[发明专利]一种分布式流域水沙过程耦合模拟方法

说明书

本发明涉及一种分布式流域水沙过程耦合模拟方法，包括：地形数字化处理；建立等高带；建立等高带侵蚀地形数据文件；数据收集与处理；流域水文过程计算；坡面侵蚀与泥沙输移过程计算；沟道或河道或水库的水沙过程计算；判断；传递变量参数；模型参数的率定和模型验证；结束。本发明针对山坡尺度以等高带作为计算平台，以山坡真实水沙物理过程为图景，实现了等高带坡面的降雨‑径流和侵蚀‑泥沙过程的耦合模拟计算能力，在减少计算量的前提下，保证计算精度，有效还原和预测任意栅格尺度的坡面水沙过程。与已有技术相比，本发明以等高带为基本计算单元，实现地形适应性和尺度适应性；同时基于坡面水沙物理过程模拟，能够更加深入的认识坡面水沙过程规律，支撑更复杂的实践应用。

技术领域

本发明涉及一种分布式流域水沙过程耦合模拟方法，是一种水文泥沙过程计算方法，是一种使用计算机技术的水文泥沙过程模拟计算方法。

背景技术

流域的水沙过程，最终都将归结到坡面和河流的水沙过程。坡面水沙过程是复杂的多过程集合，包括降雨、植被冠层截流、地表覆被物截流、地表产流、土壤入渗、坡面汇流、河道汇流和水库水量过程，同时伴生过程包括雨滴溅蚀、薄层水流侵蚀、沟道水流侵蚀、重力侵蚀，以及泥沙输移与沉积等过程。

现有的流域水沙过程模拟多为经验法，即以水土保持试验区观测数据为基础，按照不同水土保持措施条件下降雨、径流、泥沙过程观测资料，经过统计分析，给出不同降雨条件下的径流、泥沙响应关系。或者以通过水土保持治理与非治理条件下的对比，给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类型，计算不同条件下坡面水沙过程。这种以水沙过程观测资料为基础，通过统计分析等直接给出降雨、径流、泥沙过程的经验公式，然后外推应用。

流域水土保持治理是开展区域生态环境治理的基础。随着经济、社会的发展，区域水土管理越来越精细化和精准化，需要根据山坡水沙过程分异的具体条件，精准配置水土保持治理措施，才能有效改善区域水土条件，取得较好的治理成效。在水土流失区，流域水沙过程模拟也是开展大规模水土保持治理及其相关的资源、环境、生态，以及经济社会发展模式等重大决策的基础支撑。

根据已有研究，即使是相同的降雨等驱动条件下，流域水沙过程随着地形、土地利用、治理措施、治理年限等的不同，差异也较大。因此，上述水沙过程计算经验方法，没有考虑水沙过程的具体物理机理，时间和空间尺度较大，难以适应当前区域水土保持治理的需求。

与此同时，流域的水沙过程由于其巨大计算量，往往需要十分巨大的计算机硬件资源才能实现计算，甚至无法达到要求，因此，基于DEM格栅进行计算，在多数情况下运算量较大，对流域水沙过程的计算非常耗时。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种分布式流域水沙过程耦合模拟方法。所述的方法基于流域水沙物理过程，将不同分辨率的格栅整合为等高带条件下的降雨-产流-汇流和土壤侵蚀-输移机制建立一种基于等高带的分布式流域水沙过程耦合模拟方法。

本发明的目的是这样实现的：一种分布式流域水沙过程耦合模拟方法，所述方法的步骤如下：

地形数字化处理的步骤：用于以DEM数据为基础，建立等高带化地形数据；

建立等高带的步骤：用于根据Pfafstetter规则合并格栅，建立以等高带为基本计算单元的坡面水文过程计算所需的汇流关系数据文件和相应的地形数据文件；

建立等高带侵蚀地形数据文件的步骤：用于对每个等高带，根据汇流条件将计算单元划分为由平面、细沟、浅沟和切沟构成的亚计算单元地貌形态；

数据收集与处理的步骤：用于收集模拟区域内及其附近的水文、气象、植被、土壤、土地利用、水土保持措施数据，其中水文气象数据包括降雨、平均风速、平均气温、日照时数、空气相对湿度，对收集到的数据按照模拟计算所需的时间步长进行处理和空间匹配处理；