[发明专利]基于蓄水容量曲线和TOPMODEL的流域水文模型的设计方法

说明书

技术领域

本发明半分布式水文模型的设计方法，更具体的说是基于蓄水容量曲线和TOPMODEL的流域水文模型的设计方法。

背景技术

TOPMODEL是Beven和Kirkby于1979年提出的一个以地形为基础的半分布式水文模型，其主要特征是利用流域地形指数(lnα/tanβ)作为一个水文相似性的指数，所有具有相同地形指数值的点，对降雨具有相同的水文响应。作为该假定的结果，流域的地形可以用地形指数的空间分布来表示。具有较大地形指数值的点，将首先趋于饱和，因此暗示着潜在的地表和地下径流的产流面积。由流域湿润或干燥引起的产流面积的变化可由地形指数的空间分布来表示。

地形是降雨-径流动态物理过程中非常重要的影响因子。TOPMODEL以地形空间变化为主要结构，用地形指数(topography index，也称湿润指数，wetness index)的形式描述地下水的分布情况以及自由水排水沿坡向的运动，表达了变动面积产流的概念。根据这个概念，流域上产生的坡面流被认为是不均匀的。在一定程度上，变动产流面积可看作河道系统的延伸。

TOPMODEL参数比较少，共有五个，它们分别是：土壤孔隙尺度m，饱和导水率T0，根层最大缺水深SRmax，根层初始含水量SR0以及汇流速度ChVel。

新安江模型在国内湿润和半湿润地区得到广泛的应用。模型的核心是蓄水容量曲线，表示降雨分布均匀时的产流面积的变化情况。

TOPMODEL模型和新安江模型都是概念性模型，都是基于变动产源面积理论的模型，因此都是半分布式流域水文模型，而且两者都主要应用于湿润和半湿润地区。这两个模型结构简单，优选参数少(尤其是TOPMODEL)，而且与观测的物理水文过程有密切联系，模拟效果好，已被应用到水科学研究的各个方面，并不断发展、改进。由于这两个模型有很多相似之处，不少学者试图利用这两个模型的优点改进其中的一个模型或新建一个模型。例如，韩杰和张万昌(2005)将新安江模型三水源的结构应用到两水源TOPMODEL中，率先将其改造成三水源的模型，并在汉江子午河流域进行了应用，实现了TOPMODEL模型对三种径流成分(地表径流、壤中流及地下径流)的分割。文佩和陈喜(2006)也作了类似的改造工作，并用改进的TOPMODEL模型模拟了岳城等三个流域的日径流过程、次洪水过程和基流过程。结果表明，改进模型能较好地反映南方湿润地区产汇流过程及各种径流成份模拟。雍斌和张万昌(2007)用改进型SIMTOP(TOPMODEL的一个变种)的饱和产流方案与新安江水量平衡计算方法相结合，构建了一个具有地形指数尺度转换机制的陆面水文过程模型TOPX，并在汉江酉水街小流域进行了单点离线测试。结果表明TOPX模型在温润区小流域的日径流量模拟精度高，而且TOPX模型能够较好捕捉土壤含水量、饱和源面积等各种水文过程变量的时空动态变化过程。然而，到目前为止尚未见将新安江模型中的蓄水容量曲与地下水位波动关联，并与TOPMODEL地下产流方案相结合以构建新模型的报道。

陆面过程模式的发展历程和研究进展可以分为三个阶段：①“水箱”模式阶段；②SVAT模式阶段；③VIC和TOPMODEL大发展阶段。VIC模型是一个不断发展的陆面水文过程模型。该模型吸取了新安江模型的蓄水容量曲线的思想，考虑了网格系统内由于地形、土壤及植被的变化产生的入渗能力的变化，网格的入渗能力用一个抛物线型函数描述。VIC模型的产流思想又不断地被其它陆面参数化方案所引用，以改善以往对产流方案处理的不足。