一種dhsvm模型的改進(jìn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，尤其涉及一種考慮了落水洞和深層徑流 帶對(duì)匯流過(guò)程的影響的DHSVM模型。
【背景技術(shù)】
[0002] DHSVM(DistributedHydrologySoilVegetationModel)是由美國(guó)華盛頓大學(xué)開(kāi) 發(fā)的基于土壤、植被和水文相互作用的分布式水文模型。模型對(duì)流域蒸散發(fā)、土壤水和徑流 等水文過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)描述，考慮土壤和植被對(duì)流域水文過(guò)程的影響，反映其時(shí)空變化規(guī)律。
[0003] 模型物理過(guò)程主要包括蒸散發(fā)過(guò)程、非飽和土壤入滲過(guò)程、壤中流、坡面地表流過(guò) 程和河道匯流過(guò)程。
[0004] DHSVM原模型中地表水與表層巖溶帶裂隙水模塊可以較好地模擬洪水過(guò)程。但對(duì) 枯期徑流進(jìn)行長(zhǎng)期模擬時(shí)，效果較差。針對(duì)這一問(wèn)題目前主要是運(yùn)用大量的實(shí)測(cè)流量資料 通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法或者偏差修正方法進(jìn)行處理，而不根據(jù)實(shí)際的水文地質(zhì)條件考慮造成這一 問(wèn)題的原因。
[0005] DHSVM原模型在進(jìn)行喀斯特流域的徑流變化模擬時(shí)存在較大誤差，故本發(fā)明針對(duì) 喀斯特流域地表和地下水系結(jié)構(gòu)及包含土壤、裂隙和管道的多重介質(zhì)水流特征，對(duì)DHSVM 模型進(jìn)行了改進(jìn)，考慮表層巖溶帶的裂隙水流和地下河對(duì)產(chǎn)生匯流過(guò)程的影響，建立了適 用于西南喀斯特流域的分布式水文模型?？紤]表層巖溶裂隙與深部巖溶裂隙發(fā)育程度差 異，及其對(duì)雨洪徑流特征影響的不同，本發(fā)明還在此基礎(chǔ)上增加了深層徑流帶的水文過(guò)程； 考慮到落水洞等喀斯特地貌對(duì)地表徑流的匯集作用，增加落水洞識(shí)別及其對(duì)地表徑流匯流 過(guò)程并進(jìn)入地下水系的作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種考慮了落水洞對(duì)喀斯特流域匯流過(guò)程的 影響的DHSVM模型的改進(jìn)方法；進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了一種考慮了深層徑流帶對(duì)喀斯特 流域匯流過(guò)程的影響的DHSVM模型的改進(jìn)方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：包括增加了落水洞對(duì)匯流過(guò)程影響的 計(jì)算的改進(jìn)模塊：采用未經(jīng)填洼的DEM數(shù)據(jù)，利用ESRIArcGIS技術(shù)進(jìn)行落水洞識(shí)別與地表 匯流計(jì)算，并將落水洞匯集的地表水計(jì)入地下河進(jìn)行地下河匯流計(jì)算。
[0009] 本發(fā)明還包括增加了深層徑流帶對(duì)匯流過(guò)程影響的計(jì)算的改進(jìn)模塊：
[0010] 深層徑流帶儲(chǔ)存量與上部表層巖溶帶補(bǔ)給量和排泄量之間相互聯(lián)系、不斷轉(zhuǎn)化， 處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由于地下水的補(bǔ)給和排泄，使得深層徑流帶中的地下水能夠不斷交替 和更新。在不同的時(shí)期，深層徑流帶蓄水量隨著補(bǔ)給量和排泄量的大小而變化。
[0011] 深層徑流帶與其上覆的表層巖溶帶的水量水分交換為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：包括增加了落水洞對(duì)匯流過(guò)程影響的計(jì) 算的改進(jìn)模塊：采用未經(jīng)填洼的DEM數(shù)據(jù)，利用ESRI ArcGIS技術(shù)進(jìn)行落水洞識(shí)別與地表匯 流計(jì)算，并將落水洞匯集的地表水計(jì)入地下河進(jìn)行地下河匯流計(jì)算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：還包括增加了深 層徑流帶對(duì)匯流過(guò)程影響的計(jì)算的改進(jìn)模塊： 深層徑流帶與其上覆的表層巖溶帶的水量水分交換為：
式（1)中：cL是表層巖溶帶的厚度；見(jiàn)^是t時(shí)刻表層巖溶帶平均含水量；ρ,(是t時(shí) 刻土壤層滲入表層巖溶帶水量；G分別是t時(shí)刻表層巖溶帶側(cè)向流入和流出水量； 是t時(shí)刻表層巖溶帶向深層徑流帶補(bǔ)給的水量；Rfri是t時(shí)刻深層徑流帶由于水位上 升對(duì)表層巖溶帶的反向補(bǔ)給； 式（2)中：St是t時(shí)刻深層徑流帶儲(chǔ)水量；Qk和這^分別是t時(shí)刻深層徑流帶的側(cè)向 流入與流出水量； 深層徑流帶側(cè)向水流計(jì)算采用地形驅(qū)動(dòng)影響下飽和壤中流的計(jì)算方法，利用地下水位 計(jì)算深層徑流帶計(jì)算網(wǎng)格單元之間的水力梯度； 在深層徑流帶沒(méi)有蓄滿之前，上層的表層巖溶帶水將下滲對(duì)深層徑流帶進(jìn)行補(bǔ)給，直 至深層徑流帶蓄滿；當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格單元內(nèi)深層徑流帶的水量大于其最大蓄水容量時(shí)，則多余 的水量"返還"給上部表層巖溶帶； 當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格單元內(nèi)的深層徑流帶水位高于地下河河床時(shí)，含水層水量將會(huì)被地下河道 截留；截留量的計(jì)算方法與地表河道截取壤中流相同。 深層徑流帶水流是地下河枯季徑流的主要組成部分；在表層巖溶帶下的深層含水層中 存在著滲透性較小的裂隙蓄水層，即深層徑流帶；深層徑流帶水流是喀斯特流域地下河枯 季徑流的主要組成部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：所述落水洞識(shí)別 方法為：利用ESRIArcGIS技術(shù)進(jìn)行落水洞及其匯水范圍識(shí)別；根據(jù)落水洞的發(fā)育特征，利 用ESRI ArcGIS在DEM圖上判別洼地，洼地最低點(diǎn)即為落水洞所在位置，由洼地邊界到落 水洞的范圍即為落水洞匯水范圍；當(dāng)洼地所在計(jì)算網(wǎng)格單元或周邊計(jì)算網(wǎng)格單元內(nèi)存在地 下河管道時(shí)，所匯集地表水量將直接進(jìn)入地下河，參與地下河匯流過(guò)程。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：所述計(jì)算網(wǎng)格單 元為DHSVM模型根據(jù)DEM網(wǎng)格大小將待考察河流流域劃分為若干計(jì)算網(wǎng)格單元，每個(gè)計(jì)算 網(wǎng)格單元內(nèi)氣象要素和下墊面特征都隨時(shí)空變化而不同；所述氣象要素包括降雨、氣溫和 輻射；所述下墊面特征包括坡度、坡向、土壤和植被。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：所述計(jì)算網(wǎng)格單 元的大小與DEM網(wǎng)格大小相同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：所述DHSVM模型 的改進(jìn)方法包括以下步驟： 步驟一：采用1:1萬(wàn)地形圖生成DEM數(shù)據(jù)； 步驟二：地表河網(wǎng)的生成：根據(jù)DEM數(shù)據(jù)，利用ESRIArcGIS軟件生成地表河網(wǎng)，所述地 表河網(wǎng)由若干段地表河道組成； 步驟三：根據(jù)待考察地貌的實(shí)際地表水系矯正步驟二中的地表河網(wǎng)； 步驟四：根據(jù)DEM網(wǎng)格大小將所述地表河網(wǎng)劃分為若干計(jì)算河段，根據(jù)DEM計(jì)算每一段 計(jì)算河段的坡度；步驟四用于自動(dòng)確定計(jì)算河段坡度并對(duì)每段地表河道的連接順序進(jìn)行自 動(dòng)編號(hào)，用以計(jì)算地表河道間水流運(yùn)動(dòng)；所述水流運(yùn)動(dòng)即河道匯流； 步驟五：地下河網(wǎng)的生成：根據(jù)野外勘測(cè)的地下河分布，在ESRIArcGIS軟件里繪制地 下河網(wǎng)，人工確定每段地下河道的連接順序并進(jìn)行人工編號(hào)，用以計(jì)算每段地下河道的匯 流；并根據(jù)DEM網(wǎng)格大小將所述地下河網(wǎng)劃分為若干計(jì)算地下河段； 步驟六：將每段計(jì)算地下河段內(nèi)表層巖溶帶和深層徑流帶的裂隙介質(zhì)均概化為等效連 續(xù)介質(zhì)，其滲透性根據(jù)每段計(jì)算地下河段內(nèi)裂隙介質(zhì)的總透水能力確定； 所述裂隙介質(zhì)與多孔介質(zhì)對(duì)應(yīng)，由各種裂隙組成裂隙水的通道； 裂隙水是存在于巖石裂隙中的地下水，是喀斯特地區(qū)供水的重要來(lái)源，也是礦坑充水 的重要來(lái)源； 概化就是為計(jì)算方便，按照計(jì)算斷面水流速度和流量性質(zhì)保持一致的前提下，把原本 的非連續(xù)性的裂隙通道用連續(xù)性的孔隙通道代替。 步驟七：一定時(shí)間間隔內(nèi)收集每個(gè)計(jì)算河段內(nèi)的氣象要素；一定時(shí)間間隔為5~ 60min ； 步驟八：收集下墊面特征及給予下墊面特征的參數(shù)賦值； 步驟九：計(jì)算網(wǎng)格單元?jiǎng)澐峙c模擬時(shí)間的確定：計(jì)算網(wǎng)格單元大小采用與DEM網(wǎng)格一 樣的網(wǎng)格大小，為IOOmX IOOm ;所述模擬時(shí)間包括參數(shù)率定期和模型驗(yàn)證期，所述參數(shù)率 定期為至少1年，所述模型驗(yàn)證期為至少半年，所述參數(shù)率定期和模型驗(yàn)證期的計(jì)算步長(zhǎng) 均為至少1小時(shí)； 所述模型驗(yàn)證期位于所述參數(shù)率定期之后； 所述參數(shù)率定期就是根據(jù)實(shí)測(cè)值與計(jì)算誤差最小的原則確定模型各參數(shù)； 所述模型驗(yàn)證期就是選取不同的時(shí)段，利用率定好的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與 實(shí)測(cè)值的一致性； 步驟十：落水洞識(shí)別； 步驟十一：參數(shù)率定與模型驗(yàn)證：根據(jù)待考察河流流域出口的地下河與地表河實(shí)測(cè)流 量數(shù)據(jù)，采用試錯(cuò)法對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定和模型驗(yàn)證。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：落水洞匯集的地 表水包括落水洞周圍地表水流，表層巖溶帶水流和壤中流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：步驟八中的參數(shù) 賦值方法為根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)手段得出參數(shù)的具體值，然后使模型中的參數(shù)取這些具體值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：步驟九中的不同 的時(shí)段包括降雨初期、洪水期和退水期。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，其特征在于：包括增加了落水洞對(duì)匯流過(guò)程影響的計(jì)算的改進(jìn)模塊：采用未經(jīng)填洼的DEM數(shù)據(jù)，利用ESRI ArcGIS技術(shù)進(jìn)行落水洞識(shí)別與地表匯流計(jì)算，并將落水洞匯集的地表水計(jì)入地下河進(jìn)行地下河匯流計(jì)算。本發(fā)明提供的一種DHSVM模型的改進(jìn)方法，以喀斯特地區(qū)為研究對(duì)象，考慮巖溶地貌作用的地表-地下雙重匯流系統(tǒng)水文過(guò)程，運(yùn)用對(duì)DHSVM模型的改進(jìn)，模擬降雨-徑流響應(yīng)過(guò)程，并分析模型改進(jìn)的效果；模擬結(jié)果顯示，模型較好地模擬了研究區(qū)域地下水徑流過(guò)程，反映了地下徑流與降雨、水文地質(zhì)條件、下墊面特征等因素的響應(yīng)關(guān)系。
【IPC分類】G06F19-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104679985
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510031575
【發(fā)明人】張志才, 陳喜, 朱澤, 石朋
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日