非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法技术

本发明专利技术公开了一种非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法，步骤包括：步骤1：建立植被截留模型，来计算截留过程；步骤2：建立入渗模型，来计算入渗过程；步骤3：建立产流模型，得到非均匀降雨条件下的产流过程。本发明专利技术的方法，通过数值解验证了产流模型的准确性。该方法进一步完善了降雨

【技术实现步骤摘要】
非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法


[0001]本专利技术属于农业水文过程分析
，涉及一种非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法。

技术介绍

[0002]在自然降雨条件下，植被可以显著而持续地改变降雨
‑
径流水文过程。当有植被覆盖时，一部分雨水会直接通过缝隙到达地面，另一部分雨水会被植被的叶茎截留，植被的截留能力随着降雨时间的延长而逐渐减弱，截留的水分在克服地表张力后会滴落到地表，因此，准确预测植被截留作用下的产流过程显得很有必要。现有的径流预测模型均未定量或者忽略植被的截留作用，这使得径流模型无法准确预测植被生长下的径流过程，因此，建立一种非均匀降雨条件下考虑植被截留的产流模型显得非常有必要。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法，解决了现有技术中的产流模型设置不合理，操作不便捷，难以准确地预测植被生长下的径流过程的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，一种非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法，按照以下步骤具体实施：
[0005]步骤1：建立植被截留模型，来计算截留过程；
[0006]步骤2：建立入渗模型，来计算入渗过程；
[0007]步骤3：建立产流模型，得到非均匀降雨条件下的产流过程。
[0008]本专利技术的有益效果是，先建立植被截留模型，其次建立截留影响下的入渗模型，然后建立了产流模型。通过数值解验证了产流模型的准确性。该方法进一步完善了降雨
‑
产流过程的模拟，只需要自然降雨强度下的降雨强度便可以预测山坡出流口处的单宽流量。
附图说明
[0009]图1是本专利技术方法整体的计算流程图；
[0010]图2是本专利技术方法采用的截留过程计算图；
[0011]图3是本专利技术方法采用的入渗过程计算图；
[0012]图4是本专利技术方法采用的径流过程计算图。
具体实施方式
[0013]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0014]参照图1，本专利技术的非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法，按照以下步骤具体实施：
[0015]步骤1：建立植被截留模型，来计算截留过程，
[0016]参照图2，具体过程如下：
[0017]植被对降水有截留作用，截留速率随时间变化，一般情况下，降雨发生前的截留率最大，降雨开始后的截留率逐步减小，截留率的下降过程能够用指数函数来描述，植被截留率的表达式为：
[0018]Int＝C
·
Int
m
exp(
‑
kt)，
ꢀꢀ
(1)
[0019]式(1)中，Int是植被截留率，单位符号为cm/min；C是植被覆盖度，单位符号为cm2/cm2；t是降雨时间，单位符号为min；Int
m
是最大植被截留率，单位符号为cm/min；k是雨滴滞留系数；
[0020]为了分析不同降雨强度对截留过程的影响，将降雨时间划分为几个小的时间段，这样可以认为降雨强度在一个小的时间段内是恒定的(tb,t
p
)，对应的，截留过程也分为两个小的过程：子过程A为降雨强度等于截留率的时段t≤t0，即雨水全部被植被截留；子过程B是截留率呈指数下降的时段，t>t0，即植被截留后多余的雨水能够以水滴的形式落到地面；
[0021]为了得到临界时间t0，用平均降雨强度计算降雨量，根据子过程A的假设，累积雨量的表达式为：
[0022][0023]式(2)中，C是植被覆盖度，单位为cm2/cm2；是t0之前的平均降雨强度，单位为cm/min；t
s
是式(1)截留率与近似截留率交点的时间，单位为min；
[0024]t0之前的平均降雨强度的表达式为：
[0025][0026]式(3)中，r
t
是t时刻的降雨强度，单位为cm/min；
[0027]时间交点处t＝t
s
，该时间交点处的截留率的表达式为：
[0028][0029]结合式(2)和式(4)，则有：
[0030][0031][0032]将式(3)代入式(6)中，得到：
[0033][0034]式(7)的解t0通过二分法得到，结合式(3)和式(5)得到t
s
的值；
[0035]得到降雨过程的截留过程的表达式为：
[0036][0037]Int＝C
·
Int
m
exp(
‑
k(t
‑
Δt
int
))，t>t0，(9)
[0038]式(9)中，Δt
int
是截留时间的时间差，单位为min；Δt
int
＝t0‑
t
s
，
[0039]自此，建好植被截留模型。
[0040]步骤2：建立入渗模型，来计算入渗过程，参照图3，具体过程如下：
[0041]由于植被可能不完全覆盖地面，一些雨水会直接落在土壤表面，同时，剩余的雨水被植被拦截后，到达地面的水会立即渗入土壤。当平均降雨强度大于植被截留能力时，植被截留的水分会滴落到土壤表面；径流开始前入渗速率随时间增加而增大，地表径流开始于净降雨强度高于入渗能力时。
[0042]采用Philip方法来表示入渗过程，表达式为：
[0043][0044]式(10)中，Inf是入渗速率，单位为cm/min；S是吸渗率，单位为cm/min
1/2
；
[0045]原始的Philip方程仅适用于积水入渗过程，通过改进以使其适用于非均匀降雨条件下截留过程影响下的入渗过程，因此，积水时刻的入渗速率的表达式为：
[0046]式(11)中，是平均降雨强度，单位为cm/min；t
p
是积水时间，单位为min；t1是原始Philip方程与平均降雨强度的交点，单位为cm/min，
[0047]t
p
之前的平均降雨强度的表达式为：
[0048][0049]积水时刻之前的累积入渗量的表达式为：
[0050][0051]结合式(11)和(13)得到下式(14)和式(15)：
[0052][0053][0054]产流时间t
p
通过求解式(15)得到，再结合式(12)和式(13)求解出t1，
[0055]非均匀降雨条件下的入渗过程的表达式如下：
[0056]Inf＝r(1
‑
C)，t≤t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0057]Inf＝r
‑
C
·
Int
m
exp(
‑
k(t
‑
Δt
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：步骤1：建立植被截留模型，来计算截留过程；步骤2：建立入渗模型，来计算入渗过程；步骤3：建立产流模型，得到非均匀降雨条件下的产流过程。2.根据权利要求1所述的非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法，其特征在于：步骤1中，具体过程如下：植被截留率的表达式为：Int＝C
·
Int
m
exp(
‑
kt)，
ꢀꢀꢀꢀ
(1)式(1)中，Int是植被截留率，单位符号为cm/min；C是植被覆盖度，单位符号为cm2/cm2；t是降雨时间，单位符号为min；Int
m
是最大植被截留率，单位符号为cm/min；k是雨滴滞留系数；将降雨时间划分为几个小的时间段，认为降雨强度在一个小的时间段内是恒定的(t
b
,t
p
)，对应的，截留过程也分为两个小的过程：子过程A为降雨强度等于截留率的时段t≤t0，即雨水全部被植被截留；子过程B是截留率呈指数下降的时段，t>t0，即植被截留后多余的雨水能够以水滴的形式落到地面；为了得到临界时间t0，用平均降雨强度计算降雨量，根据子过程A的假设，累积雨量的表达式为：式(2)中，C是植被覆盖度，单位为cm2/cm2；是t0之前的平均降雨强度，单位为cm/min；t
s
是式(1)截留率与近似截留率交点的时间，单位为min；t0之前的平均降雨强度的表达式为：式(3)中，r
t
是t时刻的降雨强度，单位为cm/min；时间交点处t＝t
s
，该时间交点处的截留率的表达式为：结合式(2)和式(4)，则有：结合式(2)和式(4)，则有：将式(3)代入式(6)中，得到：
式(7)的解t0通过二分法得到，结合式(3)和式(5)得到t
s
的值；得到降雨过程的截留过程的表达式为：Int＝C
·
Int
m
exp(
‑
k(t
‑
Δt
int
))，t>t0，(9)式(9)中，Δt
int
是截留时间的时间差，单位为min；Δt
int
＝t0‑
t
s
，自此，建好植被截留模型。3.根据权利要求1所述的非均匀降雨条件下考虑植被截留的径流估算方法，其特征在于：步骤2中，具体过程如下：采用Philip方法来表示入渗过程，表达式为：式(10)中，Inf是入渗速率，单位为cm/min；S是吸渗率，单位为cm/min
1/2
；积水时刻的入渗速率的表达式为：式(11)中，是平均降雨强度，单位为cm/min；t
p
是积水时间，单位为min；t1是原始Philip方程与平均降雨强度的交点，单位为cm/min，t
p
之前的平均降雨强度的表达式为：积水时刻之前的累积入渗量的表达式为：结合式(11)和(13)得到下式(14)和式(15)：
产流时间t
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶汪海，邵凡凡，燕浩奎，王全九，苏李君，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：