一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法技术

本发明专利技术属于水利工程的水循环技术领域，特别是涉及一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法。该方法包括：步骤一、流域下垫面基本数据处理；步骤二、核算流域范围内的栅格地形指数；步骤三、计算流域范围内的土壤特性参数；步骤四、定量表达流域缺水量的分布；步骤五、绘制流域缺水量累积分布曲线，从而得到分布式流域缺水量测算模型。本发明专利技术所得模型应用于实时洪水预报将可大幅度提高流域洪水预报的精度，为流域防洪预警等提供可靠的科学支撑。本发明专利技术既适用于集总式水文模型，又适用于分布式水文模型，将有效地推动流域水文科学研究的深入发展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法
本专利技术属于水利工程的水循环
，特别是涉及一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法。
技术介绍
自然界水循环过程对人类经济活动及社会活动都有极其重要的影响，水循环活动造成的洪灾、旱灾以及水资源的分配不均给全世界造成了巨大损失。为了能够了解水循环的过程，进而通过科学手段尽量避免水旱灾害，水文学对水循环过程做出了很多深入研究。现代水文学通过实验、物理过程分析总结水循环规律，并在此基础上结合数学物理方法建立能描述水循环过程的水文学模型，期待通过模型能准确地了解水循环的各相关过程。从二十世纪50年代到现代，水文学模型研究越来越趋近于理论化，模型从最初的统计模型，逐步过渡到半物理的概念性模型以及全动力过程描述的物理模型，通过这些模型的研究有力地推动了人类对水文循环过程的了解，对指定趋利避害的规则提供了大量的科学依据。目前水文模型主要的研究思路是分别研究水文产流和汇流，其中产流过程是核心，它决定了降雨后形成的洪水总量。而在产流过程中流域土壤的缺水量是决定性因素，降雨扣除缺土壤水量后即可得到产流量。基于此，当前的水文模型均引入了土壤缺水量相关的参数，蓄水容量是反映土壤缺水量的有效表达。流域地形是确定土壤缺水量的重要因子，我国著名的新安江模型提出了反映土壤缺水量空间分布的蓄水容量曲线，隐含地表达了地形变化和土壤下垫面变化对流域蓄水容量的影响；BeVen1979年提出的TOPModel是一个以地形为基础的半分布式水文模型，其主要特征是利用流域地形指数(ln(α/tanβ))作为一个水文相似性的指数，所有具有相同地形指数值的点，对降雨具有相同的水文响应。；VIC模型也提出了类似于流域缺水量计算方法，隐含了地形的影响。流域土壤特征是影响缺水量的另外一个关键指标，土壤性质决定了土壤的含水量范围，进而影响其缺水量，Troch就从理论上推导出了土壤饱和缺水量和土壤势能之间的关系表达式。虽然目前有关于地形对流域土壤缺水量影响的研究，但研究的成果多采用表现为经验性曲线来描述，比如新安江模型提出了一个抛物型的蓄水容量曲线，其中有经验性的参数需要率定，模型结构理论化程度不高。缺水量本质上与流域地形和土壤质地密切相关，但目前还未见结合地形和土壤特性来共同确定土壤缺水量的报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术的不足而提供一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法，可通过建立地理地形数据及土壤类型信息与流域栅格土壤缺水量之间的关系，实现在空间尺度上流域缺水量指标动态设定并与实际情况的吻合，从而得到分布式流域缺水量测算模型，将有效地推动流域水文模型的科学发展。根据本专利技术提出的一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，流域下垫面基本数据处理：地理数据采集、计算栅格指标和核算栅格土壤信息；步骤二，核算流域范围内的栅格地形指数：一是根据流域高程栅格，分别计算栅格坡度角、积水面积，获得任意栅格的地形指数；二是确立流域栅格内地形指数，获得全流域地形指数分布；步骤三，计算流域范围内的土壤特性参数：一是根据流域栅格土壤信息，分别计算每个栅格的土壤类型及其所占比重；二是确立流域栅格内土壤特性参数信息，建立土壤类型与土壤水分指标的映射关系；步骤四，定量表达流域缺水量的分布：计算栅格型土壤缺水量指标；步骤五，绘制流域缺水量累积分布曲线：根据步骤四的结果，计算各子流域内栅格点的缺水量，按照从小到大的顺序排列，再根据栅格面积比绘制各子流域离散化的地形指数累积分布曲线，即流域的缺水量分布曲线，从而得到分布式流域缺水量测算模型。本专利技术进一步的优选方案为：步骤一中所述的地理数据采集，包括收集流域地形数据、栅格高程数据、栅格土壤特性数据；所述的计算栅格指标，包括计算栅格内的坡度、坡向以及河长,划分流域边界,生成子流域拓扑关系与流域水系；所述的核算栅格土壤信息，包括计算栅格内各类土壤的比例，叠加栅格内各类土壤的组成。步骤四中所述的计算栅格型土壤缺水量指标，过程包括：（一）利用无降雨补给情况下土壤水分稳定状态分布曲线(以VG模型描述)，积分获得达到田间持水量状态的土壤缺水量：（二）利用空间尺度转化方法将土壤参数栅格化，结合实验方式获得各类土壤栅格内的土壤参数，通过这种方式获得式(1)中的θs、θr、Ψc、θf、α、n等参数；将式(1)中的地下水埋深D与地形指数通过建立如下关联式(2)～(4)：式(2)中：D为地下水埋深；Szm为参数；为流域地下水平均埋深；为流域平均地形指数；tpi为地形指数；（三）将式(4)代入式(1)计算栅格型土壤缺水量指标，该指标由流域内各栅格点缺水量与地形因子及土壤特征的相关表达式：流域中各栅格点地形指数不同，土壤特征各异，通过式(5)得到每个栅格点上相应的缺水量指标。本专利技术与现有技术相比的显著优点为：一是本专利技术能够实际计算出流域中各点的缺水量，反映流域内缺水量的空间分布特征，便于在分布式模型中应用；二是本专利技术能够考虑流域中的地形和土壤的空间分布，下垫面的非均质性将导致不同的缺水量曲线；三是计算参数少，只需要给出流域的平均蓄水容量WM，即可计算出参数Szm，然后就可确定缺水量曲线，而WM的给定一般有规律可循；四是在基于现代测量技术所得的前期资料支持下，本专利技术所得模型应用于实时洪水预报将可大幅度提高流域洪水预报的精度，为流域防洪预警等提供可靠的科学支撑。本专利技术既适用于集总式水文模型，又适用于分布式水文模型，将有效地推动流域水文科学研究的深入发展。附图说明图1本专利技术提出的分布式流域缺水量测算方法的流程示意图。图2寻找洼地区域或平坦区域出口的方法示意图。图3最短流程算法示意图。图4格网点水流方向编码示意图。图5一个简单的DEM及其计算结果示意图。图6DEM水文分析流程示意图。图7无降雨补给情况下土壤水分稳定状态分布曲线示意图。图8紫罗山流域水流方向矩阵示意图。图9紫罗山流域累计矩阵形式示意图。图10紫罗山流域水系示意图。图11紫罗山子流域分割及流域边界示意图。图12紫罗山子流域栅格坡度示意图。图13紫罗山流域内栅格地形指数示意图。图14流域缺水量与地形指数的关系示意图。图15不同土壤类型缺水量曲线示意图。具体实施方式下面结合附图和具体应用实施例对本专利技术作进一步的详细说明。结合图1，本专利技术提出的一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法，总体思路是以GIS(Geographicinformationsystem，地理信息系统)生成数字流域水系为基础，以分割流域地形指数栅格和土壤特征参数栅格为技术手段，结合程序分析各子流域土壤和地形指数分布，提取各子流域的缺水量分布，最终构建流域的缺水量测算模型。实施本专利技术的具体步骤包括：步骤一，流域下垫面基本数据处理。具体是以DEM(DigitalElevationModel,数值高程模型)数据为基础，计算栅格内坡度、坡向以及河长，划分流域边界，生成子流域拓扑关系与流域水系，其计算遵循以下顺序进行：(一)洼地处理被高程较高的区域围绕的洼地是应用数字高程流域水系生成模型生成流域水系的一大障碍，因为在决定水流方向以前，必须先将洼地填充。有些洼地是DEM生成过程中带来的数据错误，但另外一些却表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，流域下垫面基本数据处理：地理数据采集、计算栅格指标和核算栅格土壤信息；步骤二，核算流域范围内的栅格地形指数：一是根据流域高程栅格，分别计算栅格坡度角、积水面积，获得任意栅格的地形指数；二是确立流域栅格内地形指数，获得全流域地形指数分布；步骤三，计算流域范围内的土壤特性参数：一是根据流域栅格土壤信息，分别计算每个栅格的土壤类型及其所占比重；二是确立流域栅格内土壤特性参数信息，建立土壤类型与土壤水分指标的映射关系；步骤四，定量表达流域缺水量的分布：计算栅格型土壤缺水量指标；步骤五，绘制流域缺水量累积分布曲线：根据步骤四的结果，计算各子流域内栅格点的缺水量，按照从小到大的顺序排列，再根据栅格面积比绘制各子流域离散化的地形指数累积分布曲线，即流域的缺水量分布曲线，从而得到分布式流域缺水量测算模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于地形和土壤特性的分布式流域缺水量测算方法，包括：步骤一，流域下垫面基本数据处理：地理数据采集、计算栅格指标和核算栅格土壤信息；步骤二，核算流域范围内的栅格地形指数：一是根据流域高程栅格，分别计算栅格坡度角、积水面积，获得任意栅格的地形指数；二是确立流域栅格内地形指数，获得全流域地形指数分布；其特征在于还包括以下步骤：步骤三，计算流域范围内的土壤特性参数：一是根据流域栅格土壤信息，分别计算每个栅格的土壤类型及其所占比重；二是确立流域栅格内土壤特性参数信息，建立土壤类型与土壤水分指标的映射关系；步骤四，定量表达流域缺水量的分布：计算栅格型土壤缺水量指标，过程包括：(一)利用无降雨补给情况下土壤水分稳定状态分布曲线，以VG模型描述，积分获得达到田间持水量状态的土壤缺水量：(二)利用空间尺度转化方法将土壤参数栅格化，结合实验方式获得各类土壤栅格内的土壤参数，通过这种方式获得式(1)中的θs、θr、ψc、θf、α、n参数；其中：θs为土壤饱和含水率；θr为土壤凋萎含水率；θf为土壤田间持水率；ψc为田间持水量时毛细作用水柱上升的高度；α为土壤特征曲线的经验参数1；n为土壤特征曲线的经验参数2；将式...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓玲，向小华，陈喜，宋琪峰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：