[发明专利]一种坡面水沙过程耦合模拟方法

说明书

本发明涉及一种坡面水沙过程耦合模拟方法，包括：建立数字化坡面；建立侵蚀地形数据文件；数据收集与处理；水沙计算；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，利用不同分辨率的格栅DEM数据为平台，以山坡真实水沙物理过程为图景，实现了坡面降雨‑径流和侵蚀‑泥沙过程的耦合模拟计算能力，提升了模拟计算精度，可以有效还原和预测任意格栅尺度的坡面水沙过程。与已有技术相比，本发明以格栅DEM的格栅单元为基本计算单元，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，支撑更多和更复杂的实践应用。

技术领域

本发明涉及一种坡面水沙过程耦合模拟方法，是一种水文计算方法，是一种使用计算机技术的水文计算方法。

背景技术

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、土壤入渗和坡面汇流过程，同时伴生过程包括雨滴溅蚀、薄层水流侵蚀、沟道水流侵蚀、重力侵蚀和泥沙输移与沉积等过程。

现有的坡面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。

坡面水土保持治理是开展区域生态环境治理的基本单元。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。在水土流失区，坡面水沙过程规律是开展精细化和精准化治理的基础。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。

根据已有研究，即使是相同的降雨等驱动条件下，坡面水沙过程随着地形、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。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种坡面水沙过程耦合模拟方法。所述的方法基于坡面水沙物理过程，按照不同分辨率的格栅条件下的降雨-产流-汇流和土壤侵蚀-输移机制建立一种坡面水沙过程耦合模拟方法。

本发明的目的是这样实现的：一种坡面水沙过程耦合模拟方法，所述方法的步骤如下：

建立数字化坡面的步骤：用于DEM数据为基础，以ArcGIS水文模块为主要工具，采用D8法，建立以格栅为基本计算单元的坡面水文过程计算所需的地形数据、汇流关系数据文件；

建立侵蚀地形数据文件的步骤：用于以地形数据、汇流关系数据文件为基础，建立坡面侵蚀与泥沙输移过程计算所需的侵蚀地形数据文件；

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；

水沙计算的步骤：用于输入模型率定参数或应用参数，进行坡面水文过程计算、坡面侵蚀与泥沙输移过程计算：

所述的坡面水文过程计算为：按照汇流关系数据文件从坡面顶端的格栅开始，进行格栅中坡面水文过程计算，包括：蒸发蒸腾、入渗、地表径流、壤中径流、坡面汇流、积雪融雪计算，如果存在上游格栅则接收上游格栅的参数，加入到计算中；

所述的坡面侵蚀与泥沙输移过程计算为：从坡面顶端的格栅开始，进行格栅中坡面侵蚀与泥沙输送和移动过程模拟和计算，所述的模拟和计算包括：雨滴溅蚀模拟、薄层水流侵蚀模拟、股流侵蚀过程模拟、重力侵蚀过程模拟，如果存在上游格栅则接收上游格栅的参数，加入到计算中；