[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

说明书

技术领域

本发明属于水利工程的水循环技术领域，特别是涉及一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法。

背景技术

影响自然系统、生物系统、人类社会等方面的全球气候变化已经发生，并且还将加剧，它的任何走向都会对自然生态系统以及社会经济产生不可忽视的影响。在受到气候影响的各种环境系统中，高寒区生态系统是最敏感的区域之一，其活动过程正在深刻地影响着整个地球系统。高寒区水循环过程对人类经济活动及社会活动都有极其重要的影响，水循环活动造成的洪灾、旱灾以及水资源的分配不均给全世界造成了巨大损失。为了能够了解水循环的过程，进而通过科学手段尽量避免水旱灾害，水文学对水循环过程做出了很多深入研究。现代水文学通过实验、物理过程分析总结水循环规律，并在此基础上结合数学物理方法建立能描述水循环过程的水文学模型，期待通过模型能准确地了解水循环的各相关过程。从二十世纪50年代到现代，水文学模型研究越来越趋近于理论化，模型从最初的统计模型，逐步过渡到半物理的概念性模型以及全动力过程描述的物理模型，通过这些模型的研究有力地推动了人类对水文循环过程的了解，对指定趋利避害的规则提供了大量的科学依据。目前水文模型主要的研究思路是分别研究水文产流和汇流，其中产流过程是核心，它决定了降雨后形成的洪水总量。而在产流过程中流域土壤的涵蓄水能力是决定性因素，降雨、积雪融化，冻土升温冰融化扣除土壤涵养及持蓄水的能力后即可得到产流量。基于此，当前的水文模型均引入了土壤涵蓄水能力相关的参数，蓄水容量是反映土壤涵蓄水能力的有效表达。

流域下垫面情况是确定土壤涵蓄水能力的重要因子，我国著名的新安江模型提出了反映土壤涵蓄水能力空间分布的蓄水容量曲线，隐含地表达了地形变化和土壤下垫面变化对流域蓄水容量的影响；寒区流域冻土层土壤的季节性冻融变化是下垫面变化的主要影响因素之一，其冰含量的季节变化过程是土壤涵蓄水能力的重要因子；SHAW、SiB、BATS、VIC等模型针对寒区冻土冻融过程模型中的土壤结构参数、水热动力学参数等，描述多年冻土区活动层水热输运情况。

虽然目前有关于寒区冻融机理的研究，但多着重于水热耦合过程描述，较少关注冻融转化对流域水文过程特别是产流过程的影响。有关于土壤冻融活动对流域土壤涵蓄水能力影响的研究，但研究的成果多采用表现为经验性曲线来描述，比如新安江模型提出了一个抛物型的蓄水容量曲线，其中有经验性的参数需要率定，模型结构理论化程度不高。寒区涵蓄水能力本质上与流域气候和土壤质地密切相关，但目前还未见结合融雪―冻土水、热耦合与土壤类型来共同确定土壤涵蓄水能力的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为克服现有技术的不足，而提供一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法，可通过建立地理地形数据、土壤类型信息及冻土冻融季节性活动与流域栅格土壤涵蓄水能力之间的关系，实现在时间、空间尺度上流域涵蓄水能力指标动态设定并与实际情况的吻合，从而得到流域涵蓄水能力测算模型，将有效地推动流域水文模型的科学发展。

本发明为解决上述技术问题，提出以下技术方案：

一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法，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。

进一步的，本发明的一种基于土壤冻融过程的流域涵蓄水能力测算方法，在步骤一中：

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。