[发明专利]一种基于CAESAR-Lisflood模型的流域泥沙溯源模拟方法

说明书

一种基于CAESAR‑Lisflood模型的流域泥沙溯源模拟方法，包括：S1，确定流域的滑坡失稳坡度角阈值；S2，建立流域滑坡失稳坡度角阈值空间分布文件；S3，建立二维物质源索引矩阵；S4，基于CAESAR‑Lisflood模型，建立代表地表活动地层系统的四维数组变量strata[xyindex；z；n，T]以及代表泥沙粒径组成的三维数组变量grain[xyindex；n，T]，其中，xyindex代表位置索引，z存储地层索引；n存储对应泥沙粒径范围索引，T代表追踪索引值，取值范围1‑m，m为大于1的自然数；以及S5，利用CAESAR‑Lisflood模型模拟并溯源不同物质源区物质运移过程。

技术领域

本发明涉及地表(地貌)数值模拟技术领域，特别是涉及一种基于CAESAR-Lisflood模型的流域泥沙溯源模拟方法。

背景技术

目前国内外运用各类数值模拟及物理模型对地球表层(地貌演变)系统的模拟研究较多，对流域物质运移及河道变化的模拟研究已经发展为新的研究热点。例如运用土壤侵蚀预报模型来研究水土流失，如通用土壤流失方程(USLE)和WEEP土壤侵蚀模型。随着地理信息系统(GIS)以及遥感技术的发展，更多研究尝试将数字高程模型(DEM)应用在土壤侵蚀类型与过程研究中，应用GIS系统建立流域降雨条件下土壤侵蚀的定量计算方法，用以模拟土壤侵蚀的空间分布格局及变化规律。

目前结合坡面失稳模块的地表(地貌)演变模型较少，且相关模型缺乏对流域不同区域或事件的产沙及其后续运移过程的追踪技术。例如，常见的地表(地貌)演变模型结果大都只能输出流域总的产沙量，无法单独对滑坡产沙及其后续运移过程进行追踪模拟，即无法将滑坡产沙和非滑坡产沙区分开来。另外，现有的地表(地貌)演变模型虽然能模拟不同情景下不同时空尺度流域演变情况，能对流域特定情景下总产沙量及地表高程变化进行预测，但对极端灾害情景(例如滑坡)下的物质产生及运移过程模拟还存在欠缺。

因此，需要新的技术方法，以至少部分解决现有技术中存在的问题。

发明内容

凯撒二维水动力地表景观演变模型(CAESAR-Lisflood)模型是基于GIS分布式的地表景观演变模型CAESAR以及二维水动力模型Lisflood而开发的。该模型具备一定的河流二维水动力学的物理基础，在特定降雨情景下可以对流域物质运移过程进行模拟，并生成流域物质侵蚀堆积空间分布格局。其核心算法使用元胞自动机，每一时刻的状态受相邻的单元的影响，体现了时间和空间上相邻区域相互影响的思想。该模型可以根据不同降雨情景，计算相应地表径流的流速和深度。其最突出的功能是能够借助二维水动力模型较好的描述河流动力学特征和泥沙的运输过程，进而估计河床侵蚀和河道变化。

模型的输入主要包括地形、降雨、土壤粒径分布、植被、土壤蠕移速率、边坡失稳临界值等参数。模型输出包括洪水淹没水深及范围、流域出口产沙量以及地形高程变化等。在模型中，研究流域被划分为一系列大小一致的网格单元，每一个网格单元都存储着该对应位置的高程、植被条件、粒径分布、流量、水深、流速等数值。在模型运行过程中，每个网格存储的数值根据周围相邻的网格单元通过一系列规则和算法实时迭代更新，进而对流域不同位置各地表要素进行演算。这些运算规则大致可以分为四个模块：(1)水文模块；(2)河流动力模块；(3)泥沙运移模块；(4)坡面模块。

研究发现，CAESAR-Lisflood模型虽然也包含坡面模块，能对流域坡面的失稳和物质蠕移进行一定程度的模拟。但模型过于简化坡面失稳过程，不能有效的体现滑坡触发模拟的空间异质性。且模型输出结果中，流域出口产沙量不能区分滑坡产沙和非滑坡产沙，因此模型不能实现对滑坡产沙及其运移进行追踪模拟，从而无法量化滑坡对流域总产沙量的贡献及定量影响。

本发明基于CAESAR-Lisflood二维地表景观演变模型，通过对模型坡面模块进行改进，并向模型添加地表泥沙(物质)运移追踪方法，能够实现滑坡触发模拟及其产生物质的运移过程追踪，并由此实现了本发明。