[发明专利]一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法

权利要求书

1.一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取灌区DEM数据和排水系统信息，确定区域汇水路径，划分汇水单元；

获取灌区DEM数据信息，基于此数据提取河流水系，并参考实际水系分布进行修正，确定每条河段的汇水范围；

在划分的每条河段的汇水范围基础上，基于灌区排水沟道分布信息，建立其特征数据库，并划分每条排水沟段对应的汇水范围，确定新的汇水范围，新的汇水范围为灌区汇水单元；

所述排水沟道分布信息包括总干沟、干沟、支沟、斗沟、农沟的分级信息以及相应的长度、坡度、深度、糙率系数、下游沟段编号；

(2)获取灌区供水系统分布信息，确定区域供水耗散结构，划分耗散单元，具体为：

在划分的汇水单元基础上，基于灌区的多级引水渠系空间分布信息，划分每条引水渠段对应的供水范围，直至确定最末级渠系对应的灌溉田块，并建立每条引水渠耗散供水范围；

所述多级引水渠系空间分布信息包括总干渠、干渠、支渠、斗渠、农渠的分级信息以及相应的长度、坡度、深度、糙率系数；

在划分的供水单元基础上，基于灌区的地下水开采井的经纬度信息，提取地下水的耗散单元信息，建立地下水开采井特征数据库；

所述地下水特征数据库包括开采井编号、经度、纬度、井深、水源类型、成井日期、水泵功率、井口标高、水位标高、埋深；

(3)划分灌区空间计算单元，建立空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系；

利用地理信息处理软件，结合模拟精度要求将研究区域划分为网格单元，并对网格单元的行、列编号，标识区域内有效单元；

根据地理坐标值，将网格单元与确定的耗散计算单元和汇流计算单元信息进行空间叠加，构建单元拓扑关系；

所述耗散计算单元信息包括所在地市与区县行政区、所在灌区与灌域、对应引水渠段与抽水井信息；

所述汇流计算单元信息包括所在流域与子流域单元、河段、排水沟段、水库、取水口与排水口信息；(4)获取空间计算单元对应的气象信息、土地利用信息、土壤分布信息、水文地质参数信息，结合空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系，构建灌区分布式水循环模型。

2.根据权利要求1所述的基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，步骤(3)中将灌区划分为多个大小相同的单元格，该单元格为空间计算单元。

3.根据权利要求1所述的基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，步骤(4)中获取空间计算单元对应的气象信息的方法为：测量空间计算单元内气象站经纬度信息，按照泰森多边形法则确定每个单元对应的气象站，然后测量对应气象站的气象信息。

4.根据权利要求1所述的基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，其特征在于，构建的灌区水循环模型模拟的过程包括：蒸散发模拟、土壤水模拟、地下水模拟和灌区引-灌-排模拟；

其中，灌区引-灌-排模拟包括对灌区引水过程、田间灌溉过程和灌区排水过程进行模拟；

引水过程模拟包括地表渠系引水过程模拟和地下水开采过程模拟；

地表渠系引水过程模拟是根据灌区系分布确定各级渠系及其引水节点，自干渠引水口向分干渠、支渠、斗渠、农渠逐级向下分配，直至各个引水灌溉单元；渠系引水过程计算按照水量平衡法逐级渠段进行计算，对任意一级渠段，其水量平衡项包括从上一级渠段引入水量、向下一级渠系流出水量、蒸发损耗量、渗漏损耗量；

地下水开采过程模拟是先确定开采井点与灌溉单元的对应关系，根据数据资料情况进行计算，资料详细的情况根据实际开采井地理位置、抽水特征参数及开采量监测信息计算，资料粗略的情况将所有抽水井点或井群，结合水文地质条件概化集中到有限的几口开采井点上，并保持地下水开采总量一致；然后根据模拟计算单元的空间和时间尺度要求，采用克里金插值方法，确定每个计算单元在计算时段内的地下水开采量信息；

田间灌溉过程模拟是根据作物类型及当前所处的繁育阶段、轮作情况、灌溉轮次及日数、灌溉制度或计算需水量计算每一种作物在模拟时段的灌溉需水量，然后根据不同水源类型供水范围及可供水量等因素判定当日可供灌溉水量，在模拟过程中通过构建“虚拟水库”对水量进行调配和优化；

所述“虚拟水库”作为可灌水量的上限，结合灌溉保证率，利用水量调配系数控制每日的可灌水量；

灌区排水过程模拟通过地下水位和排水沟水位关系对灌区地表水和地下水的动态转换过程进行模拟；

排水沟水量平衡计算公式：

Q_P+1＝Q_P+P+Q_ZP+Q_PH+Q_P+Q_TP-E_W

式中：Q_P+1为进入本计算时段末的干沟水量；Q_P为本时段初进入该沟段的干沟水量；Q_ZP为本时段支沟汇入水量；P为本时段排水干沟上降水量；E_W为本时段水面蒸发量；Q_PH为本时段地下水排水量；Q_P为引水渠道直接退入水量；Q_TP为本时段田间地表水排水量；

地下水排水量的计算如下：

Q_PH＝T(H_g-D+d)

式中：Q_PH为本时段地下水排水量；H_g为计算单元内的地下水埋深；D为计算单元内排水沟的底部深度；d为径流深度；T为计算单元内地下水向排水沟的排水系数。