱼鳞坑底部并不互通，溢流从鱼鳞坑顶部进入下游鱼鳞坑。每个鱼鳞坑的内部填土，种植草皮或者灌木，在实现边坡绿化的同时兼顾稳定性。这些人工建造的边坡绿地由于土层较薄，缺乏水土涵养能力，因此需要人工灌溉来维持，消耗大量的水资源。
[0003]健康水循环是城市水资源管理的一种先进理念，其核心是通过分质供水，满足城市中不同品质用水单位的需求，并在此过程中实现高品质用水户产生的废水的循环回用，满足低品质用水户的用水需求。具体而言，城市中生活用水产生的废水，经过污水处理厂处理后，产生的再生水可以用来满足边坡绿地的灌溉需求。由于不同的边坡绿地的土壤和水文地质条件各不相同，因此灌溉需求也有差别，需要因地制宜分析鱼鳞坑的土壤湿度情况，制定精细化的灌溉方案，从而最大程度节约水资源，避免浪费。
[0004]在传统的土壤湿度模拟模型中，计算尺度往往较大，无法对鱼鳞坑这种小规模的研究单元开展精细化建模分析。例如对于一个一平方公里的研究区，鱼鳞坑的数目可能有数十万个，这已经远远超过了常规水文模型的建模和计算能力上限。因此，需要能够兼顾鱼鳞坑内部精细化水文过程，同时能够对大规模鱼鳞坑构成的边坡绿地开展定量模拟的分析方法，从而为开展精准灌溉提供辅助决策。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提供一种颗粒度高、计算速度快的边坡水文过程模拟方法。具体采用如下的技术方案：
[0006]步骤一：接收目标区域的基础数据，所述基础数据包括边坡单元格空间结构信息、数字高程数据、边坡区域的土壤数据、边坡植被数据和气象数据；
[0007]步骤二：将每个边坡单元格记为一个独立的模型计算单元，并根据高程数据与单元格的相互位置关系，设置计算单元间的上下游连接关系；
[0008]步骤三：计算每个边坡单元格的植被层、地表层、不饱和土壤层和饱和土壤层之间的水分交互过程；
[0009]步骤四：计算边坡单元格的顶部蓄水及单元格之间的溢流过程；
[0010]步骤五：根据土壤湿度监测数据对模型参数进行校正，得到最终的边坡土壤湿度的时间序列。
[0011]通过以上技术方案，能够对边坡单元格(鱼鳞坑)内的水文过程开展精细化模拟，得到单元格内的土壤湿度变化时间序列，确定单元格的灌溉蓄水量，从而指导精细化灌溉方案的制定，为最大程度节约再生水提供指导，推动城市健康水循环系统的高效运行。
[0012]优选的，所述接收目标区域的基础数据，具体包括边坡单元格空间结构信息、数字高程数据、边坡区域的土壤数据、边坡植被数据、气象数据。其中单元格空间结构数据可以通过现场测量的方式或者通过边坡设计或者施工图信息获取，主要包含每个边坡单元格的个数、每个单元格的水泥挡板深度、每个单元格土壤厚度以及每个单元格上部空气层厚度。边坡区域数字高程数据可以通过现场测量的方式获取或者通过激光雷达测量的方式获取，边坡区域的土壤数据可以通过现场取样然后测量的方式获取。边坡区域植被数据中植被类型与覆盖面积可以通过种植规划、或者遥感图片解译的方式获取，植被的叶面积指数则可以通过仪器测量或者根据植被类型估计叶面积指数。
[0013]优选地，所述根据高程数据与单元格的相互位置关系设置计算单元间的上下游连接关系，具体包括通过现场观察确认边坡单元格的上下游关系，也可以基于高程数据将高程最高的一边作为边坡的顶部边界，边坡顶部边界附近的边坡单元格记为最上游单元格，然后按照纵向依次设置下游单元格，直至底部的排水渠。
[0014]优选地，所述计算每个边坡单元格的植被层、地表层、不饱和土壤层和饱和土壤层之间的水分交互过程，具体包括计算每个单元格内的降雨截流过程、叶面和土壤表层蒸散发过程、植被蒸腾作用过程、地表水下渗过程、不饱和层变化过程以及下渗过程、土壤湿度变化过程以及植被提取水分过程。其中：
[0015]1)降雨截留过程：降雨截留过程的计算包括叶面截留部分以及贯穿降水量，其中叶面截留部分受植被水分最大容量(ψ
0max
)的影响，而ψ
0max
的计算公式为：
[0016]ψ
0max
＝K
L
×
LAI
[0017]其中LAI为植被叶面积指数，K
L
经验常数。
[0018]叶面截留量的计算公式为：
[0019][0020]其中，ψ0为叶面截留量，P为降雨量，ET
canopy
为叶面截留的蒸发部分，TF为贯穿降水量。
[0021]贯穿降水量(TF)的计算公式为：
[0022]TF＝kexp[b(ψ0/ψ
0max
)]0≤ψ0＜ψ
0max
[0023]＝kexp[b]0＜ψ
0max
≤ψ0[0024]其中，b为排水系数(无量纲)，k的单位为L/T。同时，b的值通常在3.0
‑
4.6之间，k通常为k＝3.91
×
10
‑5ψ0(mm/min)。
[0025]2)叶面蒸散发过程：叶面蒸发过程的计算公式为：
[0026][0027][0028][0029]其中，Δ为饱和蒸气压曲线在温度为T(℃)的斜率，R
n
为植被表层净辐射(MJ m
‑2day
‑1)，G为土壤热流密度(MJ m
‑2day
‑1)，ρ
a
为大气密度(kg/m3)，C
p
为空气比热(MJ kg
‑1℃
‑1)，e
s
和e
a
分别为饱和蒸气压和实际蒸气压(kPa)，r
a
为气动阻力(s m
‑1)，γ为气温常数(kPa℃
‑1)。δ
r
为湿植被的面积比例。
[0030]3)土壤表层蒸散发过程：土壤表层蒸散发计算公式为：
[0031][0032][0033]其中，βs反映土壤表层饱和度对于地表蒸发量的影响，vFrac为植被覆盖比例，θ
fl
＝0.75θ
sat
为田间持水量，θ
sat
为饱和土壤水分含量，θ
g
为土壤表层水分含量。
[0034]4)植被蒸发作用：植被从土壤水分提取水分来进行蒸腾作用的计算公式为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种边坡水文过程模拟方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：接收目标区域的基础数据，所述基础数据包括边坡单元格空间结构信息、数字高程数据、边坡区域的土壤数据、边坡植被数据和气象数据；步骤二：将每个边坡单元格记为一个独立的模型计算单元，并根据高程数据与单元格的相互位置关系，设置计算单元间的上下游连接关系；步骤三：计算每个边坡单元格的植被层、地表层、不饱和土壤层和饱和土壤层之间的水分交互过程；步骤四：计算边坡单元格的顶部蓄水及单元格之间的溢流过程；步骤五：根据土壤湿度监测数据对模型参数进行校正，得到最终的边坡土壤湿度的时间序列。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中边坡单元格空间结构信息包括边坡的工程设计施工图或者工程测量图；边坡土壤数据包含边坡的土壤类型、土壤孔隙度、土壤饱和导水率和土壤墒情；边坡植被数据主要包括植被类型与植被叶面积指数结果。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中每一个边坡单元格都是一个模型计算单元，在边坡中同一高程水平方向上的相邻两个边坡单元格间不存在侧向的水量与水质的交互，仅在边坡中垂直方向上的单元格存在纵向的上下游连接关系，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈星，邹锐，任婷玉，周家伟，
申请(专利权)人：北京英特利为环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：