[发明专利]一种基于三级汇流结构的分布式侵蚀产沙模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于三级汇流结构的分布式侵蚀产沙模拟方法，涉及土壤侵蚀、河道输沙模型与计算机数值计算技术领域。通过改进WEP‑L模型，将WEP‑L原有的“坡面‑河道”二级系统改进为“坡面‑沟道‑河道”三级系统，具体的，根据从坡面到流域出口的产输沙过程，按照土壤侵蚀发生的位置将水沙过程划分为坡面、沟道、河道三个环节，其中坡面侵蚀环节分为雨滴溅蚀、坡面径流侵蚀和坡面沟道产输沙过程；以各环节的侵蚀特点为依据，根据产输沙时空格局、承接传递过程等方面的相似性，分别以子流域和坡面等高带为计算单元，实现侵蚀产沙过程的多环节细化模拟，有效的反映了沟道侵蚀严重的特点，真实刻画了其侵蚀过程。

技术领域

本发明涉及土壤侵蚀、河道输沙模型与计算机数值计算技术领域，尤其涉及一种基于三级汇流结构的分布式侵蚀产沙模拟方法。

背景技术

在水土保持研究过程中，除了产流过程外，泥沙过程的同步模拟必不可少。然则，国内外水文模型在泥沙方面都采用半经验式的模拟方法，物理过程刻画薄弱，不能满足区域水土管理越来越精细化和精准化的需求。

此外，已有的流域土壤侵蚀模型都只对坡面和河道两个侵蚀过程进行模拟，输沙过程计算时往往忽视了沟道过程的重要性。坡面侵蚀显然不能反映沟道的侵蚀特点，而沟道的比降一般都比河道比降大，河道产输沙也不能包含沟道产输沙过程。尤其，黄土高原沟道高度发育，沟道水流侵蚀量占总水力侵蚀量的比例接近50％。这一特点使沟道水力侵蚀过程在黄土高原土壤侵蚀中占据举足轻重的地位，也对水沙物理过程的模拟提出了更高的要求。

目前，国内主流水文模型之一的大尺度流域水与能量转化过程模型(Water andEnergy transfer Processes in Large river basins，简称WEP-L)已很好地应用于黄土高原降水-径流研究，但该模型也仅考虑了“坡面-河道”两级汇流系统，并且不支持对流域侵蚀产沙等物理过程的模拟分析，模型不能直接应用于黄土高原水土保持分析与生态治理研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于三级汇流结构的分布式侵蚀产沙模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于三级汇流结构的分布式侵蚀产沙模拟方法，包括如下步骤：

S1，地形数据提取：利用GIS平台和模拟区DEM数据，提取河网和坡度等地形数据；

S2，子流域-等高带单元划分：利用GIS平台和S1中的河网提取结果，基于汇水区划分子流域；在每个子流域内，按照一定的高程间隔划分等高带；确定坡面-沟道-河道三级汇流结构；

S3，基础数据库构建：收集模拟区内的水文、气象、土壤、土地利用、水土保持措施、人类活动取用水的模型输入数据；并按照模型需求和S2中的划分结果，对收集的模型输入数据进行空间或时间尺度上的处理，构建基础数据库；

S4，计算坡面产输沙：利用S3所建数据库中各等高带的水文气象要素、土地利用条件、水保措施数据，以等高带为单元，按照上下承接的关系，依次计算各等高带的坡面沟间及沟道侵蚀量和输沙率；

S5，计算沟道产输沙：基于S4中坡面产沙结果，以子流域为计算单元，进行沟道侵蚀、输沙模拟，计算沟道输沙率；

S6，计算河道产输沙：基于S4中坡面、S5中沟道产输沙结果，以子流域为单元，进行河道侵蚀、输沙模拟；

S7，侵蚀产沙量统计：坡面沟间及坡面沟道产沙由等高带汇总到子流域；坡面、沟道、河道各环节的产沙由子流域汇总到模拟区；最终，在模拟区内对所有环节的产沙进行汇总。

优选地，S4包括如下步骤：

S401，以等高带为计算单元，暴雨期以每小时降水为驱动，非暴雨期以日降水为驱动，计算坡面沟间雨滴溅蚀；