一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，首先進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理；其次計(jì)算流域范圍的土壤凍融水熱狀態(tài)，獲得土壤冰含量比重；之后定量表達(dá)流域內(nèi)各柵格點(diǎn)涵蓄水能力的時(shí)間分布，計(jì)算柵格型土壤涵蓄水能力指標(biāo)；最后計(jì)算每一階段子流域內(nèi)柵格點(diǎn)的涵蓄水能力,繪制各子流域離散化的涵蓄水能力累積分布曲線，從而得到凍融區(qū)流域土壤涵蓄水能力的動(dòng)態(tài)測(cè)算模型，對(duì)土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力進(jìn)行測(cè)算。本發(fā)明將點(diǎn)尺度的融雪-凍土水、熱耦合系統(tǒng)建立數(shù)值模型，并與流域柵格土壤涵蓄水能力建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)在空間尺度上流域涵蓄水能力指標(biāo)動(dòng)態(tài)設(shè)定并與實(shí)際情況吻合，減少寒區(qū)流域均一化所導(dǎo)致的誤差。
【專利說(shuō)明】一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利工程的水循環(huán)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]影響自然系統(tǒng)、生物系統(tǒng)、人類社會(huì)等方面的全球氣候變化已經(jīng)發(fā)生，并且還將加劇，它的任何走向都會(huì)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生不可忽視的影響。在受到氣候影響的各種環(huán)境系統(tǒng)中，高寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是最敏感的區(qū)域之一，其活動(dòng)過(guò)程正在深刻地影響著整個(gè)地球系統(tǒng)。高寒區(qū)水循環(huán)過(guò)程對(duì)人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)及社會(huì)活動(dòng)都有極其重要的影響，水循環(huán)活動(dòng)造成的洪災(zāi)、旱災(zāi)以及水資源的分配不均給全世界造成了巨大損失。為了能夠了解水循環(huán)的過(guò)程，進(jìn)而通過(guò)科學(xué)手段盡量避免水旱災(zāi)害，水文學(xué)對(duì)水循環(huán)過(guò)程做出了很多深入研究?，F(xiàn)代水文學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)、物理過(guò)程分析總結(jié)水循環(huán)規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)學(xué)物理方法建立能描述水循環(huán)過(guò)程的水文學(xué)模型，期待通過(guò)模型能準(zhǔn)確地了解水循環(huán)的各相關(guān)過(guò)程。從二十世紀(jì)50年代到現(xiàn)代，水文學(xué)模型研究越來(lái)越趨近于理論化，模型從最初的統(tǒng)計(jì)模型，逐步過(guò)渡到半物理的概念性模型以及全動(dòng)力過(guò)程描述的物理模型，通過(guò)這些模型的研究有力地推動(dòng)了人類對(duì)水文循環(huán)過(guò)程的了解，對(duì)指定趨利避害的規(guī)則提供了大量的科學(xué)依據(jù)。目前水文模型主要的研究思路是分別研究水文產(chǎn)流和匯流，其中產(chǎn)流過(guò)程是核心，它決定了降雨后形成的洪水總量。而在產(chǎn)流過(guò)程中流域土壤的涵蓄水能力是決定性因素，降雨、積雪融化，凍土升溫冰融化扣除土壤涵養(yǎng)及持蓄水的能力后即可得到產(chǎn)流量。基于此，當(dāng)前的水文模型均引入了土壤涵蓄水能力相關(guān)的參數(shù)，蓄水容量是反映土壤涵蓄水能力的有效表達(dá)。
[0003]流域下墊面情況是確定土壤涵蓄水能力的重要因子，我國(guó)著名的新安江模型提出了反映土壤涵蓄水能力空間分布的蓄水容量曲線，隱含地表達(dá)了地形變化和土壤下墊面變化對(duì)流域蓄水容量的影響；寒區(qū)流域凍土層土壤的季節(jié)性凍融變化是下墊面變化的主要影響因素之一，其冰含量的季節(jié)變化過(guò)程是土壤涵蓄水能力的重要因子；SHAW、SiB、BATS、VIC等模型針對(duì)寒區(qū)凍土凍融過(guò)程模型中的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)、水熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)等，描述多年凍土區(qū)活動(dòng)層水熱輸運(yùn)情況。
[0004]雖然目前有關(guān)于寒區(qū)凍融機(jī)理的研究，但多著重于水熱耦合過(guò)程描述，較少關(guān)注凍融轉(zhuǎn)化對(duì)流域水文過(guò)程特別是產(chǎn)流過(guò)程的影響。有關(guān)于土壤凍融活動(dòng)對(duì)流域土壤涵蓄水能力影響的研究，但研究的成果多采用表現(xiàn)為經(jīng)驗(yàn)性曲線來(lái)描述，比如新安江模型提出了一個(gè)拋物型的蓄水容量曲線，其中有經(jīng)驗(yàn)性的參數(shù)需要率定，模型結(jié)構(gòu)理論化程度不高。寒區(qū)涵蓄水能力本質(zhì)上與流域氣候和土壤質(zhì)地密切相關(guān)，但目前還未見(jiàn)結(jié)合融雪一凍土水、熱耦合與土壤類型來(lái)共同確定土壤涵蓄水能力的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，可通過(guò)建立地理地形數(shù)據(jù)、土壤類型信息及凍土凍融季節(jié)性活動(dòng)與流域柵格土壤涵蓄水能力之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間、空間尺度上流域涵蓄水能力指標(biāo)動(dòng)態(tài)設(shè)定并與實(shí)際情況的吻合，從而得到流域涵蓄水能力測(cè)算模型，將有效地推動(dòng)流域水文模型的科學(xué)發(fā)展。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提出以下技術(shù)方案:
[0007]—種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一，進(jìn)行凍融區(qū)流域氣象及下墊面基本數(shù)據(jù)處理，包括:氣象數(shù)據(jù)采集、地理數(shù)據(jù)采集、計(jì)算柵格指標(biāo)、核算柵格土壤信息；
[0009]步驟二，計(jì)算流域范圍的土壤凍融水熱狀態(tài)，具體為:根據(jù)水分傳遞、熱量傳導(dǎo)理論，分別計(jì)算流域柵格點(diǎn)土壤溫度、土壤液態(tài)水含量，獲得土壤冰含量比重；
[0010]步驟三，根據(jù)步驟二獲得的土壤冰含量比重，定量表達(dá)流域內(nèi)各柵格點(diǎn)涵蓄水能力的時(shí)間分布，計(jì)算柵格型土壤涵蓄水能力指標(biāo)；
[0011]步驟四，根據(jù)步驟三的結(jié)果，計(jì)算每一階段子流域內(nèi)柵格點(diǎn)的涵蓄水能力，按照從小到大的順序排列，再根據(jù)柵格面積比繪制各子流域離散化的涵蓄水能力累積分布曲線，從而得到凍融區(qū)流域土壤涵蓄水能力的動(dòng)態(tài)測(cè)算模型，對(duì)土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力進(jìn)行測(cè)算。
[0012]進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，在步驟一中:
[0013]所述的氣象數(shù) 據(jù)采集，包括收集流域內(nèi)氣溫、降水、濕度、氣壓數(shù)據(jù)；
[0014]所述的地理數(shù)據(jù)采集，包括收集流域地形數(shù)據(jù)、柵格高程數(shù)據(jù)、柵格土壤特性數(shù)據(jù)；
[0015]所述的計(jì)算柵格指標(biāo)，包括計(jì)算柵格內(nèi)的坡度、坡向以及河長(zhǎng)，劃分流域邊界，生成子流域拓?fù)潢P(guān)系與流域水系；
[0016]所述的核算柵格土壤信息，包括計(jì)算柵格內(nèi)各類土壤的比例，疊加?xùn)鸥駜?nèi)各類土壤的組成，量定土壤水熱參數(shù)。
[0017]進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，步驟二中所述的計(jì)算流域范圍的土壤凍融水熱狀態(tài)具體包括以下步驟:
[0018]首先，基于能量平衡、水量平衡原理，得到雪蓋溫度和析出水量:
【權(quán)利要求】
1.一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一，進(jìn)行凍融區(qū)流域氣象及下墊面基本數(shù)據(jù)處理，包括:氣象數(shù)據(jù)采集、地理數(shù)據(jù)采集、計(jì)算柵格指標(biāo)、核算柵格土壤信息； 步驟二，計(jì)算流域范圍的土壤凍融水熱狀態(tài)，具體為:根據(jù)水分傳遞、熱量傳導(dǎo)理論，分別計(jì)算流域柵格點(diǎn)土壤溫度、土壤液態(tài)水含量，獲得土壤冰含量比重； 步驟三，根據(jù)步驟二獲得的土壤冰含量比重，定量表達(dá)流域內(nèi)各柵格點(diǎn)涵蓄水能力的時(shí)間分布，計(jì)算柵格型土壤涵蓄水能力指標(biāo)； 步驟四，根據(jù)步驟三的結(jié)果，計(jì)算每一階段子流域內(nèi)柵格點(diǎn)的涵蓄水能力，按照從小到大的順序排列，再根據(jù)柵格面積比繪制各子流域離散化的涵蓄水能力累積分布曲線，從而得到凍融區(qū)流域土壤涵蓄水能力的動(dòng)態(tài)測(cè)算模型，對(duì)土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力進(jìn)行測(cè)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，其特征在于，步驟一中: 所述的氣象數(shù)據(jù)采集，包括收集流域內(nèi)氣溫、降水、濕度、氣壓數(shù)據(jù)； 所述的地理數(shù)據(jù)采集，包括收集流域地形數(shù)據(jù)、柵格高程數(shù)據(jù)、柵格土壤特性數(shù)據(jù)；所述的計(jì)算柵格指標(biāo)，包括計(jì)算柵格內(nèi)的坡度、坡向以及河長(zhǎng)，劃分流域邊界，生成子流域拓?fù)潢P(guān)系與流域水系； 所述的核算柵格土壤信息，包括計(jì)算柵格內(nèi)各類土壤的比例，疊加?xùn)鸥駜?nèi)各類土壤的組成，量定土壤水熱參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，其特征在于，步驟二中所述的計(jì)算流域范圍的土壤凍融水熱狀態(tài)具體包括以下步驟: 首先，基于能量平衡、水量平衡原理，得到雪蓋溫度和析出水量:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于土壤凍融過(guò)程的流域涵蓄水能力測(cè)算方法，其特征在于，步驟三中所述的計(jì)算柵格型土壤涵蓄水能力指標(biāo)，具體過(guò)程包括: 1)利用時(shí)段柵格內(nèi)各層土壤冰含量比重，得到土壤冰含量比重的年內(nèi)變化:
【文檔編號(hào)】G01N33/24GK103675232SQ201310596066
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】向小華, 吳曉玲 申請(qǐng)人:河海大學(xué)