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一种DHSVM模型的改进方法

阅读：566发布：2020-06-19

专利汇可以提供一种DHSVM模型的改进方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：包括增加了落水洞对汇流过程影响的计算的改进模块：采用未经填洼的DEM数据，利用ESRI ArcGIS技术进行落水洞识别与地表汇流计算，并将落水洞汇集的地表水计入地下河进行地下河汇流计算。本发明提供的一种DHSVM模型的改进方法，以喀斯特地区为研究对象，考虑岩溶地貌作用的地表-地下双重汇流系统水文过程，运用对DHSVM模型的改进，模拟降雨-径流响应过程，并分析模型改进的效果；模拟结果显示，模型较好地模拟了研究区域地下水径流过程，反映了地下径流与降雨、水文地质条件、下垫面特征等因素的响应关系。，下面是一种DHSVM模型的改进方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：包括增加了落水洞对汇流过程影响的计算的改进模块：采用未经填洼的DEM数据，利用ESRI ArcGIS技术进行落水洞识别与地表汇流计算，并将落水洞汇集的地表水计入地下河进行地下河汇流计算。
2.根据权利要求1所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：还包括增加了深层径流带对汇流过程影响的计算的改进模块：
深层径流带与其上覆的表层岩溶带的水量水分交换为：
式(1)中：dne是表层岩溶带的厚度；是t时刻表层岩溶带平均含水量；是t时刻土壤层渗入表层岩溶带水量；分别是t时刻表层岩溶带侧向流入和流出水量；
是t时刻表层岩溶带向深层径流带补给的水量；是t时刻深层径流带由于水位上升对表层岩溶带的反向补给；
式(2)中：St是t时刻深层径流带储水量；和分别是t时刻深层径流带的侧向流入与流出水量；
深层径流带侧向水流计算采用地形驱动影响下饱和壤中流的计算方法，利用地下水位计算深层径流带计算网格单元之间的水力梯度；
在深层径流带没有蓄满之前，上层的表层岩溶带水将下渗对深层径流带进行补给，直至深层径流带蓄满；当计算网格单元内深层径流带的水量大于其最大蓄水容量时，则多余的水量“返还”给上部表层岩溶带；
当计算网格单元内的深层径流带水位高于地下河河床时，含水层水量将会被地下河道截留；截留量的计算方法与地表河道截取壤中流相同。
深层径流带水流是地下河枯季径流的主要组成部分；在表层岩溶带下的深层含水层中存在着渗透性较小的裂隙蓄水层，即深层径流带；深层径流带水流是喀斯特流域地下河枯季径流的主要组成部分。
3.根据权利要求1所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：所述落水洞识别方法为：利用ESRIArcGIS技术进行落水洞及其汇水范围识别；根据落水洞的发育特征，利用ESRI ArcGIS在DEM图上判别洼地，洼地最低点即为落水洞所在位置，由洼地边界到落水洞的范围即为落水洞汇水范围；当洼地所在计算网格单元或周边计算网格单元内存在地下河管道时，所汇集地表水量将直接进入地下河，参与地下河汇流过程。
4.根据权利要求1所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：所述计算网格单元为DHSVM模型根据DEM网格大小将待考察河流流域划分为若干计算网格单元，每个计算网格单元内气象要素和下垫面特征都随时空变化而不同；所述气象要素包括降雨、气温和辐射；所述下垫面特征包括坡度、坡向、土壤和植被。
5.根据权利要求1所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：所述计算网格单元的大小与DEM网格大小相同。
6.根据权利要求1所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：所述DHSVM模型的改进方法包括以下步骤：
步骤一：采用1:1万地形图生成DEM数据；
步骤二：地表河网的生成：根据DEM数据，利用ESRIArcGIS 软件生成地表河网，所述地表河网由若干段地表河道组成；
步骤三：根据待考察地貌的实际地表水系矫正步骤二中的地表河网；
步骤四：根据DEM网格大小将所述地表河网划分为若干计算河段，根据DEM计算每一段计算河段的坡度；步骤四用于自动确定计算河段坡度并对每段地表河道的连接顺序进行自动编号，用以计算地表河道间水流运动；所述水流运动即河道汇流；
步骤五：地下河网的生成：根据野外勘测的地下河分布，在ESRIArcGIS软件里绘制地下河网，人工确定每段地下河道的连接顺序并进行人工编号，用以计算每段地下河道的汇流；并根据DEM网格大小将所述地下河网划分为若干计算地下河段；
步骤六：将每段计算地下河段内表层岩溶带和深层径流带的裂隙介质均概化为等效连续介质，其渗透性根据每段计算地下河段内裂隙介质的总透水能力确定；
所述裂隙介质与多孔介质对应，由各种裂隙组成裂隙水的通道；
裂隙水是存在于岩石裂隙中的地下水，是喀斯特地区供水的重要来源，也是矿坑充水的重要来源；
概化就是为计算方便，按照计算断面水流速度和流量性质保持一致的前提下，把原本的非连续性的裂隙通道用连续性的孔隙通道代替。
步骤七：一定时间间隔内收集每个计算河段内的气象要素；一定时间间隔为5～
60min；
步骤八：收集下垫面特征及给予下垫面特征的参数赋值；
步骤九：计算网格单元划分与模拟时间的确定：计算网格单元大小采用与DEM网格一样的网格大小，为100m×100m；所述模拟时间包括参数率定期和模型验证期，所述参数率定期为至少1年，所述模型验证期为至少半年，所述参数率定期和模型验证期的计算步长均为至少1小时；
所述模型验证期位于所述参数率定期之后；
所述参数率定期就是根据实测值与计算误差最小的原则确定模型各参数；
所述模型验证期就是选取不同的时段，利用率定好的参数进行计算，验证计算结果与实测值的一致性；
步骤十：落水洞识别；
步骤十一：参数率定与模型验证：根据待考察河流流域出口的地下河与地表河实测流量数据，采用试错法对模型进行参数率定和模型验证。
7.根据权利要求1所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：落水洞汇集的地表水包括落水洞周围地表水流，表层岩溶带水流和壤中流。
8.根据权利要求6所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：步骤八中的参数赋值方法为根据试验观测手段得出参数的具体值，然后使模型中的参数取这些具体值。
9.根据权利要求6所述的一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：步骤九中的不同的时段包括降雨初期、洪水期和退水期。

说明书全文

一种DHSVM模型的改进方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种DHSVM模型的改进方法，尤其涉及一种考虑了落水洞和深层径流带对汇流过程的影响的DHSVM模型。

背景技术

[0002] DHSVM(Distributed Hydrology Soil Vegetation Model)是由美国华盛顿大学开发的基于土壤、植被和水文相互作用的分布式水文模型。模型对流域蒸散发、土壤水和径流等水文过程进行动态描述，考虑土壤和植被对流域水文过程的影响，反映其时空变化规律。

[0003] 模型物理过程主要包括蒸散发过程、非饱和土壤入渗过程、壤中流、坡面地表流过程和河道汇流过程。

[0004] DHSVM原模型中地表水与表层岩溶带裂隙水模块可以较好地模拟洪水过程。但对枯期径流进行长期模拟时，效果较差。针对这一问题目前主要是运用大量的实测流量资料通过统计学方法或者偏差修正方法进行处理，而不根据实际的水文地质条件考虑造成这一问题的原因。

[0005] DHSVM原模型在进行喀斯特流域的径流变化模拟时存在较大误差，故本发明针对喀斯特流域地表和地下水系结构及包含土壤、裂隙和管道的多重介质水流特征，对DHSVM模型进行了改进，考虑表层岩溶带的裂隙水流和地下河对产生汇流过程的影响，建立了适用于西南喀斯特流域的分布式水文模型。考虑表层岩溶裂隙与深部岩溶裂隙发育程度差异，及其对雨洪径流特征影响的不同，本发明还在此基础上增加了深层径流带的水文过程；考虑到落水洞等喀斯特地貌对地表径流的汇集作用，增加落水洞识别及其对地表径流汇流过程并进入地下水系的作用。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种考虑了落水洞对喀斯特流域汇流过程的影响的DHSVM模型的改进方法；进一步地，本发明提供了一种考虑了深层径流带对喀斯特流域汇流过程的影响的DHSVM模型的改进方法。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0008] 一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：包括增加了落水洞对汇流过程影响的计算的改进模块：采用未经填洼的DEM数据，利用ESRI ArcGIS技术进行落水洞识别与地表汇流计算，并将落水洞汇集的地表水计入地下河进行地下河汇流计算。

[0009] 本发明还包括增加了深层径流带对汇流过程影响的计算的改进模块：

[0010] 深层径流带储存量与上部表层岩溶带补给量和排泄量之间相互联系、不断转化，处于动态平衡状态。由于地下水的补给和排泄，使得深层径流带中的地下水能够不断交替和更新。在不同的时期，深层径流带蓄水量随着补给量和排泄量的大小而变化。

[0011] 深层径流带与其上覆的表层岩溶带的水量水分交换为：

[0012]

[0013]

[0014] 式(1)中：dne是表层岩溶带的厚度；是t时刻表层岩溶带平均含水量；是t时刻土壤层渗入表层岩溶带水量；分别是t时刻表层岩溶带侧向流入和流出水量；是t时刻表层岩溶带向深层径流带补给的水量；是t时刻深层径流带由于水位上升对表层岩溶带的反向补给；
t

[0015] 式(2)中：S是t时刻深层径流带储水量；和分别是t时刻深层径流带的侧向流入与流出水量；

[0016] 深层径流带侧向水流计算采用地形驱动影响下饱和壤中流的计算方法，利用地下水位计算深层径流带计算网格单元之间的水力梯度；

[0017] 在深层径流带没有蓄满之前，上层的表层岩溶带水将下渗对深层径流带进行补给，直至深层径流带蓄满；当计算网格单元内深层径流带的水量大于其最大蓄水容量时，则多余的水量“返还”给上部表层岩溶带；

[0018] 当计算网格单元内的深层径流带水位高于地下河河床时，含水层水量将会被地下河道截留；截留量的计算方法与地表河道截取壤中流相同。

[0019] 地形驱动影响下饱和壤中流的计算方法和截留量的计算方法均为原始DHSVM模型中的方法。

[0020] 深层径流带水流是地下河枯季径流的主要组成部分；在表层岩溶带下的深层含水层中存在着渗透性较小的裂隙蓄水层，即深层径流带；深层径流带水流是喀斯特流域地下河枯季径流的主要组成部分。

[0021] 所述落水洞识别方法为：利用ESRIArcGIS技术进行落水洞及其汇水范围识别；根据落水洞的发育特征，利用ESRI ArcGIS在DEM图上判别洼地，洼地最低点即为落水洞所在位置，由洼地边界到落水洞的范围即为落水洞汇水范围；当洼地所在计算网格单元或周边计算网格单元内存在地下河管道时，所汇集地表水量将直接进入地下河，参与地下河汇流过程。

[0022] 所述计算网格单元为DHSVM模型根据DEM网格大小将待考察河流流域划分为若干计算网格单元，每个计算网格单元内气象要素和下垫面特征都随时空变化而不同；所述气象要素包括降雨、气温和辐射；所述下垫面特征包括坡度、坡向、土壤和植被。

[0023] 所述计算网格单元的大小与DEM网格大小相同。

[0024] 所述DHSVM模型的改进方法包括以下步骤：

[0025] 步骤一：采用1:1万地形图生成DEM数据；

[0026] 步骤二：地表河网的生成：根据DEM数据，利用ESRIArcGIS 软件生成地表河网，所述地表河网由若干段地表河道组成；

[0027] 步骤三：根据待考察地貌的实际地表水系矫正步骤二中的地表河网；

[0028] 步骤四：根据DEM网格大小将所述地表河网划分为若干计算河段，根据DEM计算每一段计算河段的坡度；步骤四用于自动确定计算河段坡度并对每段地表河道的连接顺序进行自动编号，用以计算地表河道间水流运动；所述水流运动即河道汇流；

[0029] 步骤五：地下河网的生成：根据野外勘测的地下河分布，在ESRIArcGIS软件里绘制地下河网，人工确定每段地下河道的连接顺序并进行人工编号，用以计算每段地下河道的汇流；并根据DEM网格大小将所述地下河网划分为若干计算地下河段；

[0030] 步骤六：将每段计算地下河段内表层岩溶带和深层径流带的裂隙介质均概化为等效连续介质，其渗透性根据每段计算地下河段内裂隙介质的总透水能力确定；

[0031] 所述裂隙介质与多孔介质对应，由各种裂隙组成裂隙水的通道；

[0032] 裂隙水是存在于岩石裂隙中的地下水，是喀斯特地区供水的重要来源，也是矿坑充水的重要来源；

[0033] 概化就是为计算方便，按照计算断面水流速度和流量性质保持一致的前提下，把原本的非连续性的裂隙通道用连续性的孔隙通道代替。

[0034] 裂隙“非连续性”就是说裂隙可能一条与另一条不相连，那它们之间就没有连续，也就没有水流(只是岩石)，而孔隙的“连续性”是指孔隙一个一个都是联通的，它们之间都存在水的填充。

[0035] 步骤七：一定时间间隔内收集每个计算河段内的气象要素；一定时间间隔为5～60min；

[0036] 步骤八：收集下垫面特征及给予下垫面特征的参数赋值；

[0037] 步骤九：计算网格单元划分与模拟时间的确定：计算网格单元大小采用与DEM网格一样的网格大小，为100m×100m；所述模拟时间包括参数率定期和模型验证期，所述参数率定期为至少1年，所述模型验证期为至少半年，所述参数率定期和模型验证期的计算步长均为至少1小时；

[0038] 所述模型验证期位于所述参数率定期之后；

[0039] 所述参数率定期就是根据实测值与计算误差最小的原则确定模型各参数；

[0040] 所述模型验证期就是选取不同的时段，利用率定好的参数进行计算，验证计算结果与实测值的一致性；

[0041] 步骤十：落水洞识别；

[0042] 步骤十一：参数率定与模型验证：根据待考察河流流域出口的地下河与地表河实测流量数据，采用试错法对模型进行参数率定和模型验证。

[0043] 落水洞汇集的地表水包括落水洞周围地表水流，表层岩溶带水流和壤中流。

[0044] 步骤八中的参数赋值方法为根据试验观测手段得出参数的具体值，然后使模型中的参数取这些具体值。

[0045] 步骤九中的不同的时段包括降雨初期、洪水期和退水期。

[0046] 试错法是DHSVM模型中最常用的方法，就是看计算结果与实际结果的差异，如果差异较大，就改变参数重新计算，直至误差达到可接受的范围内截止，这就是试错法。

[0047] 喀斯特地区分为地表河系统和地下河系统，步骤二生成的是地表河系统，步骤五生成的是地下河系统。由于地表河系统是根据地形判断生成的，在生成过程中已自动判断出各段地表河道的高低并分配了链接编号，用以计算汇流。地下河汇流计算也需要知道每段地下河道的链接顺序，而地下河系统往往发育并不受地形控制，因此无法自动判定并赋编号，因此需要人工编号。

[0048] 对于较大的喀斯特流域，往往很难获得详细的裂隙特征参数，因而难以准确描述细小裂隙水流运动过程。本发明在模型计算中，将计算网格单元内表层岩溶带和深层径流带的裂隙介质均概化为等效连续介质，其渗透性根据计算网格单元内裂隙总透水能力确定。

[0049] DHSVM原模型中地表水与表层岩溶带裂隙水模块可以较好地模拟洪水过程。但对枯期径流进行长期模拟时，效果较差。针对这一问题目前主要是运用大量的实测流量资料通过统计学方法或者偏差修正方法进行处理，而不根据实际的水文地质条件考虑造成这一问题的原因。本发明根据西南喀斯特地区的二元水文地质结构，在表层岩溶带下的深层含水层中存在着渗透性较小的裂隙蓄水层，即深层径流带。深层径流带水流是喀斯特流域地下河枯季径流的主要组成部分。因此，有必要在表层岩溶带之下添加深层径流带模块，综合考虑表层岩溶带和其下的深层径流带之间的水力联系，以及深层径流带对地下河的补给。

[0050] 本发明中地表河与地下河在水流汇集中的作用：

[0051] 1、地表水系演算方法

[0052] 地表水系演算采用线性槽蓄法计算。将各地表河道划分为若干的独立计算河段，每一计算河段有各自的水力学参数。每一计算河段的侧向入流由该计算河段经过的流域计算网格单元的坡面流和表层岩溶带或表层土层中侧向汇流组成，出流流入相邻计算河段或流出该流域，也有可能回到其所在的流域计算网格单元内，此时该段地表河道出流量将会被加到计算网格单元的地表水内，如果地表水系与地下水系相交，有可能会再次转化为地下水流。

[0053] 线性槽蓄法把各地表河道视为宽度为常数的水库，并假设每条地表河道出流量Q与槽蓄量S之间成线性关系，即Q＝kS，其中

[0054]

[0055] 式中，Rr是参考水深下的水力半径(取河道切割深度的3/4)；So、ΔL和n分别表示坡降、地表河道长度与地表河道糙率。

[0056] 时段末蓄水量的计算公式如下：

[0057]

[0058] 式中，Qin为时段内上游入流量和侧向入流量。

[0059] 河道平均出流量Qout由水量平衡方程求：

[0060]

[0061] 2、地下水系演算方法

[0062] 地下暗河、裂隙和地下河道在喀斯特流域水流汇流过程中起重要作用。根据研究待考察地貌地下河发育特点，本发明将地下河网概化为树状河网，根据野外调查，掌握地下河道的分布范围及地下河道发育特征。规定地下河道的首位相连顺序及特征参数，并根据DEM网格大小将所述地下河网划分为若干计算地下河段；利用ESRI ArcGIS软件生成地下河网，包括地下河道长度、坡度、粗糙度以及地下河道编号等信息。采用与地表河相同的线性槽蓄法对地下河进行河道汇流计算，侧向入流量除土壤、表层岩溶带补给外，还包括深层径流带和落水洞的补给。

[0063] 2.1、地表河与地下河水流交换

[0064] 在某些地下河与地表河交汇处，地下河袭夺地表河道水流。地表河道出流量作为地下河的侧向流量进入地下河，即：

[0065] Vg侧＝Vsoil+Vf+Vs侧

[0066] Vs侧＝Qsout×Δt

[0067] 式中，Vg侧为某一计算地下河段的侧向入流量；Vsoil为该计算地下河段经过的计算网格单元内土壤水的补给；Vf为该计算地下河段经过的计算网格单元内表层岩溶带裂隙水的补给；Vs侧为地下河袭夺地表河道水量；Qsout为所袭夺地表河道的出流量。

[0068] 2.2、落水洞、天窗以及漏斗等汇集地表水补给地下河道

[0069] DHSVM原模型采用填洼方法生成汇流路径。根据喀斯特地貌发育机理及野外调查资料，落水洞、天窗以及漏斗等地貌单元多发育在地势低洼处，洪水期坡面径流汇集至洼地后，可通过落水洞等地貌单元直接进入地下暗河，因此原模型无法考虑落水洞等喀斯特地貌汇集表层径流并集中补给地下暗河的作用。

[0070] 本发明在模型中，采用不经填洼处理的DEM数据，利用ESRI ArcGIS技术，结合现场调查，识别落水洞等地形洼地及其汇水范围。当洼地所在计算网格单元或周边计算网格单元内存在地下河管道时，所汇集地表水量将直接进入地下河，参与地下河汇流过程。

[0071] 本发明提供的一种DHSVM模型的改进方法，以喀斯特地区为研究对象，考虑岩溶地貌作用的地表-地下双重汇流系统水文过程，运用对DHSVM模型的改进，模拟降雨-径流响应过程，并分析模型改进的效果；模拟结果显示，模型较好地模拟了研究区域地下水径流过程，反映了地下径流与降雨、水文地质条件、下垫面特征等因素的响应关系；根据喀斯特地区坡地汇流特征，落水洞主要对暴雨洪水过程影响显著，即体现在对洪峰的影响。附图说明

[0072] 图1为本发明中表层岩溶带中水流运动示意图；

[0073] 图2为原模型落水洞等地形洼地填洼后的汇流路径；

[0074] 图3为本发明落水洞等地形洼地未经填洼后的实际汇流路径；

[0075] 图4为本发明地下河率定期降雨径流模拟结果图；

[0076] 图5为本发明地表河率定期降雨径流模拟结果图；

[0077] 图6为本发明地下河验证期降雨径流模拟结果图；

[0078] 图7为本发明地表河验证期降雨径流模拟结果图；

[0079] 图8为本发明落水洞对地下河径流的影响图；

[0080] 图9为本发明深层径流带对地下河径流的影响图。

具体实施方式

[0081] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0082] 如图1～9所示，本发明以后寨河流域为研究对象，考虑岩溶地貌作用的地表-地下双重汇流系统水文过程，运用对DHSVM模型的改进，模拟降雨-径流响应过程，并分析模型改进的效果。

[0083] 一种DHSVM模型的改进方法，其特征在于：包括增加了落水洞对汇流过程影响的计算的改进模块：采用未经填洼的DEM数据，利用ESRI ArcGIS技术进行落水洞识别与地表汇流计算，并将落水洞汇集的地表水计入地下河进行地下河汇流计算。

[0084] 还包括增加了深层径流带对汇流过程影响的计算的改进模块：

[0085] 深层径流带与其上覆的表层岩溶带的水量水分交换为：

[0086]

[0087]

[0088] 式(1)中：dne是表层岩溶带的厚度；是t时刻表层岩溶带平均含水量；是t时刻土壤层渗入表层岩溶带水量；分别是t时刻表层岩溶带侧向流入和流出水量；是t时刻表层岩溶带向深层径流带补给的水量；是t时刻深层径流带由于水位上升对表层岩溶带的反向补给；

[0089] 式(2)中：St是t时刻深层径流带储水量；和分别是t时刻深层径流带的侧向流入与流出水量；

[0090] 深层径流带侧向水流计算采用地形驱动影响下饱和壤中流的计算方法，利用地下水位计算深层径流带计算网格单元之间的水力梯度；

[0091] 在深层径流带没有蓄满之前，上层的表层岩溶带水将下渗对深层径流带进行补给，直至深层径流带蓄满；当计算网格单元内深层径流带的水量大于其最大蓄水容量时，则多余的水量“返还”给上部表层岩溶带；

[0092] 当计算网格单元内的深层径流带水位高于地下河河床时，含水层水量将会被地下河道截留；截留量的计算方法与地表河道截取壤中流相同。

[0093] 深层径流带水流是地下河枯季径流的主要组成部分；在表层岩溶带下的深层含水层中存在着渗透性较小的裂隙蓄水层，即深层径流带；深层径流带水流是喀斯特流域地下河枯季径流的主要组成部分。

[0094] 所述落水洞识别方法为：利用ESRIArcGIS技术进行落水洞及其汇水范围识别；根据落水洞的发育特征，利用ESRI ArcGIS在DEM图上判别洼地，洼地最低点即为落水洞所在位置，由洼地边界到落水洞的范围即为落水洞汇水范围；当洼地所在计算网格单元或周边计算网格单元内存在地下河管道时，所汇集地表水量将直接进入地下河，参与地下河汇流过程。

[0095] 所述计算网格单元为DHSVM模型根据DEM网格大小将待考察河流流域划分为若干计算网格单元，每个计算网格单元内气象要素和下垫面特征都随时空变化而不同；所述气象要素包括降雨、气温和辐射；所述下垫面特征包括坡度、坡向、土壤和植被。

[0096] 所述计算网格单元的大小与DEM网格大小相同。

[0097] 所述DHSVM模型的改进方法包括以下步骤：

[0098] 步骤一：采用1:1万地形图生成DEM数据；

[0099] 步骤二：地表河网的生成：根据DEM数据，利用ESRIArcGIS软件生成地表河网，所述地表河网由若干段地表河道组成；

[0100] 步骤三：根据待考察地貌的实际地表水系矫正步骤二中的地表河网；

[0101] 步骤四：根据DEM网格大小将所述地表河网划分为若干计算河段，根据DEM计算每一段计算河段的坡度；步骤四用于自动确定计算河段坡度并对每段地表河道的连接顺序进行自动编号，用以计算地表河道间水流运动；所述水流运动即河道汇流；

[0102] 步骤五：地下河网的生成：根据野外勘测的地下河分布，在ESRIArcGIS软件里绘制地下河网，人工确定每段地下河道的连接顺序并进行人工编号，用以计算每段地下河道的汇流；并根据DEM网格大小将所述地下河网划分为若干计算地下河段；

[0103] 步骤六：将每段计算地下河段内表层岩溶带和深层径流带的裂隙介质均概化为等效连续介质，其渗透性根据每段计算地下河段内裂隙介质的总透水能力确定；

[0104] 所述裂隙介质与多孔介质对应，由各种裂隙组成裂隙水的通道；

[0105] 裂隙水是存在于岩石裂隙中的地下水，是喀斯特地区供水的重要来源，也是矿坑充水的重要来源；

[0106] 概化就是为计算方便，按照计算断面水流速度和流量性质保持一致的前提下，把原本的非连续性的裂隙通道用连续性的孔隙通道代替。

[0107] 步骤七：一定时间间隔内收集每个计算河段内的气象要素；一定时间间隔为5～60min；

[0108] 步骤八：收集下垫面特征及给予下垫面特征的参数赋值；

[0109] 步骤九：计算网格单元划分与模拟时间的确定：计算网格单元大小采用与DEM网格一样的网格大小，为100m×100m；所述模拟时间包括参数率定期和模型验证期，所述参数率定期为至少1年，所述模型验证期为至少半年，所述参数率定期和模型验证期的计算步长均为至少1小时；

[0110] 所述模型验证期位于所述参数率定期之后；

[0111] 所述参数率定期就是根据实测值与计算误差最小的原则确定模型各参数；

[0112] 所述模型验证期就是选取不同的时段，利用率定好的参数进行计算，验证计算结果与实测值的一致性；

[0113] 步骤十：落水洞识别；

[0114] 步骤十一：参数率定与模型验证：根据待考察河流流域出口的地下河与地表河实测流量数据，采用试错法对模型进行参数率定和模型验证。

[0115] 落水洞汇集的地表水包括落水洞周围地表水流，表层岩溶带水流和壤中流。

[0116] 步骤八中的参数赋值方法为根据试验观测手段得出参数的具体值，然后使模型中的参数取这些具体值。

[0117] 步骤九中的不同的时段包括降雨初期、洪水期和退水期。

[0118] 后寨河流域内气象资料采用陈旗多要素气象观测站观测资料，包括降雨、气温、风速、相对湿度、辐射等气象要素，观测步长为5分钟。流域内设有陈旗、老黑潭、后寨河及冒水坑降雨观测站，观测步长为15分钟。

[0119] 水文资料采用流域内地下河出口冒水坑站点与地表河出口后寨河站点2007-2009年逐小时流量观测资料。

[0120] 下垫面资料及参数赋值：根据实地调查将流域内下垫面主要分为5种类型，分别为林地、灌丛、作物、固化地面和水面。其中林地、灌丛和作物参数，参照经验取值范围及陆面数据同化系统LDAS(Land Data Assimilation System)确定，根系带深度与根系发育如表1所示。固化地面与水面均不考虑水分入渗，即降雨直接产生地表径流，向临近计算网格单元汇流。

[0121] 表1、后寨河流域植被根系参数特征

[0122]

[0123] 本发明的模型在垂向上分为3层，分别为土壤层、表层岩溶带和深层水流带，根据实际调查及试验确定各层水文地质参数作为模型初始参数。

[0124] 根据野外实地调查将土壤总体上分为3类，分别为粘土、粘壤土和壤土。东部山区土壤厚度30～50cm，西部平原区土壤厚度1～2m。根据室内实验测得三种土壤的孔隙度为0.3～0.45，田间持水率为0.15～0.36。采用单环入渗法进行渗透系数的野外原位测-7定，测得粘土垂向饱和渗透系数量级为10 m/s，粘壤土和壤土的垂向饱和渗透系数量级分-6 -5
别为10 和10 m/s。侧向饱和渗透系数量级分别取垂向饱和渗透系数量级的10倍。

[0125] 根据野外调查统计，表层岩溶带裂隙率为0.05～0.1，通过现场试验测定渗透系-4 -3数量级为10 ～10 m/s。通过探地雷达勘测得到后寨河流域表层岩溶带发育厚度为3～
20m。根据流域地形以及典型调查点表层岩溶带深度勘测生成表层岩溶带厚度的空间分布。

[0126] 根据俞锦标等学者对后寨河流域水文地质调查结果，该流域最小径流带埋深约20～40m，结合表层岩溶带发育厚度勘测分析结果(3～20m)，设深层径流带厚度约为
20m。

[0127] 表层岩溶带渗透性随深度增加而减小，且在表层岩溶带底部，渗透性减小趋势更为显著。参考上面估计的渗透系数范围，将深层径流带垂向和侧向饱和渗透系数初始值量-6 -5级定为10 ～10 m/s，根据实测径流对参数进一步率定。

[0128] 计算网格单元划分与模拟时间：根据生成的后寨河流域DEM数据，计算网格单元大小采用与DEM一样的网格大小，为100m×100m。将流域划分为96行、124列。根据实测资料，模型模拟时段率定期为2007年7月27日-2008年12月31日，验证期为2009年3月13日-2009年11月10日，计算步长为1小时。

[0129] 落水洞识别：由于落水洞多发育于山区低洼地形处，因此采用不经填洼的DEM数据，利用ESRIArcGIS技术进行落水洞及其汇水范围识别。根据落水洞的发育特征，利用ESRI ArcGIS在DEM图上判别洼地，洼地最低点即为落水洞所在位置，由洼地边界到落水洞的范围即为落水洞汇水范围。受水力梯度及汇水范围影响，山区落水洞对地表水流汇集具有显著的控制作用。相对山区，平原区落水洞对地表水流汇集作用较弱。因此，本次模拟只对流域东部山区落水洞及其汇水范围进行了识别。

[0130] 参数率定与模型验证：根据后寨河流域出口地下河与地表河实测流量数据，采用试错法对模型进行参数率定和模型验证。土壤和植被的参数率定结果如表2所示。表层岩溶带参数为：孔隙度、田间持水率和凋萎含水率分别为0.1、0.02和0.01，垂向和侧向饱和-4 -4渗透系数分别为1×10 和8×10 m/s。深层径流带参数为：孔隙度为0.08，垂向和侧向饱-6 -5
和渗透系数分别为5×10 和3×10 m/s。

[0131] 表2、模型土壤和植被层参数率定结果

[0132]

[0133] 结果以效率系数NSE、相对误差RE和均方根误差RMSE来衡量，其计算公式分别为：

[0134]

[0135]

[0136]

[0137] 式中：Obsi为实测值，Simi为模拟值，为观测值的平均值，n为数据个数。

[0138] 模拟结果如图4～7所示：对于地下河，率定期地下河流量模拟效率系数NSE为3
0.74，水量相对误差RE为2％，均方根误差RMSE为0.36m/s。验证期地下河流量效率系数NSE为0.71，水量相对误差RE为-3％，均方根误差RMSE为0.28m3/s。对于地表河，率定期地表河流量模拟效率系数NSE为0.67，水量相对误差RE为38％，均方根误差RMSE为
1.62m3/s。验证期地表河流量效率系数NSE为0.58，水量相对误差RE为34％，均方根误差RMSE为1.43m3/s。

[0139] 地表河流量模拟效果不如地下河模拟效果好，这主要是由于后寨河流域地表河河床渗透性强，除强降雨外，河道内干涸，河水补给地下水。因此在枯水及小雨时地表河模拟偏大，导致地表河模拟误差偏大。因此，对地表河流量主要是对洪水过程的模拟。

[0140] 模拟结果显示，模型较好地模拟了研究区域地下水径流过程，反映了地下径流与降雨、水文地质条件、下垫面特征等因素的响应关系。

[0141] 如图8所示，落水洞对汇流过程的影响：后寨河流域发育较多落水洞，洪水期落水洞汇集周围地表水流与表层岩溶带水流和壤中流，在地势低洼处直接集中补给地下河道水流，是喀斯特流域地表水与地下水相互转化的重要通道，也是造成喀斯特与非喀斯特地区汇流过程差异的主要原因之一。根据识别的落水洞汇水面积，分析落水洞对水文过程的影响。

[0142] 选取率定期降雨-地下河径流过程，分别模拟有无落水洞对降雨-径流过程的影响。不考虑落水洞影响的情形时，对DEM数据进行填洼，利用填洼的DEM数据进行坡面汇流计算。考虑有落水洞影响的情形时，则利用未经填洼的DEM数据进行落水洞识别与地表汇流计算，并将落水洞汇集的地表水计入地下河进行地下河汇流计算。模拟结果显示，由于落水洞汇集地表水对地下河的集中补给作用，考虑落水洞影响的模拟结果，地下河洪峰流量显著大于不考虑落水洞影响的模拟结果。根据喀斯特地区坡地汇流特征，落水洞主要对暴雨洪水过程影响显著，即体现在对洪峰的影响。

[0143] 选取2008年5月27-28日的地下河流量过程，该时段共出现两次洪峰，当不考虑3
落水洞影响时，洪峰流量分别为4.0和5.6m/s，当考虑落水洞影响时，响应洪峰流量分别为
3
8.0和9.1m/s。由于落水洞的汇集作用，地下河接受地表水集中补给，洪峰显著增加。因此，喀斯特流域落水洞改变水流路径及水流汇集方式，使降雨形成的径流量大部分进入地下水系统，从而影响该地区水文过程。

[0144] 如图9所示，深层径流带对地下河径流过程的影响：深层径流带虽然容水性及渗透性小于其上的表层岩溶带，但其对喀斯特地区降雨径流过程具有重要影响，尤其深层径流带水流是地下河枯季径流的主要组成部分。本发明在考虑深层径流带与不考虑深层径流带作用的情形下，分别模拟了率定期地下河径流过程。模拟结果显示，在枯水季节，与考虑深层径流带相比，无深层径流带的地下河流量模拟结果显著偏小；相反，在洪水期，无深层径流带的地下河流量峰值显著偏大。这是由于在雨季部分降雨入渗水量经过表层岩溶带进入深层径流带，因此，深层径流带储存雨季部分水量，对河道洪峰起到消弱作用。在枯季，储存于深层径流带内的水量缓慢释放，对地下河进行补给，是枯季径流的主要组成部分。

[0145] 本发明对DHSVM分布式水文模型进行了改进，增加了落水洞和深层径流带对汇流过程影响的计算，应用于贵州后寨河喀斯特流域降雨-径流模拟，得到以下主要结论：

[0146] (1)根据现场试验和观测资料，经模型参数率定和模型验证表明，改进模型能较好地模拟后寨河流域地表河和地下河流量过程。

[0147] (2)模型能较好地模拟落水洞对地表水汇流转入地下河的影响。模拟结果表明，喀斯特流域落水洞改变水流路径及水流汇集方式，使降雨形成的径流量大部分进入地下水系统，由于落水洞的汇集作用，地下河接受地表水集中补给，洪峰流量显著增加。

[0148] (3)模型较好地反映表层岩溶带和深层径流带对水流调蓄的差异，模拟结果表明，与考虑深层径流带相比，在枯水季节，无深层径流带的地下河流量模拟结果显著偏小；相反，在洪水期，地下河流量峰值显著偏大。因此，深层径流带储存雨季部分水量，对河道洪峰起到消弱作用。在枯季，储存于深层径流带内的水量缓慢释放，对地下河进行补给，是枯季径流的主要组成部分。

[0149] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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