專利名稱：基于蓄水容量曲線和topmodel的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法
基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明半分布式水文模型的設(shè)計(jì)方法，更具體的說(shuō)是基于蓄水容量曲線和 T0PM0DEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
T0PM0DEL是Beven和Kirliby于1979年提出的一個(gè)以地形為基礎(chǔ)的半分布式水文 模型，其主要特征是利用流域地形指數(shù)(In α/tan β)作為一個(gè)水文相似性的指數(shù)，所有具 有相同地形指數(shù)值的點(diǎn)，對(duì)降雨具有相同的水文響應(yīng)。作為該假定的結(jié)果，流域的地形可以 用地形指數(shù)的空間分布來(lái)表示。具有較大地形指數(shù)值的點(diǎn)，將首先趨于飽和，因此暗示著潛 在的地表和地下徑流的產(chǎn)流面積。由流域濕潤(rùn)或干燥引起的產(chǎn)流面積的變化可由地形指數(shù) 的空間分布來(lái)表示。
地形是降雨-徑流動(dòng)態(tài)物理過(guò)程中非常重要的影響因子。T0PM0DEL以地形空間變 化為主要結(jié)構(gòu)，用地形指數(shù)(topography index，也稱濕潤(rùn)指數(shù)，wetness index)的形式描 述地下水的分布情況以及自由水排水沿坡向的運(yùn)動(dòng)，表達(dá)了變動(dòng)面積產(chǎn)流的概念。根據(jù)這 個(gè)概念，流域上產(chǎn)生的坡面流被認(rèn)為是不均勻的。在一定程度上，變動(dòng)產(chǎn)流面積可看作河道 系統(tǒng)的延伸。
T0PM0DEL參數(shù)比較少，共有五個(gè)，它們分別是土壤孔隙尺度m，飽和導(dǎo)水率T0，根 層最大缺水深SRmax，根層初始含水量SRO以及匯流速度ChVel。
新安江模型在國(guó)內(nèi)濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)得到廣泛的應(yīng)用。模型的核心是蓄水容量曲 線，表示降雨分布均勻時(shí)的產(chǎn)流面積的變化情況。
T0PM0DEL模型和新安江模型都是概念性模型，都是基于變動(dòng)產(chǎn)源面積理論的模 型，因此都是半分布式流域水文模型，而且兩者都主要應(yīng)用于濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)。這兩個(gè)模 型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)選參數(shù)少(尤其是T0PM0DEL)，而且與觀測(cè)的物理水文過(guò)程有密切聯(lián)系，模 擬效果好，已被應(yīng)用到水科學(xué)研究的各個(gè)方面，并不斷發(fā)展、改進(jìn)。由于這兩個(gè)模型有很多 相似之處，不少學(xué)者試圖利用這兩個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)其中的一個(gè)模型或新建一個(gè)模型。例 如，韓杰和張萬(wàn)昌O005)將新安江模型三水源的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到兩水源T0PM0DEL中，率先將其 改造成三水源的模型，并在漢江子午河流域進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了 T0PM0DEL模型對(duì)三種徑流 成分(地表徑流、壤中流及地下徑流)的分割。文佩和陳喜O006)也作了類似的改造工作， 并用改進(jìn)的T0PM0DEL模型模擬了岳城等三個(gè)流域的日徑流過(guò)程、次洪水過(guò)程和基流過(guò)程。 結(jié)果表明，改進(jìn)模型能較好地反映南方濕潤(rùn)地區(qū)產(chǎn)匯流過(guò)程及各種徑流成份模擬。雍斌和 張萬(wàn)昌O007)用改進(jìn)型SIMT0P(T0PM0DEL的一個(gè)變種)的飽和產(chǎn)流方案與新安江水量平 衡計(jì)算方法相結(jié)合，構(gòu)建了一個(gè)具有地形指數(shù)尺度轉(zhuǎn)換機(jī)制的陸面水文過(guò)程模型Τ0ΡΧ，并 在漢江酉水街小流域進(jìn)行了單點(diǎn)離線測(cè)試。結(jié)果表明TOPX模型在溫潤(rùn)區(qū)小流域的日徑流 量模擬精度高，而且TOPX模型能夠較好捕捉土壤含水量、飽和源面積等各種水文過(guò)程變量 的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。然而，到目前為止尚未見將新安江模型中的蓄水容量曲與地下水位波動(dòng)關(guān)聯(lián)，并與T0PM0DEL地下產(chǎn)流方案相結(jié)合以構(gòu)建新模型的報(bào)道。
陸面過(guò)程模式的發(fā)展歷程和研究進(jìn)展可以分為三個(gè)階段①“水箱”模式階段； ②SVAT模式階段；③VIC和T0PM0DEL大發(fā)展階段。VIC模型是一個(gè)不斷發(fā)展的陸面水文 過(guò)程模型。該模型吸取了新安江模型的蓄水容量曲線的思想，考慮了網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)由于地形、 土壤及植被的變化產(chǎn)生的入滲能力的變化，網(wǎng)格的入滲能力用一個(gè)拋物線型函數(shù)描述。VIC 模型的產(chǎn)流思想又不斷地被其它陸面參數(shù)化方案所引用，以改善以往對(duì)產(chǎn)流方案處理的不 足。
Noah LSM 由 NCEP、NCAR、AFffA 和 UCLA 共同發(fā)展，已在 MM5V3. 6、NCEP 的 Eta 等中 應(yīng)用和驗(yàn)證。其特點(diǎn)為多層土壤模式(通常用4層，可到ail深)計(jì)算土壤溫度、濕度；顯 式考慮植被冠層的阻力；地表和次地表的徑流過(guò)程、雪和凍土過(guò)程使用1-km的全球植被數(shù) 據(jù)；1-km和5-min全球土壤類型圖更新了土壤熱傳導(dǎo)系數(shù)、不協(xié)調(diào)的雪蓋、雪密度、雪最大 反照率數(shù)據(jù)庫(kù)、積雪下土壤熱通量的處理和雪的粗糙度；增加了地表感熱、潛熱、地表熱通 量、地表溫度和地表徑流等項(xiàng)；耦合了一個(gè)簡(jiǎn)單的城市下墊面模型。在Noah陸面模式中，地 表徑流參數(shù)化方案采用Schaake (1996)提出的簡(jiǎn)單水量平衡模型SWB。SffB模型是一個(gè)兩層 土壤的簡(jiǎn)單水量平衡模型，相當(dāng)于兩個(gè)水桶(bucket)模型。和bucket模型一樣，未顯式考 慮植被對(duì)徑流的影響，輸入數(shù)據(jù)僅需要降水和潛在蒸發(fā)量。Beven(1979)曾指出，T0PM0DEL 疏于考慮的一個(gè)問(wèn)題就是空間差異性。地形指數(shù)在進(jìn)入模型計(jì)算的時(shí)候只是以統(tǒng)計(jì)的方式 參與的，并沒(méi)有考察其在空間分布上的差異。由此一來(lái)，就產(chǎn)生了一系列的問(wèn)題降水、下墊 面情況、地形等空間上的差異就無(wú)法在水文響應(yīng)中表現(xiàn)出來(lái)。而且，在將T0PM0DEL與陸面 過(guò)程模型LSM、CLM耦合時(shí)，是將地形指數(shù)擬合成三參數(shù)gamma分布函數(shù)或二參數(shù)指數(shù)分布 函數(shù)的統(tǒng)計(jì)形式表達(dá)空間異質(zhì)性，這與VIC模型非常像似。而且，T0PM0DEL模型對(duì)地下水 位的刻畫上存在一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，即T0PM0DEL模型刻畫地下水動(dòng)態(tài)變化時(shí)存在與實(shí)際情況 偏差的問(wèn)題(平均地下水位線高于地面)，而且僅僅通過(guò)改進(jìn)該模式很難解決這一問(wèn)題。因 此，非常有必要通過(guò)其他措施(比如模型與模型的“雜交”)解決這一問(wèn)題。
新安江模型中只考慮土壤中含水量的變化，無(wú)法表達(dá)地下水位的動(dòng)態(tài)變化。地下 水位對(duì)大氣模式和氣候模式中水分和能量平衡有重要的影響。因此，解決新安江模型中地 下水位動(dòng)態(tài)表達(dá)的問(wèn)題是非常必要的、緊迫的任務(wù)。
Noah LSM對(duì)水文過(guò)程特別是徑流的描述還存在嚴(yán)重缺陷。其依據(jù)是它的徑流參數(shù) 化方案使用的是簡(jiǎn)單水量平衡模型(SWB)。SWB與T0PM0DEL和新安江(或VIC)模型相比， 其共同點(diǎn)是都能以統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)刻畫土壤濕度的空間不均勻性，不同點(diǎn)是，SWB不能有效地 表達(dá)徑流產(chǎn)源面積的變動(dòng)情況，而且其產(chǎn)匯流參數(shù)化方案過(guò)于簡(jiǎn)單，不能精確地刻劃陸面 及淺地表水文過(guò)程。而T0PM0DEL和新安江模型是基于變動(dòng)產(chǎn)源面積理論的模型，而且對(duì)陸 面及淺地表水文過(guò)程均有深入地刻劃。因而用T0PM0DEL和新安江模型或更先進(jìn)的模型取 代SWB模型，并能緊密地而不是松散地耦合到Noah LSM就顯得迫切而重要。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方 法，緊密關(guān)聯(lián)新安江模型中的蓄水容量分布曲線與T0PM0DEL中關(guān)于地下水位線的表達(dá)，并 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)新的降雨-徑流模型XXT ；實(shí)現(xiàn)XXT模型與單點(diǎn)離線Noah LSM陸面過(guò)程模式的緊密耦合。
本發(fā)明的目的是通過(guò)以下研究方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的
基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模型(簡(jiǎn)稱“XXT模型”)的設(shè)計(jì)方法， 其步驟為
A)地表產(chǎn)流的計(jì)算；
B)地下產(chǎn)流的計(jì)算；
C)蒸散發(fā)計(jì)算；
D)水量平衡方程的應(yīng)用；
E)匯流機(jī)制；
F)等流時(shí)線的生成；
G) 土壤濕度的動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)；
H)與 NoahLSM 的耦合。
在步驟A)中，將地下水水位線與新安江模型中的流域蓄水容量曲線關(guān)聯(lián)形成新 流域蓄水容量分布曲線。令流域上地下水水位線剛好位于地面Omm處的蓄水容量為W' m， 則新流域蓄水容量曲線定義為蓄水容量小于或等于W' m的流域面積。把全流域面積看作 1，流域由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)蓄水容量，其中最大的蓄水容量記為WW‘mm.。α 為飽和區(qū)面積與全流域面積之比，其計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1.一種基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法，其步驟為A)地表產(chǎn)流的計(jì)算；B)地下產(chǎn)流的計(jì)算；C)蒸散發(fā)計(jì)算；D)水量平衡方程的應(yīng)用；E)匯流機(jī)制；F)等流時(shí)線的生成；G)土壤濕度的動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)；H)與NoahLSM的耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法， 其特征在于步驟A)中，將地下水水位線與新安江模型中的流域蓄水容量曲線關(guān)聯(lián)形成新 流域蓄水容量分布曲線；令流域上地下水水位線剛好位于地面Omm處的蓄水容量為Ψ m, 則新流域蓄水容量曲線定義為蓄水容量小于或等于W' m的流域面積；把全流域面積看作 1，流域由無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)蓄水容量，其中最大的蓄水容量記為W' _，α 為飽和區(qū)面積與全流域面積之比，其計(jì)算公式為 式中B是表征蓄水容量分布不均勻性的參數(shù)，B愈大分布愈不均勻，據(jù)上式有 W' m = W' _Χ[1-(1-α)1/Β]令WM為流域平均蓄水容量，則WM等于

圖1中未飽和層與飽和層的面積之和WM = \w:da=\ W: t-(l- ocfB \la = W: /(1+B) 地表產(chǎn)流計(jì)算如下P-SRZ是從植被截留層中滲透下來(lái)的降水；α i為(P-SRZ)的降水進(jìn)入土壤未飽和層之 前的飽和區(qū)面積與全流域面積之比，α 2為(P-SRZ)的降水進(jìn)入該層之后的飽和區(qū)面積與全 流域面積之比； 令乏代表流域平均土壤水分虧缺深，W' 乏對(duì)應(yīng)的流域上某點(diǎn)的蓄水容量，W' 計(jì)算公式推導(dǎo)過(guò)程如下 Z =^da-W^x(I-Ul)先解出積分式，再化簡(jiǎn)，得W^1 = WM χ (1 + 5) χ [1 - (z/WM )/0 + Β)]地表產(chǎn)流的計(jì)算分三種情況當(dāng)P-SRZ ^ 0時(shí)，沒(méi)有地表產(chǎn)流(Qs)，即 Qs = O當(dāng) 0 < (P-SRZ)彡 WMX (l+B)-ff' ml 時(shí)QS={P~ ^RZ) xa.-lpW^a-ia.-a^xW,Ja1化簡(jiǎn)后為
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法， 其特征在于步驟B)中XXT模型中的地下產(chǎn)流引用地下徑流公式Qb = Q^f'式中A為地下徑流量，％表示暴雨前退水期地下水流量，f是土壤水力傳導(dǎo)率沿深度 方向的衰減因子，乏代表流域平均土壤水分虧缺深。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法， 其特征在于步驟C)中，實(shí)際蒸散發(fā)( )的計(jì)算方法為先用下面的公式計(jì)算Qe = EX (1-SRZ/SR-)上式中E為潛在蒸散發(fā)，其值可直接利用蒸發(fā)皿觀測(cè)值，如果沒(méi)有觀測(cè)值可用氣溫、 輻射和風(fēng)等氣象資料代入彭曼公式計(jì)算得到；當(dāng)％值計(jì)算之后還需作判斷，如果％ > SRmax-SRZ,則A應(yīng)重新賦值Qe = SRmax-SRZ此蒸散發(fā)計(jì)算方案中只有一個(gè)參數(shù)需要率定，即SRmax ；
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模 型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟D)中，依據(jù)下面的水量平衡方程ZM-Zt=QEt+QSt+Qbt-Pt式中么+1表示t+Ι時(shí)刻的流域平均土壤水分虧缺深，L、QEt>Qst>Qbt和Pt分別表示t時(shí) 刻的流域平均土壤水分虧缺深、實(shí)際蒸散發(fā)、地表徑流深、地下徑流深和降水；
6.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模 型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟E)中，對(duì)子流域內(nèi)部采用等流時(shí)線匯流，等流時(shí)線基于DEM 提取得到；此部分只需要一個(gè)率定參數(shù)，即匯流速度CHV ；河道匯流采用馬斯京根法；
7.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模 型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟F)中，假定徑流在空間上相等，考慮流速由于受到坡面、粗 燥度等的影響是變化的，把地表徑流與基流合在一起計(jì)算，得出出水點(diǎn)的流量；根據(jù)到出水 點(diǎn)的距離與一個(gè)地表水流速度參數(shù)ChVel計(jì)算即可得到等流時(shí)線，基于DEM提取等流時(shí)線的主要步驟為(I)DEM填洼；(2) DEM流向計(jì)算，坡度計(jì)算；(3)計(jì)算每柵格到出水口的距離；(4)將距 離矩陣按quantile分類方法進(jìn)行分類，并在ARCGIS9. 0中生成可視化圖；(5)生成等流時(shí)線文件；
8.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模 型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟G)中，XXT模型基于變動(dòng)產(chǎn)流源面積和由DEM提取的地形指 數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)；其實(shí)現(xiàn)步驟主要包括= (I)DEM中“洼地”填充； (2)計(jì)算DEM的水流方向矩陣和匯流面積；(3)計(jì)算地形指數(shù)；(4)根據(jù)XXT模型模擬的變 動(dòng)產(chǎn)流面積和地形指數(shù)繪制土壤濕度空間分布9.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的基于蓄水容量曲線和T0PM0DEL的流域水文模 型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟H)中將XXT模型與Noah LSM耦合，第一步需要用XXT模型 中的地表徑流方案取代Schaake的簡(jiǎn)單水量平衡模型SWB ；XXT中的地表徑流徑流的公式表 達(dá)式如下
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于蓄水容量曲線和TOPMODEL的流域水文模型的設(shè)計(jì)方法，其步驟為地表產(chǎn)流的計(jì)算；地下產(chǎn)流的計(jì)算；蒸散發(fā)計(jì)算；水量平衡方程的應(yīng)用；匯流機(jī)制；等流時(shí)線的生成；土壤濕度的動(dòng)態(tài)可視化表達(dá)；NoahLSM的耦合。本發(fā)明其模擬確定性系數(shù)高，對(duì)日徑流過(guò)程和次洪過(guò)程的模擬均優(yōu)于半分布式模TOPMODEL和新安江模型以及分布式水文模型ESSI、HEC-HMS、SWAT，克服了傳統(tǒng)流域水文模型往往不適于大尺度及干旱半干旱條件下水文過(guò)程精確模擬的缺點(diǎn)。本發(fā)明模型還成功地與NoahLSM耦合，提高了業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)模式GRAPES-MESO對(duì)降水、土壤濕度和徑流的預(yù)報(bào)能力。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102034003SQ20101059119
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者張萬(wàn)昌, 徐精文 申請(qǐng)人:南京大學(xué)