一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法技术

本发明专利技术公开了一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，涉及水文模拟技术领域，包括以下步骤：采集径流小区降雨径流过程数据进行分析，获取影响径流变化的影响因素，通过对土壤下渗能力随时间变化关系、土壤对降雨的最大响应深度和产流时间，以及径流小区的地表下渗、径流及土壤含水量变化，进行模拟分析，获取小流域产流机制与地貌特征的时空对应关系，并通过分析土壤基质吸力与土壤含水量的变化关系，考虑瞬时入渗率与雨强、土壤含水量与储水能力相结合的机制，对小流域非线性产汇流的时空变源机理进行表征；本发明专利技术实现了对于小流域非线性产汇流时空边缘机理的表征，为小流域非线性产汇流的后续计算提供了技术依据。依据。依据。

【技术实现步骤摘要】
一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法


[0001]本专利技术涉及水文模拟
，具体而言，涉及一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法。

技术介绍

[0002]产汇流理论是水文模拟的重要基础；高空间异质性的小流域暴雨山洪过程多遵循混合产流模式，而目前流域混合产流的计算方法主要有两种：一种是面积比例法，通过把流域按面积比例划分为超渗和蓄满产流区，利用相应产流公式分别计算不同区域产流量然后相加即为流域总产流量。这种方法计算简单，概念直观，但由于该方法多以常数面积比进行计算，无法准确模拟产流过程中蓄满、超渗产流区面积的时空变化。因此在下垫面条件复杂的小流域山洪产流模拟中的应用效果不佳。另一种是垂向混合法，通过将蓄满和超渗两种产流模式进行垂向组合计算产流量。该方法首先通过空间分布的下渗曲线将流域内落地净雨量分为地面产流量和下渗水量。对地面产流量被认为是直接产流，下渗水量则用来补给土壤缺水量。对比面积比例法，该方法中流域蓄满、超渗的面积比例是随前期土壤含水量和实际下渗量而实时变化的，在对流域产流机理的模拟上更加贴合实际情况。然而，由于包气带土壤中的水分运移转化是十分复杂的物理、化学相互作用过程，受多种力和多种能量的控制和制约，目前的垂向混合产流理论仍存在较大不足，尤其对流域蓄满、超渗产流机制的时空转化机制仍缺乏清晰的定量描述。此外，在流域范围内，由于包气带缺水量存在空间性差异，即使在降雨空间分布均匀的情况下，也不会出现整个流域同时产流的情况。研究流域中水文响应单元内产流机制的变化条件是准确模拟流域混合产流的关键。现有的混合产流理论多以气候条件(降雨强度或累积雨量)或流域下垫面静态属性(土地利用、土壤类型)作为蓄满产流区和超渗产流区的主要判别条件，缺少对相关物理特性在时间维度上的变化分析，难以满足产流机制复杂多变的小流域水文及洪水过程模拟需求。
[0003]而在流域汇流方面，单位线法汇流是流域汇流计算的主要工具之一，山洪灾害防治区大多是无水文资料的山丘区中小流域，难以利用传统的单位线分析方法(利用降雨和径流资料分析单位线)。所以，小流域单位线分析计算方法必须尽可能不依赖实测水文资料，并考虑汇流时变非线性的影响。经验单位线法和瞬时单位线法均采用系统分析的方法，需要根据实测水文气象资料确定汇流参数，难以用于缺资料地区。综合单位线法通过建立单位线特征值(如峰现时间、峰值流量、单位线底宽)与流域特征(如流域面积、最长汇流路径长等)间的关系确定单位线，例如SCS综合单位线和Snyder单位线。然而，该方法属于经验方法，假定单位线为单一峰值，未考虑不同降雨事件间单位线的不同等，均会带来很大的不确定性。地貌单位线通过建立单位线汇流特征值与流域地貌参数间的关系确定单位线，然而，由于流域汇流特征仅与最高级河道有关，与坡面径流及低级河道无关，而且难以确定小流域霍顿地貌参数，因此，该方法难以用于小流域，进而急需设计一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，将流域地形地貌特征与降雨特性作为影响小流域暴雨洪水过程的主要因子，基于数字高程模型探索流域水文响应与地形地貌、雨强间的非线性定量
关系，可为小流域非线性汇流进行表征，从而为计算提供有效依据。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，针对小流域地貌特征与产汇流机制对应关系不清晰，流域产流各组分和产流机制时空叠加、转换规律不明确等问题，通过分析土壤水饱和
‑
非饱和状态随降雨入渗变化机制，定量描述超渗/蓄满转换条件，并依据雨强和下垫面空间异质性的汇流非线性规律，对小流域非线性产汇流的时空变源机理进行表征，为小流域非线性汇流的计算提供有效依据。
[0005]为了实现上述技术目的，本申请提供了一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，包括：
[0006]采集径流小区降雨径流过程数据，通过K均值聚类法、结构方程法和多元Wald检验法，进行分析，获取影响径流变化的影响因素；
[0007]基于影响因素，通过对土壤下渗能力随时间变化关系、土壤对降雨的最大响应深度和产流时间，以及径流小区的地表下渗、径流及土壤含水量变化，进行模拟分析，获取小流域产流机制与地貌特征的时空对应关系；
[0008]基于时空对应关系，通过分析土壤基质吸力与土壤含水量的变化关系，考虑瞬时入渗率与雨强、土壤含水量与储水能力相结合的机制，对小流域非线性产汇流的时空变源机理进行表征。
[0009]优选地，在获取时空对应关系的过程中，基于HYDRUS
‑
1D模型进行数值模拟，对土壤下渗能力随时间变化关系、土壤对降雨的最大响应深度和产流时间以及径流小区地表下渗、径流及土壤含水量变化进行模拟分析，获取时空对应关系。
[0010]优选地，在对土壤下渗能力随时间变化关系进行分析的过程中，基于HYDRAUS
‑
1模型，模拟土壤的下渗能力fp(θ)～t关系曲线，获取土壤下渗能力随时间变化关系。
[0011]优选地，在对土壤对降雨的最大响应深度和产流时间进行分析的过程中，基于HYDRUS
‑
1D模型，模拟土壤非饱和入渗过程，获取不同土壤类型对暴雨的最大响应深度和产流时间。
[0012]优选地，在对产流时间进行分析的过程中，以小于6小时的时间作为短历时，分析土壤在短历时内对暴雨的响应深度，用于定量土壤产流对降雨响应的快慢程度。
[0013]优选地，在获取时空对应关系的过程中，基于HYDRUS
‑
1D对观测数据开展数值模拟，获取不同时间的地表入渗及径流分布以及不同深度土壤的含水率变化，获取径流小区的地表下渗、径流及土壤含水量变化。
[0014]优选地，在对时空变源机理进行表征的过程中，通过获取超渗地表径流、饱和地表径流、壤中流、地下径流，对时空变源机理进行表征，其中，超渗地表径流表示为：
[0015]i＞K
L
[0016]r＝i
‑
K
L
[0017]i≤K
L
且θ
L
＞θ
A
r＝i
‑
f
A
[0018]式中，r为超渗地表产流率；i为雨强；θ
L
为A层湿润锋到达L处的土壤含水率；f
A
为A层入渗率；K
L
为湿润锋到达L处的表层渗透系数；
[0019]饱和地表径流表示为：
[0020]f
B
＜i≤K
L
且θ
L
＝θ
A
＝θ
sA
且i＞f
A
＞f
B
[0021]r
sat
＝i
‑
(r
s
+f
B
)
[0022]式中，r
sat
为饱和地表径流(蓄满地表径流)；f
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，其特征在于，包括：采集径流小区降雨径流过程数据，通过K均值聚类法、结构方程法和多元Wald检验法，进行分析，获取影响径流变化的影响因素；基于所述影响因素，通过对土壤下渗能力随时间变化关系、土壤对降雨的最大响应深度和产流时间，以及径流小区的地表下渗、径流及土壤含水量变化，进行模拟分析，获取小流域产流机制与地貌特征的时空对应关系；基于所述时空对应关系，通过分析土壤基质吸力与土壤含水量的变化关系，考虑瞬时入渗率与雨强、土壤含水量与储水能力相结合的机制，对小流域非线性产汇流的时空变源机理进行表征。2.根据权利要求1所述一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，其特征在于：在获取时空对应关系的过程中，基于HYDRUS
‑
1D模型进行数值模拟，对土壤下渗能力随时间变化关系、土壤对降雨的最大响应深度和产流时间以及径流小区地表下渗、径流及土壤含水量变化进行模拟分析，获取所述时空对应关系。3.根据权利要求2所述一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，其特征在于：在对土壤下渗能力随时间变化关系进行分析的过程中，基于HYDRAUS
‑
1模型，模拟土壤的下渗能力fp(θ)～t关系曲线，获取所述土壤下渗能力随时间变化关系。4.根据权利要求3所述一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，其特征在于：在对土壤对降雨的最大响应深度和产流时间进行分析的过程中，基于HYDRUS
‑
1D模型，模拟土壤非饱和入渗过程，获取不同土壤类型对暴雨的最大响应深度和产流时间。5.根据权利要求4所述一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，其特征在于：在对产流时间进行分析的过程中，以小于6小时的时间作为短历时，分析土壤在所述短历时内对暴雨的响应深度，用于定量土壤产流对降雨响应的快慢程度。6.根据权利要求5所述一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，其特征在于：在获取时空对应关系的过程中，基于HYDRUS
‑
1D对观测数据开展数值模拟，获取不同时间的地表入渗及径流分布以及不同深度土壤的含水率变化，获取径流小区的地表下渗、径流及土壤含水量变化。7.根据权利要求6所述一种用于小流域非线性产汇流时空变源机理的表征方法，其特征在于：在对时空变源机理进行表征的过程中，通过获取超渗地表径流、饱和地表径流、壤中流、地下径流，对时空变源机理进行表征，其中，所述超渗地表径流表示为：f＞K
L
r＝i
‑
K
L
i≤K
L
且θ
L
＞θ
A r＝i
‑
f
A
式中，r为超渗地表产流率；i为雨强；θ
L
为A层湿润锋到达L处的土壤含水率；f
A
为A层入
渗率；K
L
为湿润锋到达L处的表层渗透系数；所述饱和地表径流表示为：f
B
＜i≤K
L
且θ
L
＝θ
A
＝θ
s
A且i＞f
A
＞f
B
r
sat
＝i
‑
(r
s
+f
B
)式中，r
sat
为饱...

【专利技术属性】
技术研发人员：马强，刘昌军，翟晓燕，常思源，张顺福，刘荣华，何秉顺，孙东亚，
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：