[发明专利]一种基于自然子流域的通用流域水循环模拟计算方法

说明书

本发明涉及一种基于自然子流域的通用流域水循环模拟计算方法，本发明以自然子流域作为产流、坡面汇流的计算单元，各个子流域的面雨量输入采用本次发明的高容错面雨量计算方法计算得到。而各个子流域可采用不同的产汇流模型以充分反映气候、下垫面特性，子流域之间通过拓扑关系模型及水动力学模型实现河网汇流，最终计算得到各个子流域出口断面的流量过程。对于跨流域引调水工程影响，则概化为上游流量过程输入边界下，单一河道流量演进对于最邻近下游子流域出口出流的增减影响。本发明可为流域水资源分析计算、流域水资源优化配置提供有力的理论及技术支撑。

技术领域

本发明属于流域水循环模拟分析领域，更具体地，涉及一种模仿流域天然产汇流结构特性，可适应流域不同气候、下垫面分布条件，可定量分析跨流域引调水工程影响的流域水循环模拟计算方法。

背景技术

目前在流域水循环模拟分析领域，基于雨量站计算单元进行流域水循环模拟计算方法得到广泛应用。该方法根据流域地形、地貌条件及布设的雨量站网，用泰森多边形法将研究流域划分为若干个雨量站计算单元，每个计算单元对应于相应雨量站的泰森多边形，计算面积即为泰森多边形所占面积，并认为单元内降雨输入可由相应雨量站雨量过程代表。对每个计算单元采用水文模型分别进行蒸散发计算、产流计算及坡面汇流计算，得到计算单元的出流过程；将单元面积的出流过程用马斯京根分段连续演算法进行出口以下的河道汇流演算，求得单元面积在流域出口的流量过程线；将每个单元面积在流域出口的流量过程线性叠加，即得到研究流域出口断面的流量过程。

该方法计算逻辑简单，计算量较小，成果也能有一定精度，因此在水文预报、水循环模拟计算等领域得到广泛应用。

但该方法存在以下无法忽视的问题：

(1)所有雨量站计算单元均采用同一套产流、坡面汇流计算方法计算单元出口出流过程，但实际上单元出口位置无法得知，无法得到流域内有意义的分区流量成果，更重要的是每个雨量站计算单元仅具有空间统计意义，而缺乏集水单元的物理意义。对于研究流域内气候、下垫面条件存在明显差异的情况，没有理论基础也无法针对特定雨量站计算单元选择不同的产流、坡面汇流计算方法来适应流域这种空间差异性，影响了水循环模拟计算的精度，也影响了方法的通用性、实用性。

(2)此外，对于各个雨量站计算单元的出流过程，采用马斯京根法进行河道汇流，叠加得到研究流域出口出流的方法，存在着因为使用的是虚拟河道而不是实际河道从而导致的河网汇流物理意义不足的问题，也进一步影响了水循环模拟计算的精度。

(3)再有，该方法由于无法进行汇水节点及实际河道的有效表达，无法处理当流域内存在跨流域引调水工程时引调水影响的定量分析计算问题，也进一步影响了方法的通用性、实用性。

发明内容

针对现有基于雨量站计算单元进行流域水循环模拟计算方法在实际应用中的实用性、通用性不高，计算精度有限的问题，提出一种基于自然子流域的通用流域水循环模拟计算方法，该方法以自然子流域作为产流、坡面汇流的计算单元，各个子流域的面雨量输入采用本次发明的高容错面雨量计算方法计算得到。而各个子流域可采用不同的产汇流模型以充分反映气候、下垫面特性，子流域之间通过拓扑关系模型及水力学模型实现河网汇流，最终计算得到各个子流域出口断面的流量过程。对于跨流域引调水工程影响，则概化为上游流量过程输入边界下，单一河道流量演进对于最邻近下游子流域出口出流的增减影响。本发明解决了原有方法无法针对性考虑流域内不同水文气候条件的子单元产汇流计算、河网汇流缺乏物理意义导致计算精度不高、无法定量化分析跨流域来水/出流对流域水循环的影响的三大问题，可为流域水资源分析计算、流域水资源优化配置提供有力的理论及技术支撑。

具体技术解决方案如下：

(1)高容错面雨量计算方法解决自然子流域面雨量计算问题

对各自然子流域划分正方形网格，各网格以有效面积占自然子流域面积的比例为权重，自然子流域面雨量采用下式计算得到。