一种坡面土壤侧向排水系数的动态计算方法

技术领域

本发明涉及水文技术领域，具体涉及一种坡面土壤侧向排水系数的动态计算方法。

背景技术

我国河流众多，流域面积200至3000km

坡面土壤侧向排水系数是国内外的水文模型中应用较为广泛的一种土壤参数。坡面土壤侧向排水系数通常是指在水文模型计算的一个时段内，从计算单元的土壤侧向排出的水分与土壤含水量的比例。实际上，在不一样的土壤含水量状态下，单位时间段内流出的水分与土壤中能够自由流动的水分并不会同比例增加，这也是导致坡面土壤侧向排水系数发生变化的直接原因，也是水文模型发展过程中的重点和难点之一，且基于流域下垫面实际情况推算出可靠准确的坡面土壤侧向排水系数是水文模型应用时的关键问题。然而目前已有的推求坡面土壤侧向排水系数的方法大都没有考虑到流域中土壤含水量的实时动态变化，而在整个降雨-径流过程中采用一个固定的值，使计算的坡面土壤侧向排水系数精确性低，可靠性差。

发明内容

本发明的目的：提供一种考虑道流域中土壤含水量的动态计算坡面土壤侧向排水系数的方法。

技术方案：本发明提供的方法用于对目标流域中坡面土壤侧向排水系数进行动态计算，动态计算方法包括如下步骤：

步骤1：基于目标流域的数字高程数据，将目标流域划分为多个栅格单元；

步骤2：获取各栅格单元中的各个坡面栅格单元；

步骤3：分别针对各坡面栅格单元，将坡面栅格单元作为待处理单元，依次执行步骤3.1至步骤3.2，获取待处理单元对应目标时刻t的土壤侧向排水系数，进而获取各坡面栅格单元分别对应目标时刻t的土壤侧向排水系数，即目标流域中坡面土壤侧向排水系数：

步骤3.1：计算坡面栅格单元的坡度α，进而计算坡面栅格单元土壤最大侧向排水量Q

基于坡面栅格单元的土壤厚度和其水文特征数据，计算达到坡面栅格单元的土壤最大侧向排水量时，坡面栅格单元的临界土壤水含量θ

基于三层蒸散发原理，获取在目标时刻t时，坡面栅格单元的土壤水含量θ

步骤3.2：根据土壤最大侧向排水量Q

进一步的，在步骤3.1中，根据如下公式：

α＝DH

获取坡面栅格单元栅格单元的坡度α；

其中，DH

进一步的，在步骤3.1中，根据如下公式：

Q

获取坡面栅格单元土壤最大侧向排水量Q

其中，Ks为坡面栅格单元的土壤饱和渗透系数，sin(·)为正弦函数。

进一步的，在步骤3.1中，根据如下公式：

获取坡面栅格单元的临界土壤水含量θ

其中，θ

进一步的，在步骤3.2中，根据如下公式：

获取坡面栅格单元n在目标时刻t的土壤侧向排水系数Dr

其中，β为根据流域实际降雨-径流过程模拟经验获取的模拟土壤侧向排水系数值。

进一步的，在步骤2中，获取各正交栅格单元中的坡面栅格单元的方法包括如下步骤：

步骤2.1：获取各栅格单元的汇流累计值；

步骤2.2：结合流域实际自然地理情况，设置汇流阈值T，将汇流累计值小于等于汇流阈值T的栅格单元判定为坡面栅格单元。

有益效果：相对于现有技术，本发明提供的坡面土壤侧向排水系数的动态计算方法，以影响坡面土壤侧向排水系数的物理因子为基础，刻画了降雨-径流过程中坡面土壤侧向排水系数的动态发展变化，量化了坡度对于最大的土壤侧向排水量以及达到最大的土壤侧向排水量时的土壤水含量的影响作用，进而计算了不同土壤含水量状态下的坡面土壤侧向排水系数，这样既保证了计算结果的精度与可靠性，又能及时方便地使水文模型在进行山区性中小流域洪水预报中推广应用；且本方法主要利用现有的土壤观测数据，数据来源稳定可靠，方法中变量之间的函数关系明确，有利于坡面土壤侧向排水系数的快速自动计算，可以进一步促进数字水文学以及山区性中小流域山洪防治研究的深入发展。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的坡面土壤侧向排水系数的动态计算方法流程框图；

图2是根据本发明实施例提供的大河坝流域示意图；

图3是根据本发明实施例提供的大河坝流域汇流累计栅格示意图；

图4是根据本发明实施例提供的大河坝流域坡面栅格单元和河道栅格单元示意图；

图5是根据本发明实施例提供的大河坝流域中坡段下端土壤侧向排水最大示意图；

图6是根据本发明实施例提供的大河坝流域降雨-径流过程中坡段含水量动态变化示意图；

图7是根据本发明实施例提供的大河坝流域中坡段土壤侧向排水系数动态变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供的坡面土壤侧向排水系数的动态计算方法包括如下步骤：

步骤1：基于目标流域的数字高程数据，将目标流域划分为多个正交栅格单元，划分为多个正交栅格单元示意图如图2所示。

步骤2：获取各栅格单元中的各个坡面栅格单元，方法包括如下步骤：

步骤2.1：获取各栅格单元的汇流累计值。

以栅格单元Cell为中心，通过将目标流域划分成的各个正交栅格单元中位于坡面栅格单元Cell周围栅格单元的高程值与该栅格单元的高程值的对比，找出与其相比最低的栅格单元Cell

同时，依据Cell和Cell

步骤2.2：结合流域实际自然地理情况，设置汇流阈值T，将Raster_Acc中Acc高于T的栅格单元判定为河道栅格单元Cell

步骤3：分别针对各坡面栅格单元，将坡面栅格单元作为待处理单元，依次执行步骤3.1至步骤3.2，获取待处理单元对应目标时刻t的土壤侧向排水系数，进而获取各坡面栅格单元分别对应目标时刻t的土壤侧向排水系数，即目标流域中坡面土壤侧向排水系数：

步骤3.1：计算坡面栅格单元的坡度α，进而计算坡面栅格单元土壤最大侧向排水量Q

以坡面栅格单元Cell

然后结合DH

α＝DH

获取坡面栅格单元栅格单元的坡度α。

也可以参照上述方法，获取各栅格单元Cell的坡度，在后续的处理过程中，选择栅格单元中的各坡面栅格单元的坡度进行计算。

然后根据如下公式：

Q

获取坡面栅格单元土壤最大侧向排水量Q

其中，Ks为坡面栅格单元的土壤饱和渗透系数，sin(·)为正弦函数；Ks可以根据流域土壤剖面实地调查得到。

基于坡面栅格单元的土壤厚度和其水文特征数据，计算达到坡面栅格单元的土壤最大侧向排水量时，坡面栅格单元的临界土壤水含量θ

获取坡面栅格单元的临界土壤水含量θ

其中，θ

以逐小时的降雨资料和蒸发数据为输入，采用三层蒸散发原理对流域土壤进行概化，计算得到逐小时的土壤水含量，该结果如图6所示。即：在本方案中，基于三层蒸散发原理获取在目标时刻t时，坡面栅格单元的土壤水含量θ

步骤3.2：根据土壤最大侧向排水量Q

具体的，判断土壤水含量θ是否超过临界土壤水含量θ

进一步的，根据如下公式：

获取坡面栅格单元n在目标时刻t的土壤侧向排水系数Dr

其中，β为根据流域实际降雨-径流过程模拟经验获取的模拟土壤侧向排水系数值，β对应的是土壤含水量较小时土壤侧向排水系数的值，该值较为稳定，可以根据流域实际降雨-径流过程模拟经验得到。

以陕西省大河坝流域为例，该流域地处秦岭南麓，流域集水面积约2182km

步骤一、基于数字高程数据将流域划分为若干正交栅格单元，划分结果如图2所示，依据地势高低计算每一个栅格单元中的坡度α，具体包括以下步骤：

基于数字高程数据将流域划分为若干正交栅格单元，以栅格单元Cell为中心，通过周围栅格单元的高程值与该栅格单元的高程值的对比，找出与其相比最低的栅格单元Cell

α＝DH

步骤二、计算栅格单元的流向和汇流累计值得到汇流累计栅格，获取的汇流累计栅格如图3所示，具体包括以下步骤：

将步骤一中的Cell作为出流栅格单元，Cell

步骤三、区分坡面栅格单元Cell

结合流域实际自然地理情况，设置汇流阈值T，将Raster_Acc中Acc高于T的栅格单元判定为河道栅格单元Cell

步骤四、基于坡面栅格单元中的土壤厚度和水文特征计算土壤最大侧向排水量Q

Q

式中：Ks为土壤饱和渗透系数，Ks可以根据流域土壤剖面实地调查得到，在大河坝的示例坡段中，Ks为15mm/h，坡度α为24度，计算得到的土壤最大侧向排水量Q

步骤五、计算达到土壤最大侧向排水量时的临界土壤水含量θ

式中：θ

步骤六、基于三层蒸散发原理逐时段计算土壤水含量θ，判断土壤水含量θ是否超过临界土壤水含量θ

1)以大河坝流域2015年6月28日8点为初始时刻，逐小时的降雨资料和蒸发数据为输入，采用三层蒸散发原理对流域土壤进行概化，计算得到逐小时的土壤水含量θ，计算结果如图6所示。

2)判断土壤水含量θ是否超过临界土壤水含量θ

式中：β为土壤含水量较小时土壤侧向排水系数的值，该值较为稳定，可以根据流域实际降雨-径流过程模拟经验得到，在大河坝流域可设置为0.65。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。