[发明专利]一种片麻岩土石山区山坡尺度水文过程模拟方法

说明书

本发明涉及一种片麻岩土石山区山坡尺度水文过程模拟方法，包括：山坡计算单元划分；水文气象数据展布；植被截留计算；入渗及水分再分布过程计算；壤中流计算；地表汇流过程计算。本发明考虑了片麻岩土石山区广泛存在土石二元混合介质和大孔隙优先流，一方面引入碎石形状系数ε和碎石质量比系数R_v量化了土石二元混合介质对山坡水循环过程的影响；另一方面基于山坡计算单元划分，将计算单元分为大孔隙优先流区和基质区，进行两流区水循环过程计算。基于上述改进，提出了一种片麻岩土石山区山坡尺度水文过程模拟方法。本发明使片麻岩土质的山坡水文过程模拟更加精确，更接近实际。

技术领域

本发明涉及一种片麻岩土石山区山坡尺度水文过程模拟方法，是一种水文模拟方法，是一种针对片麻岩山区的水循环过程的模拟方法。

背景技术

分析片麻岩土石山区山坡水文过程内在关系，实现山坡水文过程模拟，是认识片麻岩土石山区山坡水资源评价、管理、水土保持等领域的基础。片麻岩土石山区山坡水文过程异于平原区，也异于石灰岩地区、花岗岩地区等坚硬基岩分布区域山坡水文过程。片麻岩土石山区山坡地区土层较薄、土壤存在分层且土壤内广泛分布着土石二元混合介质；土壤下部下覆巨厚片麻岩基岩，片麻岩基岩具有很强导水性和持水性（相较于花岗岩、石灰岩等坚硬岩石），导致片麻岩土石山区山坡在连续降雨或强降雨条件下，入渗、产流、蒸散发和土壤水分运动等过程异于平原地区，异于石灰岩等坚硬岩石分布区。当前，山坡水文模型均未考虑片麻岩土石山区水文特征对山坡水文过程影响，导致模型出现模拟失真、精度不高等问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种片麻岩土石山区山坡尺度水文过程模拟方法。考虑到土壤内存在大量优先流孔隙，将土壤层分为基质流区和优先流区，两区土壤入渗及水分再分布均采用改进的理查兹方程（Richards equation）计算，土壤壤中流采用改进后的动力波方程（Saint-Venant equation）计算，地表汇流采用动力波方程（Saint-Venant equation）计算。鉴于土壤内含有大量片麻岩分化碎石，基质流区计算中，引入碎石质量比系数R_v来描述碎石对土壤含水量的影响；引入碎石质量比系数R_v和形状系数ε来描述碎石对土壤导水系数的影响。

本发明的目的是这样实现的：一种片麻岩土石山区山坡尺度水文过程模拟方法，所述方法的计算过程如下：

山坡计算单元划分：采用等流时线法将山坡划分为若干基本计算单元；

计算单元垂直剖面划分：根据山坡植被、土壤和岩石特性，在基本计算单元内分为4层：植被冠层截留层、地表储留层、土壤层和基岩层；植被截留层又可细分为：高植被截留层和矮植被储留层、草地层和裸地；土壤层进一步分为均质土壤层、土石二元混合介质层；考虑到片麻岩基岩层内广泛分布着构造节理，且片麻岩本身具有一定持水性和透水性，进一步将基岩层分为基质流区和优先流区。

计算单元内状态变量包括：植被冠层截留量、洼地储留量、枯枝落叶储留量、土壤含水量；主要参数包括：植被最大截留深、洼地最大储留深、枯枝落叶干重、土壤导水系数、土壤水分特征曲线、土壤含水量、各层土壤厚度、土石二元混合介质碎石质量比系数、基岩层厚度、坡面糙率；

计算单元水文过程计算，包括水文气象数据展布、降雨期间产汇流过程计算、非降雨期间产汇流过程计算等。

水文气象数据展布，包括水文气象过程空间尺度展布和降雨时间降尺度展布：

采用泰森多边形法和反距离加权平均法进行流域内气象数据的空间展布，包括降雨、气温、风速、空气湿度、净辐射，计算公式如下：