本發(fā)明涉及水利工程，尤其涉及非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)條件下分布式新安江模型蓄水容量計算方法。

背景技術：

1、分布式水文模型具有描述流域水文變量時空分布能力，廣泛應用于水文水資源模擬、生態(tài)環(huán)境的水文效應評估以及缺資料地區(qū)水文預測。一般的分布式水文模型主要有兩種，一種是基于微單元水文物理方程的數(shù)值解構建的分布式水文模型，如she模型、dhsvm模型，但是該類模型計算復雜，需要率定的參數(shù)多，僅根據(jù)流量等有限觀測資料確定的模型參數(shù)的不確定性大，而且逐網格計算率定參數(shù)時帶來的龐大的計算量也限制了這類分布式水文模型的使用。

2、分布式新安江模型是河海大學自主研發(fā)的概念性流域水文模型，由著名水文專家趙人俊教授團隊提出。該模型最初以實測雨量站為中心，采用泰森多邊形劃分計算單元，主要用于考慮降雨空間分布不均勻。隨著科學技術的不斷發(fā)展，尤其是3s技術的發(fā)展，現(xiàn)基本上多采用以自然流域分水嶺劃分計算單元，有效推動了基于新安江模型的分布式模擬，特別是通過科技手段對流域下墊面的地形、土壤、植被等信息進行獲取，大大提升了新安江模型的分布式模擬能力。

3、近些年來，根據(jù)流域下墊面容易獲取的地形、土壤、植被等信息，建立其與水文變量之間的函數(shù)關系，成為了分布式水文模型發(fā)展的新思路。如有些學者提出的分布式新安江模型，推導得到蓄水容量關于地形指數(shù)的解析解，從而得到了蓄水容量的空間分布，以賦予新安江模型分布式功能。有學者假設蓄水容量與地形指數(shù)呈現(xiàn)對數(shù)威布爾關系，其他一些學者假設非飽和帶土壤含水量為凋萎含水量，還有一些學者假設土壤垂向處于平衡狀態(tài)，均得到了蓄水容量關于地形指數(shù)的表達式，從而得到了蓄水容量的空間分布，得到了分布式的新安江模型。

4、上文提出的分布式新安江模型均對非飽和帶水動力特征進行了一定的簡化，如假設蓄水容量與地形指數(shù)為對數(shù)威布爾經驗關系、假設非飽和帶土壤含水量為凋萎含水量或者忽略蒸發(fā)對非飽和帶土壤水勢的影響(即土壤垂向處于平衡狀態(tài))，這些簡化一定程度上減弱了模型的物理機制，使得計算時存在一定的失真。有些學者在計算土壤缺水量時，考慮了蒸發(fā)的影響，推導得到了缺水量關于基質勢的解析解，但是這些學者假設土壤垂向處于穩(wěn)態(tài)情況，對蒸發(fā)通量的垂向分布仍然進行了一定的簡化，而實質上土壤垂向處于非穩(wěn)態(tài)情況，土壤垂向蒸發(fā)通量是變化的，上述方法的簡化會使得計算的土壤垂向剖面與實際情況存在一定的誤差。

5、如何尋找出一種兼顧物理機制、計算精度和計算效率的計算蓄水容量的方法，成為了分布式新安江模型發(fā)展的新思路。在分布式新安江模型計算蓄水容量的過程中，為了提高計算效率，必然會簡化模型，削弱物理機制，降低計算精度，為了增強物理機制，增加計算精度，必然使得模型的計算變得十分復雜，從而降低計算效率。如果采用簡化方法對非飽和帶水動力特征進行處理，計算效率會有所提高，但是這么處理必然會削弱物理機制，從而引起不必要的計算誤差，而如果采用一般數(shù)值差分方法計算土壤含水量，為了防止模擬數(shù)據(jù)發(fā)散，其時間步長必然取得很小，雖然物理機制和計算精度得到了保障，但是這么做會帶來龐大的計算量，從而限制了其的使用。為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)條件下分布式新安江模型蓄水容量計算方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提出一種兼顧物理機制、計算精度和計算效率的非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)條件下分布式新安江模型蓄水容量計算方法以解決現(xiàn)有技術為了保證計算效率簡化非飽和帶水動力特征而影響計算精度和物理機制的問題。本發(fā)明有效提高了分布式新安江模型模擬流域水文變量時空變化的精度。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案：

3、非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)條件下分布式新安江模型蓄水容量計算方法，包括如下步驟：

4、s1、假設蒸發(fā)通量與基質勢絕對值呈冪指數(shù)函數(shù)關系，具體函數(shù)表示為：

5、(1)

6、其中， e表示蒸發(fā)通量； m、 x表示冪指數(shù)函數(shù)參數(shù)；表示基質勢絕對值；

7、采用蒙特卡洛方法隨機生成若干個上述冪指數(shù)函數(shù)中的 m的值；

8、s2、根據(jù)潛水蒸發(fā)公式和s1中冪指數(shù)函數(shù)關系，計算得到 m對應的冪指數(shù)函數(shù)參數(shù) x；

9、s3、基于一維richards差分方程，推導得到地下水埋深和蒸發(fā)能力關于地表基質勢絕對值的解析解；其中，在已知實際地下水埋深和蒸發(fā)能力條件下，若干組參數(shù) m、 x對應的地下水埋深下的反算蒸發(fā)能力通過反算得到；

10、s4、選取反算蒸發(fā)能力與實際蒸發(fā)能力誤差最小的參數(shù)組作為最佳 m、 x參數(shù)，推導得到蓄水容量關于地表基質勢絕對值的解析解；

11、s5、根據(jù)地下水埋深與地形指數(shù)的關系、地形指數(shù)的空間分布、埋深和蓄水容量關于地表基質勢絕對值的解析解，得到考慮非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)的蓄水容量曲線，實現(xiàn)蓄水容量的精準計算；

12、s6、結合所得的考慮非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)的蓄水容量曲線進行分布式新安江模型的產匯流計算，進而得到流域水文變量的時空變化。

13、優(yōu)選地，s2中所述潛水蒸發(fā)公式具體指：

14、(2)

15、其中， eg為潛水蒸發(fā)， d為地下水埋深， dmax為蒸發(fā)極限埋深， nn為蒸發(fā)參數(shù)；

16、根據(jù)式(2)計算得到的基質勢絕對值為進氣勢時的蒸發(fā)通量為潛水蒸發(fā) eg，則：

17、(3)

18、其中，表示進氣勢；

19、將潛水蒸發(fā) eg及進氣勢代入式(3)中計算得到 m對應的冪指數(shù)函數(shù)參數(shù) x。

20、優(yōu)選地，s3中所述地下水埋深關于地表基質勢絕對值的解析解的推導過程如下：

21、基于一維richards差分方程，將式(1)改寫為：

22、(4)

23、其中， ks表示飽和水力傳導系數(shù)；表示進氣勢； p表示水力傳導系數(shù)與基質勢的關系系數(shù)；

24、定義，對公式(4)進行化簡得：

25、(5)

26、定義，將式(5)左側的函數(shù)化簡為等比數(shù)列的和，然后積分，得到當時，

27、,(6)

28、當時，

29、,(7)

30、如果，

31、(8)

32、(9)

33、如果，

34、(10)

35、聯(lián)立式(8)-(10)，計算得到地下水埋深對應的地表基質勢絕對值。

36、優(yōu)選地，s3中所述蒸發(fā)能力關于地表基質勢絕對值的解析解的反算推導過程如下：

37、根據(jù)實際蒸散發(fā)與土壤含水量的相關關系，得：

38、(11)

39、,

40、結合式(1)，反算蒸發(fā)能力：

41、(12)

42、式(11)-(12)中， e表示實際蒸散發(fā)； ep表示蒸發(fā)能力；表示土壤含水量；表示蒸發(fā)關系系數(shù)；分別表示凋萎含水量、田間持水量和飽和含水量；表示土壤含水量與基質勢的關系系數(shù)；

43、定義，代入式(11)得：

44、(13)

45、定義，當時，

46、,(14)

47、當時，

48、,(15)

49、如果，

50、(16)

51、如果，

52、(17)

53、(18)

54、聯(lián)立式(16)-(18)，計算得到反算蒸發(fā)能力關于地表基質勢絕對值的解析解。

55、優(yōu)選地，s4中所述蓄水容量關于地表基質勢絕對值的解析解的推導過程如下：

56、基于式(5)及定義，計算土壤含水量在田間持水量以上的含水量，具體公式為：

57、(19)

58、該埋深下的蓄水容量為田間持水量減去含水量：

59、(20)

60、上式中， whan表示田間持水量以上的含水量； wf表示蓄水容量；

61、當時，

62、,(21)

63、當時，

64、,(22)

65、如果，

66、(23)

67、如果，

68、

69、(24)

70、，

71、

72、(25)

73、

74、聯(lián)立式(23)-(25)，計算得到一定地下水埋深下的蓄水容量關于地表基質勢絕對值的解析解。

75、優(yōu)選地，所述s5具體包括如下內容：

76、選取反算的蒸發(fā)能力與實際的蒸發(fā)能力誤差值最小的 m， x參數(shù)組為最佳蒸發(fā)通量與基質勢絕對值的冪指數(shù)函數(shù)參數(shù)組，代入到蓄水容量關于地表基質勢絕對值的解析解中，再結合地下水埋深與地表基質勢的解析解、地下水埋深與地形指數(shù)的線性關系和地形指數(shù)的空間分布，得到蓄水容量的空間分布，從而得到蓄水容量曲線；

77、其中，地下水埋深與地形指數(shù)的線性關系的公式表示為：

78、

79、其中， tpi表示網格點的地形指數(shù)； sz表示模型參數(shù)。

80、優(yōu)選地，s6中所述分布式新安江模型的產匯流計算包括蒸散發(fā)計算、蓄滿產流、水源劃分計算以及匯流計算，具體內容如下：

81、s6.1、根據(jù)t時段降雨量、蒸發(fā)能力和t時段初的土壤蓄量，采用三層蒸發(fā)模型，計算得到流域的蒸發(fā)量，得到t時段的凈雨量；

82、s6.2、根據(jù)t時段的凈雨量、t時段初的土壤蓄量和分布式的蓄水容量曲線，得到t時段末的土壤蓄量和t時段的產流量，進而得到缺水量和產流量的空間分布；

83、s6.3、t時段的產流進入自由水蓄水庫，得到t時段的地表徑流量、壤中流量和地下徑流量；

84、s6.4、地表徑流采用單位線匯流，壤中流和地下徑流采用線性水庫匯流，三種徑流匯流進入河道后采用馬斯京根法匯流至流域出口斷面。

85、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供了非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)條件下分布式新安江模型蓄水容量計算方法，具備以下有益效果：

86、本發(fā)明在計算蓄水容量時，考慮了非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)的影響，通過應用一維垂向richards差分方程獲得了蓄水容量的解析解，計算結果更加精確；且相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明所提出的計算方法計算效率高，計算量小，由于沒有簡化非飽和帶垂向水動力學特征，本發(fā)明物理機制較強；同時本發(fā)明兼顧了計算精度、計算效率和物理機制，實現(xiàn)了三者的有機統(tǒng)一。當采用兼顧計算精度、計算效率和物理機制的蓄水容量曲線進行流域產匯流計算時，考慮非穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)情況下的分布式新安江模型計算的流域水文變量的時空變化更加精準，更加可靠。