[發明專利]一種坡面水沙過程耦合模擬方法

有效

• 申請號: 201611161450.4
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN106599473B
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 龔家國;王浩;賈仰文;周祖昊;劉佳嘉;王英;牛存穩
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 李桂玲;李富華

本發明涉及一種坡面水沙過程耦合模擬方法，包括：建立數字化坡面；建立侵蝕地形數據文件；數據收集與處理；水沙計算；判斷；傳遞變量參數；模型參數的率定和模型驗證；結束。本發明針對山坡尺度，利用不同分辨率的格柵DEM數據為平臺，以山坡真實水沙物理過程為圖景，實現了坡面降雨?徑流和侵蝕?泥沙過程的耦合模擬計算能力，提升了模擬計算精度，可以有效還原和預測任意格柵尺度的坡面水沙過程。與已有技術相比，本發明以格柵DEM的格柵單元為基本計算單元，實現地形適應性和尺度適應性；同時基于坡面水沙物理過程模擬，能夠更加深入的認識坡面水沙過程規律，支撐更多和更復雜的實踐應用。

技術領域

本發明涉及一種坡面水沙過程耦合模擬方法，是一種水文計算方法，是一種使用計算機技術的水文計算方法。

背景技術

坡面水沙過程是復雜的多過程集合，包括降雨、植被冠層截流、地表覆被物截流、地表產流、土壤入滲和坡面匯流過程，同時伴生過程包括雨滴濺蝕、薄層水流侵蝕、溝道水流侵蝕、重力侵蝕和泥沙輸移與沉積等過程。

現有的坡面水沙過程模擬多為經驗法，即以水土保持試驗區觀測數據為基礎，按照不同水土保持措施條件下降雨、徑流、泥沙過程觀測資料，經過統計分析，給出不同降雨條件下的徑流、泥沙響應關系。或者以通過水土保持治理與非治理條件下的對比，給出不同水土保持措施的治理效益，然后按照坡面水土保持措施類型，計算不同條件下坡面水沙過程。這種以水沙過程觀測資料為基礎，通過統計分析等直接給出降雨、徑流、泥沙過程的經驗公式，然后外推應用。

坡面水土保持治理是開展區域生態環境治理的基本單元。隨著經濟、社會的發展，區域水土管理越來越精細化和精準化。在水土流失區，坡面水沙過程規律是開展精細化和精準化治理的基礎。需要根據山坡水沙過程分異的具體條件，精準配置水土保持治理措施，才能有效改善區域水土條件，取得較好的治理成效。

根據已有研究，即使是相同的降雨等驅動條件下，坡面水沙過程隨著地形、土地利用、治理措施、治理年限等的不同，差異也較大。因此，上述水沙過程計算經驗方法，沒有考慮水沙過程的具體物理機理，時間和空間尺度較大，難以適應當前區域水土保持治理的需求。

發明內容

為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種坡面水沙過程耦合模擬方法。所述的方法基于坡面水沙物理過程，按照不同分辨率的格柵條件下的降雨-產流-匯流和土壤侵蝕-輸移機制建立一種坡面水沙過程耦合模擬方法。

本發明的目的是這樣實現的：一種坡面水沙過程耦合模擬方法，所述方法的步驟如下：

建立數字化坡面的步驟：用于DEM數據為基礎，以ArcGIS水文模塊為主要工具，采用D8法，建立以格柵為基本計算單元的坡面水文過程計算所需的地形數據、匯流關系數據文件；

建立侵蝕地形數據文件的步驟：用于以地形數據、匯流關系數據文件為基礎，建立坡面侵蝕與泥沙輸移過程計算所需的侵蝕地形數據文件；

數據收集與處理的步驟：用于收集模擬區域內及其附近的水文、氣象、植被、土壤、土地利用、水土保持措施數據，其中水文氣象數據包括降雨、平均風速、平均氣溫、日照時數、空氣相對濕度，對收集到的數據按照模擬計算所需的時間步長進行處理和空間匹配處理；

水沙計算的步驟：用于輸入模型率定參數或應用參數，進行坡面水文過程計算、坡面侵蝕與泥沙輸移過程計算：

所述的坡面水文過程計算為：按照匯流關系數據文件從坡面頂端的格柵開始，進行格柵中坡面水文過程計算，包括：蒸發蒸騰、入滲、地表徑流、壤中徑流、坡面匯流、積雪融雪計算，如果存在上游格柵則接收上游格柵的參數，加入到計算中；

所述的坡面侵蝕與泥沙輸移過程計算為：從坡面頂端的格柵開始，進行格柵中坡面侵蝕與泥沙輸送和移動過程模擬和計算，所述的模擬和計算包括：雨滴濺蝕模擬、薄層水流侵蝕模擬、股流侵蝕過程模擬、重力侵蝕過程模擬，如果存在上游格柵則接收上游格柵的參數，加入到計算中；