一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法技術

本發(fā)明專利技術涉及一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法，包括：山坡計算單元劃分；水文氣象數(shù)據展布；植被截留計算；入滲及水分再分布過程計算；壤中流計算；地表匯流過程計算。本發(fā)明專利技術考慮了片麻巖土石山區(qū)廣泛存在土石二元混合介質和大孔隙優(yōu)先流，一方面引入碎石形狀系數(shù)

Simulation method of scale scale hydrological process in gneiss soil and rock mountain area

The invention relates to a method for simulation of a mountainous slope gneiss scale hydrological process includes: slope calculation unit division of hydrological and meteorological data; distribution; vegetation interception calculation; infiltration and soil water redistribution calculation; subsurface flow calculation; calculation of surface runoff. The present invention takes into account the wide range of earth rock two element mixed medium and large pore priority flow in gneiss earth rock mountain area, and introduces the form coefficient of crushed stone on the one hand

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法
本專利技術涉及一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法，是一種水文模擬方法，是一種針對片麻巖山區(qū)的水循環(huán)過程的模擬方法。
技術介紹
分析片麻巖土石山區(qū)山坡水文過程內在關系，實現(xiàn)山坡水文過程模擬，是認識片麻巖土石山區(qū)山坡水資源評價、管理、水土保持等領域的基礎。片麻巖土石山區(qū)山坡水文過程異于平原區(qū)，也異于石灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)等堅硬基巖分布區(qū)域山坡水文過程。片麻巖土石山區(qū)山坡地區(qū)土層較薄、土壤存在分層且土壤內廣泛分布著土石二元混合介質；土壤下部下覆巨厚片麻巖基巖，片麻巖基巖具有很強導水性和持水性（相較于花崗巖、石灰?guī)r等堅硬巖石），導致片麻巖土石山區(qū)山坡在連續(xù)降雨或強降雨條件下，入滲、產流、蒸散發(fā)和土壤水分運動等過程異于平原地區(qū)，異于石灰?guī)r等堅硬巖石分布區(qū)。當前，山坡水文模型均未考慮片麻巖土石山區(qū)水文特征對山坡水文過程影響，導致模型出現(xiàn)模擬失真、精度不高等問題。
技術實現(xiàn)思路
為了克服現(xiàn)有技術的問題，本專利技術提出了一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法。考慮到土壤內存在大量優(yōu)先流孔隙，將土壤層分為基質流區(qū)和優(yōu)先流區(qū)，兩區(qū)土壤入滲及水分再分布均采用改進的理查茲方程（Richardsequation）計算，土壤壤中流采用改進后的動力波方程（Saint-Venantequation）計算，地表匯流采用動力波方程（Saint-Venantequation）計算。鑒于土壤內含有大量片麻巖分化碎石，基質流區(qū)計算中，引入碎石質量比系數(shù)Rv來描述碎石對土壤含水量的影響；引入碎石質量比系數(shù)Rv和形狀系數(shù)ε來描述碎石對土壤導水系數(shù)的影響。本專利技術的目的是這樣實現(xiàn)的：一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法，所述方法的計算過程如下：山坡計算單元劃分：采用等流時線法將山坡劃分為若干基本計算單元；計算單元垂直剖面劃分：根據山坡植被、土壤和巖石特性，在基本計算單元內分為4層：植被冠層截留層、地表儲留層、土壤層和基巖層；植被截留層又可細分為：高植被截留層和矮植被儲留層、草地層和裸地；土壤層進一步分為均質土壤層、土石二元混合介質層；考慮到片麻巖基巖層內廣泛分布著構造節(jié)理，且片麻巖本身具有一定持水性和透水性，進一步將基巖層分為基質流區(qū)和優(yōu)先流區(qū)。計算單元內狀態(tài)變量包括：植被冠層截留量、洼地儲留量、枯枝落葉儲留量、土壤含水量；主要參數(shù)包括：植被最大截留深、洼地最大儲留深、枯枝落葉干重、土壤導水系數(shù)、土壤水分特征曲線、土壤含水量、各層土壤厚度、土石二元混合介質碎石質量比系數(shù)、基巖層厚度、坡面糙率；計算單元水文過程計算，包括水文氣象數(shù)據展布、降雨期間產匯流過程計算、非降雨期間產匯流過程計算等。水文氣象數(shù)據展布，包括水文氣象過程空間尺度展布和降雨時間降尺度展布：采用泰森多邊形法和反距離加權平均法進行流域內氣象數(shù)據的空間展布，包括降雨、氣溫、風速、空氣濕度、凈輻射，計算公式如下：（1）（2）式中：D表示待插值點估計值；Dpi表示第pi個參證站點數(shù)據；pm表示參證站點個數(shù)；λpi表示第pi個參證站點數(shù)據權重；dpi表示第pi個參證站點同待插值點的距離；pn表示權重指數(shù)；由于日降雨過程的非穩(wěn)定性，對日降雨數(shù)據進一步進行降尺度展布，具體公式如下：（3）（4）（5）式中：I為時段tk內最大降水平均雨強；S表示暴雨參數(shù)；t為時間(tk-1<t≤tk)；tk為時段()區(qū)間的時間，N為時段數(shù)；表示暴雨衰減系數(shù)；P表示日降雨量；T表示日降雨總歷時；a，b表示參數(shù)。降雨期間產匯流過程計算：降雨期間，土壤蒸散發(fā)量較小，可以忽略；計算單元內水文過程主要由降雨→植被截留→入滲產流→匯流過程構成；植被截留計算，計算公式如下：（6）（7）（8）式中：Veg表示植被的面積；Wr表示植被截留水量；表示最大植被截留水量；I為時段tk內雨強；Rr表示植被冠層流出水量；LAI表示葉面積指數(shù)。洼地儲留計算，計算公式如下：（9）（10）式中：為時段tk內凈雨強（經植被截留后的雨強）；Hu2為地表儲留；Humax2為土壤表層最大儲留深；Ru2為土壤表面徑流；fin為入滲率。地表儲留量分別為洼地儲留量和枯枝落葉儲留量構成，枯枝落葉儲留量消耗于后期蒸散發(fā)過程，而洼地儲留消耗于土壤入滲。枯枝落葉儲留計算，計算公式如下：Humax=zmaxG（11）式中：G為枯枝落葉干重；z為枯枝落葉最大持水系數(shù)；土壤及基巖層水分運動過程計算：片麻巖分布區(qū)土壤和基巖均具有導水性和持水性，所有土壤層水分運動過程均采用理查茲（Richardsequation）公式計算：（12）式中：h為土壤水吸力；C為容水度；SS為源匯項（即根系吸水）；z為坐標軸；K(h)為導水系數(shù)；t為時間。考慮到土壤和基巖層均廣泛分布著裂隙優(yōu)先流，土壤水分運動過程中將計算單元分為基質區(qū)和優(yōu)先流區(qū)。其中計算單元內基質區(qū)所占面積比例為，優(yōu)先流區(qū)所占面積比例為。對于片麻巖土石山區(qū)，其基質區(qū)土壤內含有大量片麻巖碎石，屬于土石二元混合介質，碎石具有一定持水性和導水性，影響了土壤水分運動過程。在對其基質區(qū)土壤水分運動過程模擬時，引入碎石質量比系數(shù)Rv描述片麻巖碎石對土壤含水量的影響。根據Rv大小，可以將土壤層分為以下土層：1）當Rv=0時，土壤層為均質土壤；2）當1>Rv>0時，土壤層為土石二元混合介質層；3）當Rv=1時，土壤層為基巖層。此外，假設碎石內和土壤內水勢相等，可將基質區(qū)土壤水分運動過程進一步修正為：（13）式中：為基質區(qū)內平均導水系數(shù)，由基質區(qū)內碎石和土壤的導水系數(shù)加權平均得到，引入碎石形狀系數(shù)ε和體積系數(shù)Rv，得到公式（14）。（14）其中：（15）（16）式中：為基質區(qū)面積比例；h為土壤水吸力；和分別為土壤和碎石的容水度；SS為源匯項（即根系吸水）；Γ為不同區(qū)間水量交換量；下標m表示基質區(qū)；下標i表示土壤層；Kss(h)為土壤非飽和導水系數(shù)；Ksr(h)為碎石非飽和導水系數(shù)；Kss為土壤飽和導水系數(shù)；Ksr為碎石飽和導水系數(shù)；α、vn和vm為參數(shù)，vm=1-1/vn；下標1和2分別表示土壤和碎石；z為坐標軸。土石二元混合介質達到飽和時，h=0，基于公式（14），計算單元內飽和導水系數(shù)為：Km=(1-Rv)·Kss+εRv·Ksr（17）片麻巖土石山區(qū)計算單元內優(yōu)先流區(qū)同樣含有大量片麻巖碎石，但孔隙結構與基質區(qū)不同，導致水勢、導水系數(shù)等有所不同。其土壤水分過程計算公式表示如下：（18）式中：下標f表示優(yōu)先流區(qū)；wf為優(yōu)先流區(qū)面積比例；其他參數(shù)同前。上下邊界條件均采用通量邊界條件：（19）（20）式中：q為上下邊界通量；其它參數(shù)同前。模型計算中，基質區(qū)和優(yōu)先流區(qū)土壤水分特征曲線采用相同曲線。考慮到土石二元混合介質中含有大量片麻巖碎石，且碎石具有一定持水性和導水性，進而改變了土壤水分特征參數(shù)。考慮到土壤和碎石的土壤水分特征參數(shù)變化的差異，基于VanGenuchten模型分別計算兩者的土壤水分特征曲線。（21）（22）式中：Se為飽和度系數(shù)；θ為土石二元混合介質土壤含水量；θs為土石二元混合介質土壤飽和含水量；θr為土石二元混合介質殘余含水量；α、vn和vm為參數(shù)，vm=1-1/vn；h為土壤水吸力；下標1和2分別表示土壤和碎石。壤中流計算：（23）（24）（25）（26）（27本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法，其特征在于，所述方法的計算過程如下：山坡計算單元劃分：采用等流時線法將山坡劃分為若干基本計算單元；計算單元垂直剖面劃分：根據山坡植被、土壤和巖石特性，在基本計算單元內分為4層：植被冠層截留層、地表儲留層、土壤層、基巖層；植被截留層又可細分為：高植被截留層和矮植被儲留層、草地層和裸地；土壤層進一步分為均質土壤層、土石二元混合介質層；考慮到片麻巖基巖層內廣泛分布著構造節(jié)理，且片麻巖本身具有一定持水性和透水性，進一步將基巖層分為基質流區(qū)和優(yōu)先流區(qū)；計算單元內狀態(tài)變量包括：植被冠層截留量、洼地儲留量、枯枝落葉儲留量、土壤含水量；主要參數(shù)包括：植被最大截留深、洼地最大儲留深、枯枝落葉干重、土壤導水系數(shù)、土壤水分特征曲線、土壤含水量、各層土壤厚度、土石二元混合介質碎石質量比系數(shù)、基巖層厚度、坡面糙率；計算單元水文過程計算：包括水文氣象數(shù)據展布、降雨期間產匯流過程計算、非降雨期間產匯流過程計算；水文氣象數(shù)據展布：包括水文氣象過程空間尺度展布和降雨時間降尺度展布：采用泰森多邊形法和反距離加權平均法進行流域內氣象數(shù)據的空間展布，包括降雨、氣溫、風速、空氣濕度、凈輻射，計算公式如下：...

【技術特征摘要】
1.一種片麻巖土石山區(qū)山坡尺度水文過程模擬方法，其特征在于，所述方法的計算過程如下：山坡計算單元劃分：采用等流時線法將山坡劃分為若干基本計算單元；計算單元垂直剖面劃分：根據山坡植被、土壤和巖石特性，在基本計算單元內分為4層：植被冠層截留層、地表儲留層、土壤層、基巖層；植被截留層又可細分為：高植被截留層和矮植被儲留層、草地層和裸地；土壤層進一步分為均質土壤層、土石二元混合介質層；考慮到片麻巖基巖層內廣泛分布著構造節(jié)理，且片麻巖本身具有一定持水性和透水性，進一步將基巖層分為基質流區(qū)和優(yōu)先流區(qū)；計算單元內狀態(tài)變量包括：植被冠層截留量、洼地儲留量、枯枝落葉儲留量、土壤含水量；主要參數(shù)包括：植被最大截留深、洼地最大儲留深、枯枝落葉干重、土壤導水系數(shù)、土壤水分特征曲線、土壤含水量、各層土壤厚度、土石二元混合介質碎石質量比系數(shù)、基巖層厚度、坡面糙率；計算單元水文過程計算：包括水文氣象數(shù)據展布、降雨期間產匯流過程計算、非降雨期間產匯流過程計算；水文氣象數(shù)據展布：包括水文氣象過程空間尺度展布和降雨時間降尺度展布：采用泰森多邊形法和反距離加權平均法進行流域內氣象數(shù)據的空間展布，包括降雨、氣溫、風速、空氣濕度、凈輻射，計算公式如下：（1）（2）式中：D表示待插值點估計值；Dpi表示第pi個參證站點數(shù)據；pm表示參證站點個數(shù)；λpi表示第pi個參證站點數(shù)據權重；dpi表示第pi個參證站點同待插值點的距離；pn表示權重指數(shù)；由于日降雨過程的非穩(wěn)定性，對日降雨數(shù)據進一步進行降尺度展布，具體公式如下：（3）（4）（5）式中：I為時段tk內最大降水平均雨強；S表示暴雨參數(shù)；t為時間(tk-1<t≤tk)；tk為時段()區(qū)間的時間，N為時段數(shù)；表示暴雨衰減系數(shù)；P表示日降雨量；T表示日降雨總歷時；a，b表示參數(shù)；降雨期間產匯流過程計算：降雨期間，土壤蒸散發(fā)量較小，可以忽略計算單元內水文過程主要由降雨→植被截留→入滲產流→匯流過程構成；植被截留計算：植被截留計算，計算公式如下：（6）（7）（8）式中：Veg表示植被的面積；Wr表示植被截留水量；Wrmax表示最大植被截留水量；I為時段tk內雨強；Rr表示植被冠層流出水量；LAI表示葉面積指數(shù)；洼地儲留計算，計算公式如下：（9）（10）式中：為時段tk內凈雨強；Hu2為地表儲留；Humax2為土壤表層最大儲留深；Ru2為土壤表面徑流；fin為入滲率；枯枝落葉儲留計算，計算公式如下：Humax=zmaxG（11）式中：G為枯枝落葉干重；z為枯枝落葉最大持水系數(shù)；土壤及基巖層水分運動過程計算：片麻巖分布區(qū)土壤和基巖均具有導水性和持水性，所有土壤層水分運動過程均采用理查茲公式計算：（12）式中：h為土壤水吸力；C為容水度；SS為源匯項；z為坐標軸；K(h)為導水系數(shù)；t為時間；考慮到土壤和基巖層均廣泛分布著裂隙優(yōu)先流，土壤水分運動過程中將計算單元分為基質區(qū)和優(yōu)先流區(qū)；其中計算單元內基質區(qū)所占面積比例為，優(yōu)先流區(qū)所占面積比例為；根據碎石質量比系數(shù)Rv大小，可以將土壤層分為以下土層：1）當Rv=0時，土壤層為均質土壤；2）當1>Rv>0時，土壤層為土石二元混合介質層；3）當Rv=1時，土壤層為基巖層；此外，假設碎石內和土壤內水勢相等，可將基質區(qū)土壤水分運動過程進一步修正為：（13）其中，為基質區(qū)內平均導水系數(shù)，由基質區(qū)內碎石和土壤的導水系數(shù)加權平均得到，引入碎石形狀系數(shù)ε和體積系數(shù)Rv，得到公式：（14）其中：（15）（16）式中：wm為基質區(qū)面積比例；h為土壤水吸力；Cms和Cmr分別為土壤和碎石的容水度；SS為源匯項；Γ為不同區(qū)間水量交換量；下標m表示基質區(qū)；下標i表示土壤層；Kss(h)為土壤非飽和導水系數(shù)；Ksr(h)為碎石非飽和導水系數(shù)；Kss為土壤飽和導水系數(shù)；Ksr為碎石飽和導水系數(shù)；α、vn和vm為參數(shù)，vm=1-1/vn；下標1和2分別表示土壤和碎石；z為坐標軸；...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：甘永德，賈仰文，劉歡，龔家國，牛存穩(wěn)，仇亞琴，郝春灃，杜軍凱，
申請(專利權)人：中國水利水電科學研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：北京,11