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一种网格化河北模型的 土壤下渗能力空间离散方法

阅读：330发布：2023-02-27

专利汇可以提供一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，包括：确定网格尺寸，得到网格水流方向，计算汇流面积，计算各网格的坡度，计算地形指数，计算各网格地形指数差值，建立地形指数累计分布曲线，相同面积比例对应下渗能力和地形指数差值的拟合。通过本发明的编码方法，可以实现下渗能力的网格离散化，为建立网格型河北模型提供了技术支持，运用地形指数作为转化中介，可以反应下垫面不均匀性对产流的影响。，下面是一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，包括：步骤1、确定网格尺寸；步骤2、得到网格水流方向；步骤3、计算汇流面积；步骤4、计算各网格的坡度；步骤5、计算地形指数；步骤6、计算各网格地形指数差值；步骤7、建立地形指数累计分布曲线；步骤8、相同面积比例对应下渗能力和地形指数差值的拟合。
2.根据权利要求1所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤3中计算各网格流经坡面任一点单位等高线长度的汇流面积，用α表示，计算公式为：
α＝(N+1)·A；
式中：N为单元格上游汇入该单元格的汇流网格数；A为单个网格面积。
3.根据权利要求1或2所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤4中：计算各网格的坡度，用β表示，计算公式为：
式中：Δh为相邻网格间的高程差；Δl为相邻网格中心的距离，若该网格的水流方向为正东、正南正西或正北，则Δh等于单元网格长度，若该网格的水流方向为东北、东南西北或西南，则Δh等于2倍单元格网长度。
4.根据权利要求3所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤5：根据步骤和步骤4中的计算结果计算各网格的地形指数γ，计算公式为：
5.根据权利要求4所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤6：计算各网格地形指数差值，即各网格地形指数和该研究区最小地形指数之间的差，计算公式为：
γ'i＝γi-γmin
式中，γ'i为各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值，γi为各网格的地形指数，γmin为该研究区最小地形指数。
6.根据权利要求5所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤7：以纵坐标为地形指数差值，横坐标为小于某一地形指数差值的网格占总网格数的比例，建立地形指数累计分布曲线的相关关系，即：
式中，为小于某一地形指数差值的网格占总网格数的比例，γ’i为步骤6中各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值。
7.根据权利要求1-6中任何一项所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤8：集总式河北模型中存在一条土壤下渗能力的分配曲线，即其中，a为小于或等于某一下渗率的面积占流域面积的比值，fm为流域最大点的下渗能力，fi为流域某一点的下渗能力，n为系数，通过降雨径流资料率定集总式河北模型得到n和fm；
选择相同面积比例对应的下渗能力分配曲线和地形指数累计分布曲线上对应的下渗能力值和地形指数差值，其中横坐标为地形指数差值，纵坐标为下渗能力值，拟合二者的关系，可表示为：
fj＝F(γ'i,θ)；
式中，θ为拟合二者关系时的参数，γ’i为步骤6中各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值，fi为流域中对应差值为γ’i的网格的下渗能力。
8.根据权利要求7所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：通过各网格的网格地形指数差值可计算得到各网格的下渗能力。
9.根据权利要求1-8中任何一项所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤1：根据研究区域的范围和研究需要确定所建立网格化河北模型的网格大小：Nm×Nm，N＞0，一次建模过程中各网格的大小应保持一致。
10.根据权利要求1-9中任何一项所述网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其特征在于：所述步骤2：借助Arcgis 10.2中的水文分析工具，通过单流向法得到流域的汇流累计矩阵，汇流累计矩阵标识的数为各个单元格上游汇入该单元格的汇流网格数，同时得到各网格的流向。

说明书全文

一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水文模型构建的方法，尤其是涉及一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法。

背景技术

[0002] 河北模型是在借鉴国内外诸多水文模型产汇流机理的基础上，结合河北省地区产汇流特点所研制出的半干旱半湿润区概念性集总式水文模型。目前，河北模型已成为中国洪水预报系统中主要预报模型之一，特别是在我国北方半干旱、半湿润地区，由于其良好的预报精度而受到广泛的应用。河北模型兼具蓄满产流和超渗产流两种产流机制，模型将天然径流划分为地表径流和地下径流两种水源，地表径流产生的条件是降雨强度大于下渗强度，地下径流产生的条件是下渗的水量满足土壤的缺水量，多余水量会产生地下径流，模型的产流方式属于先超渗，后蓄满。

[0003] 集总式水文模型将流域看做一个均一化的整体，不考虑流域模拟中各参数、各水文过程的空间非一致性。对于一个集总式模型来说，降雨的分布在空间上是均匀的，边界条件和流域的几何特征不存在突变，模拟过程中的水文过程不存在变异性。集总式水文模型由于模型本身的参数较少，减少了针对参数率定的资料需求，但由于未考虑水文过程在流域中的变化，因而无法真实刻画流域各点的径流过程。

[0004] 网格化河北模型中各个计算单元之间是相互独立的，在计算过程中可分别计算不同计算单元内的的水文过程，各单元之间无相互作用，在每一个网格上分别进行产流计算，完成对计算单元的处理后，再进行网格之间的汇流演算，模型可以灵活的调整网格的大小，实现流域内下垫面条件的离散化。

[0005] 网格化河北模型在各个单元内的计算依然遵循河北模型的产汇流原理，兼具蓄满产流和超渗产流两种产流机制，故如何确定各个单元格内的土壤下渗能力，直接影响超渗产流的计算。本发明提供一种通过土壤地形指数建立和土壤下渗能力关系的方法，求解网格化河北模型各个网格内的下渗能力，解决了网格化河北模型使用过程中的技术问题。

发明内容

[0006] 本发明设计了一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，其解决的技术问题是求解网格化河北模型各个网格内的下渗能力，解决了网格化河北模型使用过程中的技术问题。

[0007] 为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

[0008] 一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，包括：步骤1、确定网格尺寸；步骤2、得到网格水流方向；步骤3、计算汇流面积；步骤4、计算各网格的坡度；步骤5、计算地形指数；步骤6、计算各网格地形指数差值；步骤7、建立地形指数累计分布曲线；步骤8、相同面积比例对应下渗能力和地形指数差值的拟合。

[0009] 进一步，所述步骤3中计算各网格流经坡面任一点单位等高线长度的汇流面积，用α表示，计算公式为：

[0010] α＝(N+1)·A；

[0011] 式中：N为单元格上游汇入该单元格的汇流网格数；A为单个网格面积。

[0012] 进一步，所述步骤4中：计算各网格的坡度，用β表示，计算公式为：

[0013]

[0014] 式中：Δh为相邻网格间的高程差；Δl为相邻网格中心的距离，若该网格的水流方向为正东、正南正西或正北，则Δh等于单元网格长度，若该网格的水流方向为东北、东南西北或西南，则Δh等于2倍单元格网长度。

[0015] 进一步，所述步骤5：根据步骤和步骤4中的计算结果计算各网格的地形指数γ，计算公式为：

[0016]

[0017] 进一步，所述步骤6：计算各网格地形指数差值，即各网格地形指数和该研究区最小地形指数之间的差，计算公式为：

[0018] γ′i＝γi-γmin

[0019] 式中，γ′i为各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值，γi为各网格的地形指数，γmin为该研究区最小地形指数。

[0020] 进一步，所述步骤7：以纵坐标为地形指数差值，横坐标为小于某一地形指数差值的网格占总网格数的比例，建立地形指数累计分布曲线的相关关系，即：

[0021]

[0022] 式中，为小于某一地形指数差值的网格占总网格数的比例，γ′i为步骤6中各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值。

[0023] 进一步，所述步骤8：集总式河北模型中存在一条土壤下渗能力的分配曲线，即[0024]

[0025] 其中，a为小于或等于某一下渗率的面积占流域面积的比值，fm为流域最大点的下渗能力，fi为流域某一点的下渗能力，n为系数，通过降雨径流资料率定集总式河北模型得到n和fm；

[0026] 选择相同面积比例对应的下渗能力分配曲线和地形指数累计分布曲线上对应的下渗能力值和地形指数差值，其中横坐标为地形指数差值，纵坐标为下渗能力值，拟合二者的关系，可表示为：

[0027] fj＝F(γ′i,θ)；

[0028] 式中，θ为拟合二者关系时的参数，γ′i为步骤6中各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值，fi为流域中对应差值为γ′i的网格的下渗能力。

[0029] 进一步，通过各网格的网格地形指数差值可计算得到各网格的下渗能力。

[0030] 进一步，所述步骤1：根据研究区域的范围和研究需要确定所建立网格化河北模型的网格大小，Nm×Nm，N＞0，30m×30m、500m×500m或1km×1km，一次建模过程中各网格的大小应保持一致。

[0031] 进一步，所述步骤2：借助Arcgis 10.2中的水文分析工具，通过单流向法得到流域的汇流累计矩阵，汇流累计矩阵标识的数为各个单元格上游汇入该单元格的汇流网格数，同时得到各网格的流向。

[0032] 该网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法具有以下有益效果：

[0033] 本发明研究建立地形指数和下渗能力之间的关系，实现了下渗能力在流域空间上的离散，为建立网格型河北模型提供了技术支持，运用地形指数作为转化中介，可以一定程度的反应下垫面不均匀性对产流的影响。附图说明

[0034] 图1是本发明中网格划分示意图；

[0035] 图2是本发明中地形指数累计分布曲线示意图；

[0036] 图3为本发明中地形指数和下渗能力对应关系示意图。

具体实施方式

[0037] 下面结合图1至图3，对本发明做进一步说明：

[0038] 本实施例是一种网格化河北模型的土壤下渗能力空间离散方法，流程如图1所示。本实施例所述方法的步骤如下：

[0039] 步骤1：根据研究区域的范围和研究需要确定所建立网格化河北模型的网格大小，例如30m×30m、500m×500m或1km×1km，一次建模过程中各网格的大小应保持一致；

[0040] 步骤2：借助Arcgis 10.2中的水文分析工具，通过单流向法得到流域的汇流累计矩阵，汇流累计矩阵标识的数为各个单元格上游汇入该单元格的汇流网格数，同时得到各网格的流向；

[0041] 步骤3中计算各网格流经坡面任一点单位等高线长度的汇流面积，用α表示，计算公式为：

[0042] α＝(N+1)·A；

[0043] 式中：N为单元格上游汇入该单元格的汇流网格数；A为单个网格面积。

[0044] 进一步，所述步骤4中：计算各网格的坡度，用β表示，计算公式为：

[0045]

[0046] 式中：Δh为相邻网格间的高程差；Δl为相邻网格中心的距离，若该网格的水流方向为正东、正南正西或正北，则Δh等于单元网格长度，若该网格的水流方向为东北、东南西北或西南，则Δh等于2倍单元格网长度。

[0047] 步骤5：根据步骤和步骤4中的计算结果计算各网格的地形指数γ，计算公式为：

[0048]

[0049] 步骤6：计算各网格地形指数差值，即各网格地形指数和该研究区最小地形指数之间的差，计算公式为：

[0050] γ′i＝γi-γmin

[0051] 式中，γ′i为各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值，γi为各网格的地形指数，γmin为该研究区最小地形指数。

[0052] 步骤7：以纵坐标为地形指数差值，横坐标为小于某一地形指数差值的网格占总网格数的比例，建立地形指数累计分布曲线的相关关系，即：

[0053]

[0054] 式中，为小于某一地形指数差值的网格占总网格数的比例，γ′i为5步骤6中各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值。

[0055] 步骤8：集总式河北模型中存在一条土壤下渗能力的分配曲线，即

[0056]

[0057] 其中，a为小于或等于某一下渗率的面积占流域面积的比值，fm为流域最大点的下渗能力，fi为流域某一点的下渗能力，n为系数，通过降雨径流资料率定集总式河北模型得到n和fm；

[0058] 选择相同面积比例对应的下渗能力分配曲线和地形指数累计分布曲线上对应的下渗能力值和地形指数差值，其中横坐标为地形指数差值，纵坐标为下渗能力值，拟合二者的关系，可表示为：

[0059] fj＝F(γ′i,θ)

[0060] 式中，θ为拟合二者关系时的参数，γ′i为步骤6中各网格地形指数和该研究区最小地形指数的差值，fi为流域中对应差值为γ′i的网格的下渗能力。

[0061] 通过各网格的网格地形指数差值可计算得到各网格的下渗能力。

[0062] 图2是实例中统计的阜平流域地形指数差值和面积比例之间的关系，以纵坐标为地形指数差值，横坐标为小于某一地形指数差值的网格占总网格数的比例，所建立地形指数累计分布曲线的相关关系。

[0063] 图3是实例中统计的选择相同面积比例对应的下渗能力分配曲线和地形指数累计分布曲线上对应的下渗能力值和地形指数差值之间的关系，点绘在坐标轴上，其中横坐标为地形指数差值，纵坐标为下渗能力值。

[0064] 上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

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