[发明专利]一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法

权利要求书

1.一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，进行冻融区流域气象及下垫面基本数据处理，包括：气象数据采集、地理数据采集、计算栅格指标、核算栅格土壤信息；

步骤二，计算流域范围的土壤冻融水热状态，具体为：根据水分传递、热量传导理论，分别计算流域栅格点土壤温度、土壤液态水含量，获得土壤冰含量比重；

步骤三，根据步骤二获得的土壤冰含量比重，定量表达流域内各栅格点涵蓄水能力的时间分布，计算栅格型土壤涵蓄水能力指标；

步骤四，根据步骤三的结果，计算每一阶段子流域内栅格点的涵蓄水能力,按照从小到大的顺序排列，再根据栅格面积比绘制各子流域离散化的涵蓄水能力累积分布曲线，从而得到冻融区流域土壤涵蓄水能力的动态测算模型，对土壤冻融过程的流域涵蓄水能力进行测算。

2.根据权利要求1所述的一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法，其特征在于，步骤一中：

所述的气象数据采集，包括收集流域内气温、降水、湿度、气压数据；

所述的地理数据采集，包括收集流域地形数据、栅格高程数据、栅格土壤特性数据；

所述的计算栅格指标，包括计算栅格内的坡度、坡向以及河长，划分流域边界，生成子流域拓扑关系与流域水系；

所述的核算栅格土壤信息，包括计算栅格内各类土壤的比例，叠加栅格内各类土壤的组成，量定土壤水热参数。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法，其特征在于，步骤二中所述的计算流域范围的土壤冻融水热状态具体包括以下步骤：

首先，基于能量平衡、水量平衡原理，得到雪盖温度和析出水量：

Tsnowt+1=Tsnowt+(Qnet-QphaseρwCiWice)---(1)]]>

Wliqt+1=Wliqt+[P-E+|Qnet-Qchangeρwλf|]---(2)]]>

式中：W_liq为雪层内液态水含量；T_snow为雪层内温度；Q_net为雪层内的净输入能量；Q_phrase为水分相变能量；Q_change为积雪融化能量；P为降雨量；E为蒸发损失量；ρ_w为水密度；C_i为冰比热容；W_ice为雪水当量；λ_f为融化热，t为计算时刻；

其次，利用试验方式获得栅格内各类土壤水热参数C_S、L_f、λ、K、D，结合式(1)～(2)作为输入条件，参与土壤水热联立式(3)～(4)计算，得到土壤冰含量比重θ_Bi；

-Δtλi-1/2(ΔZi)2Ti-1t+1+(CSi+Δtλi-1/2(ΔZi)2+Δtλi+1/2(ΔZi)2)Tit+1-Δtλi+1/2(ΔZi)2Ti+1t+1=CSTit+LfρB(θBit+1-θBit)---(3)]]>

-ΔtDi-1/2(ΔZi)2θli-1t+1+(1+ΔtDi-1/2(ΔZi)2+ΔtDi+1/2(ΔZi)2)θlit+1-ΔtDi+1/2(ΔZi)2θli+1t+1=θlit+ΔtΔZi(Ki-1/2-Ki+1/2)-ρBρl(θBit+1-θBit)---(4)]]>

式中：T为土壤温度；ρ_B为冰密度；ρ_l为水密度；θ_l为土壤液态水含量；Z为栅格空间坐标，L_f为相变潜热，C_S为土壤体积热容量，D为土壤水扩散系数，K为土壤水导水系数，λ为土壤导热系数，i=1,2,…M，M为栅格型土壤上至下划分的层数。

4.根据权利要求3所述的一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法，其特征在于，步骤三中所述的计算栅格型土壤涵蓄水能力指标，具体过程包括：

1)利用时段栅格内各层土壤冰含量比重，得到土壤冰含量比重的年内变化：

fB(t,x,y,h)=Σi=1i=MθBit---(5)]]>

式中：t为计算时刻；x、y、h分别为栅格行、列及高程数据，i=1,2,…M，M为栅格型土壤上至下划分的层数，θ_Bi为土壤冰含量比重；

2)利用步骤1）的土壤冰含量比重的年内变化得到土壤冻融状态冰含量比重分布曲线，获得计算深度H_soil内土壤蓄水容量的变化量dW：

dW=[f_B(t+1,x,y,h)-f_B(t,x,y,h)]H_soil           (6)

3)利用式(6)计算栅格型土壤涵蓄水能力指标W_M：

W_M(t+1,x,y,h)=W_M(t,x,y,h)+dW          (7)

流域中各栅格点土壤水热条件不同，土壤特征各异，通过式(7)得到每个栅格点上相应的涵蓄水能力指标。