一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，所述方法首先提取流域物理特性，獲得流域地形指數(shù)、土壤類型以及植被覆蓋的空間分布；進(jìn)而確定流域包氣帶厚度和流域腐殖質(zhì)土層厚度空間分布；最后得到流域張力水容量、自由水容量空間分布。本發(fā)明方法以流域物理特性為基礎(chǔ)，考慮張力水與自由水容量在空間上的變異性，從參數(shù)物理意義的角度獲取張力水與自由水容量的空間分布，通過數(shù)字流域技術(shù)以簡化提取步驟，同時，保證結(jié)果的客觀合理性，有利于分布式水文模型的直接調(diào)用。
【專利說明】一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水文【技術(shù)領(lǐng)域】，具體指的是一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著遙感、地理信息、數(shù)字流域等技術(shù)的發(fā)展，基于柵格數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)的分布式水文模型以其充分考慮降雨和下墊面條件空間變化的特點(diǎn)，現(xiàn)已成為流域水文模型的發(fā)展趨勢。在分布式水文模型建模時，其主要難點(diǎn)在于如何獲取模型參數(shù)的空間分布。為了進(jìn)一步促進(jìn)流域水文模型的發(fā)展，需要更深入的研究參數(shù)空間分布的獲取方法。
[0003]張力水容量與自由水容量是國內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)流計算與水源劃分中兩個最關(guān)鍵的參數(shù)。在以DEM柵格為計算單元，采用分布式水文模型的建模方式進(jìn)行流域產(chǎn)流與分水源計算時，張力水與自由水容量空間分布的合理與否對計算結(jié)果有著重要影響。然而，目前兩個參數(shù)的確定方法大多具有主觀性和經(jīng)驗性，不能從參數(shù)物理意義的角度通過流域物理特性客觀地確定參數(shù)，實際應(yīng)用中還處于感性居多、理性居少的狀態(tài)。此外，現(xiàn)行方法基本都是以集總的方式確定參數(shù)，即假定參數(shù)在空間上是均勻的，而不考慮張力水與自由水容量的空間變異性，不能獲取其合理的空間分布，從而限制了這兩個參數(shù)在分布式建模中的應(yīng)用，不利于國內(nèi)分布式水文模型的發(fā)展。
[0004]針對以上不足，如何考慮張力水與自由水容量在空間上的變異性，獲取其客觀合理的空間分布，正是發(fā)明人需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法。所述方法。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0007]—種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，具體步驟如下:
[0008]步驟A，提取流域物理特性:根據(jù)柵格數(shù)字高程模型，通過數(shù)字流域技術(shù)提取流域地形指數(shù)的空間分布；同時，利用下墊面遙感資料提取流域土壤類型以及植被覆蓋的空間分布；
[0009]步驟B，獲取流域包氣帶厚度空間分布:確定任意柵格單元包氣帶厚度與地形指數(shù)的定量關(guān)系，根據(jù)流域地形指數(shù)與土壤類型的空間分布，獲取包氣帶厚度的空間分布；
[0010]步驟C，獲取流域腐殖質(zhì)土層厚度空間分布:確定任意柵格單元腐殖質(zhì)土層厚度與包氣帶厚度的定量關(guān)系，根據(jù)包氣帶厚度與植被覆蓋的空間分布，獲取腐殖質(zhì)土層厚度的空間分布；
[0011]步驟D，獲取流域張力水容量空間分布:確定任意柵格單元張力水容量和包氣帶厚度、田間持水量、凋萎含水量之間的定量關(guān)系，根據(jù)包氣帶厚度與土壤類型的空間分布，獲取張力水容量的空間分布；
[0012]步驟E，獲取流域自由水容量空間分布:確定任意柵格單元自由水容量和腐殖質(zhì)土層厚度、飽和含水量、田間持水量之間的定量關(guān)系，根據(jù)腐殖質(zhì)土層厚度與土壤類型的空間分布，獲取自由水容量的空間分布。
[0013]步驟A中，所述流域物理特性包括地形指數(shù)、土壤類型以及植被覆蓋。
[0014]步驟B中，所述包氣帶是指地面以下、地下水水面以上，土壤含水量未達(dá)到飽和的土層。
[0015]步驟C中，所述腐殖質(zhì)土層是指土壤的表土層，腐殖質(zhì)土層厚度與植被覆蓋類型有關(guān)，通過包氣帶厚度確定。
[0016]步驟D中，所述張力水容量是指土壤包氣帶層介于田間持水量與凋萎含水量之間的蓄水容量。
[0017]步驟E中，所述自由水容量是指土壤腐殖質(zhì)土層介于飽和含水量與田間持水量之間的蓄水容量。
[0018]步驟B中，所述獲取流域包氣帶厚度空間分布，其具體步驟如下:
[0019]步驟B-1，確定任意柵格單元包氣帶厚度與地形指數(shù)的定量關(guān)系，即:
[0020]La=IaXTI+Ib
[0021]式中，LaS包氣帶厚度；TI為地形指數(shù)；〖3與Ib為該關(guān)系式中的兩個系數(shù)；
[0022]步驟B-2，確定系數(shù)Ia與Ib的取值:根據(jù)以下方程組，確定13與取值，即:
[0023]C XTImin +4 = W一 jh — β''ρ.τ。)
[0024]ξ“ XTIlrm +‘: Wmmin/(efcMm — h )
[0025]式中，TImin與TImax分別為流域內(nèi)地形指數(shù)的最小值與最大值;WMn與Wstaax分別為流域內(nèi)張力水容量的最小值與最大值；h與分別為流域內(nèi)地形指數(shù)最小值與最大
值所在柵格單元對應(yīng)的田間持水量；h與θ、'π分別為流域內(nèi)地形指數(shù)最小值與最大值
所在柵格單元對應(yīng)的凋萎含水量；
[0026]求解此方程組，確定系數(shù)ξ a與ξ b的取值；
[0027]步驟B-3，將13與Ib的取值代入定量關(guān)系SLa=IaXTRl1^，根據(jù)已提取的地形指數(shù)TI空間分布，計算出任意柵格單元的包氣帶厚度值。
[0028]步驟C中，所述任意柵格單元腐殖質(zhì)土層厚度與包氣帶厚度的定量關(guān)系，其定量關(guān)系如下:
[0029]
L!, = &..L?
[0030]式中，Lh為腐殖質(zhì)土層厚度&力腐殖質(zhì)土層厚度折算系數(shù)，La為包氣帶厚度。
[0031]步驟D中，所述任意柵格單元張力水容量和包氣帶厚度、田間持水量、凋萎含水量之間的定量關(guān)系，其表達(dá)式如下:
[0032]ffM=(0XLa
[0033]式中，Wm為張力水容量，Θ f。與Θ wp分別為田間持水量與凋萎含水量，La為包氣帶厚度。
[0034]步驟E中，所述任意柵格單元自由水容量和腐殖質(zhì)土層厚度、飽和含水量、田間持水量之間的定量關(guān)系，其表達(dá)式如下:
[0035]SM=(9s-0fc)XLh
[0036]式中，Sm為自由水容量；Θ s為飽和含水量，Θ f。為田間持水量，Lh為腐殖質(zhì)土層厚度。
[0037]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提出了一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，所述方法首先提取流域物理特性，獲得流域地形指數(shù)、土壤類型以及植被覆蓋的空間分布；進(jìn)而確定流域包氣帶厚度和流域腐殖質(zhì)土層厚度空間分布；最后得到流域張力水容量、自由水容量空間分布。本發(fā)明方法以流域物理特性為基礎(chǔ)，考慮張力水與自由水容量在空間上的變異性，從參數(shù)物理意義的角度獲取張力水與自由水容量的空間分布，通過數(shù)字流域技術(shù)以簡化提取步驟，同時，保證結(jié)果的客觀合理性，有利于分布式水文模型的直接調(diào)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1是本發(fā)明方法流程圖。
[0039]圖2是流域物理特性的提取流程圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明提出的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法進(jìn)行詳細(xì)說明:
[0041]如圖1所示，一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，包含步驟如下:
[0042]第一步，流域物理特性的提取:在獲取流域張力水與自由水容量空間分布時需要利用的流域物理特性包括地形指數(shù)、土壤類型以及植被覆蓋；本發(fā)明根據(jù)柵格數(shù)字高程模型(DEM)，通過數(shù)字流域技術(shù)提取流域地形指數(shù)的空間分布；同時利用下墊面遙感資料提取流域土壤類型以及植被覆蓋的空間分布；
[0043]第二步，流域包氣帶厚度空間分布的獲取:包氣帶是指地面以下、地下水水面以上，土壤含水量未達(dá)到飽和的土層；在流域地下水埋深較淺的區(qū)域，土壤缺水量較小，對應(yīng)的包氣帶厚度也相對較小，相反，在流域地下水埋深較深的區(qū)域，土壤缺水量較大，對應(yīng)的包氣帶厚度也相對較大；由此可知，可以通過土壤缺水量的空間分布確定包氣帶厚度的空間分布；考慮到地形指數(shù)能夠反映流域內(nèi)土壤缺水量的分布情況，因此，本發(fā)明首先確定了任意柵格單元包氣帶厚度與地形指數(shù)的定量關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)已提取完成的流域地形指數(shù)與土壤類型的空間分布，利用該關(guān)系式獲取包氣帶厚度的空間分布；
[0044]第三步，流域腐殖質(zhì)土層厚度空間分布的獲取:腐殖質(zhì)土層是指土壤的表土層，其厚度與植被覆蓋類型有關(guān)，可以通過包氣帶厚度折算后確定；因此，本發(fā)明首先確定了任意柵格單元腐殖質(zhì)土層厚度與包氣帶厚度的定量關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)已提取完成的包氣帶厚度與植被覆蓋的空間分布，利用該關(guān)系式獲取腐殖質(zhì)土層厚度的空間分布；
[0045]第四步，流域張力水容量空間分布的獲取:張力水容量是指土壤包氣帶層介于田間持水量與凋萎含水量之間的蓄水容量；由其物理意義可知，張力水容量不僅與包氣帶厚度有關(guān)，還與田間持水量、凋萎含水量這兩個土壤水分常數(shù)有關(guān)；因此，本發(fā)明首先確定了任意柵格單元張力水容量和包氣帶厚度、田間持水量、凋萎含水量之間的定量關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)已得到的包氣帶厚度與土壤類型的空間分布，利用該關(guān)系式獲取張力水容量的空間分布；
[0046]第五步，流域自由水容量空間分布的獲取:自由水容量是指土壤腐殖質(zhì)土層介于飽和含水量與田間持水量之間的蓄水容量；由其物理意義可知，自由水容量不僅與腐殖質(zhì)土層厚度有關(guān)，還與飽和含水量、田間持水量這兩個土壤水分常數(shù)有關(guān)；因此，本發(fā)明首先確定了任意柵格單元自由水容量和腐殖質(zhì)土層厚度、飽和含水量、田間持水量之間的定量關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)已得到的腐殖質(zhì)土層厚度與土壤類型的空間分布，利用該關(guān)系式獲取自由水容量的空間分布。
[0047]根據(jù)上述步驟，列舉本發(fā)明具體實施例，以皖南山區(qū)屯溪流域為例，闡述本發(fā)明的實施方式。
[0048]如圖2所示，實施例屯溪流域DEM與下墊面遙感資料空間分辨率統(tǒng)一采用1.0km,基于數(shù)字流域技術(shù)，利用Visual Basic6.0與ArcGISl0.0實驗平臺提取流域的地形指數(shù)、土壤類型以及植被覆蓋空間分布。
[0049]以流域物理特性提取的結(jié)果為基礎(chǔ)，首先，獲取屯溪流域包氣帶厚度的空間分布，具體步驟如下:
[0050]1)確定任意柵格單元包氣帶厚度與地形指數(shù)的定量關(guān)系，即:
[0051]
【權(quán)利要求】
1.一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，具體步驟如下: 步驟A，提取流域物理特性:根據(jù)柵格數(shù)字高程模型，通過數(shù)字流域技術(shù)提取流域地形指數(shù)的空間分布，利用下墊面遙感資料提取流域土壤類型以及植被覆蓋的空間分布； 步驟B，獲取流域包氣帶厚度空間分布:確定任意柵格單元包氣帶厚度與地形指數(shù)的定量關(guān)系，根據(jù)流域地形指數(shù)與土壤類型的空間分布，獲取包氣帶厚度的空間分布； 步驟C，獲取流域腐殖質(zhì)土層厚度空間分布:確定任意柵格單元腐殖質(zhì)土層厚度與包氣帶厚度的定量關(guān)系，根據(jù)包氣帶厚度與植被覆蓋的空間分布，獲取腐殖質(zhì)土層厚度的空間分布； 步驟D，獲取流域張力水容量空間分布:確定任意柵格單元張力水容量和包氣帶厚度、田間持水量、凋萎含水量之間的定量關(guān)系，根據(jù)包氣帶厚度與土壤類型的空間分布，獲取張力水容量的空間分布； 步驟E，流域自由水容量空間分布的獲取:確定任意柵格單元自由水容量和腐殖質(zhì)土層厚度、飽和含水量、田間持水量之間的定量關(guān)系，根據(jù)腐殖質(zhì)土層厚度與土壤類型的空間分布，獲取自由水容量的空間分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟A中，所述流域物理特性包括地形指數(shù)、土壤類型以及植被覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟B中，所述包 氣帶是指地面以下、地下水水面以上，土壤含水量未達(dá)到飽和的土層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟C中，所述腐殖質(zhì)土層是指土壤的表土層，腐殖質(zhì)土層厚度與植被覆蓋類型有關(guān)，通過包氣帶厚度確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟D中，所述張力水容量是指土壤包氣帶層介于田間持水量與凋萎含水量之間的蓄水容量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟E中，所述自由水容量是指土壤腐殖質(zhì)土層介于飽和含水量與田間持水量之間的蓄水容量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟B中，所述獲取流域包氣帶厚度空間分布，其具體步驟如下: 步驟B-1，確定任意柵格單元包氣帶厚度與地形指數(shù)的定量關(guān)系，即: La=^ aXTI+lb 式中，La為包氣帶厚度；TI為地形指數(shù)；ξ a與ξ b為該關(guān)系式中的兩個系數(shù)； 步驟B-2，確定系數(shù)13與Ib的取值:根據(jù)以下方程組，確定13與Ib的取值，即: ξ,χτι^+ξ^ψ^^θ^-θ^) 式中，TImin與TImax分別為流域內(nèi)地形指數(shù)的最小值與最大值;WMn與Wstaax分別為流域內(nèi)張力水容量的最小值與最大值；與eH分別為流域內(nèi)地形指數(shù)最小值與最大值所在柵格單元對應(yīng)的田間持水量；U I.分別為流域內(nèi)地形指數(shù)最小值與最大值所在柵格單元對應(yīng)的凋萎含水量； 求解此方程組，確定系數(shù)ξΑ 取值； 步驟B-3，將13與Ib的取值代入定量關(guān)系SLa= ξ^ΤΙ+ξ,φ，根據(jù)已提取的地形指數(shù)TI空間分布，計算出任意柵格單元的包氣帶厚度值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟C中，所述任意柵格單元腐殖質(zhì)土層厚度與包氣帶厚度的定量關(guān)系，其定量關(guān)系如下: 式中，Lh為腐殖質(zhì)土層厚度，凡為腐殖質(zhì)土層厚度折算系數(shù)，La為包氣帶厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟D中，所述任意柵格單元張力水容量和包氣帶厚度、田間持水量、凋萎含水量之間的定量關(guān)系，其表達(dá)式如下:
W?=(0fc-0wp)XLa式中，Wm為張力水容量，Qf。與Qwp分別為田間持水量與凋萎含水量，LaS包氣帶厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獲取流域張力水與自由水容量空間分布的方法，其特征在于，步驟E中，所述任意柵格單元自由水容量和腐殖質(zhì)土層厚度、飽和含水量、田間持水量之間的定量關(guān)系，其表達(dá)式如下: S1=(Qs-Qfc)XLh式中，Sm為自由水容量；Θ s為飽和含水量，Θ f。為田間持水量，Lh為腐殖質(zhì)土層厚度。
【文檔編號】G06F19/00GK103678898SQ201310652001
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】姚成, 李致家, 余鐘波 申請人:河海大學(xué)