[发明专利]一种陆面水文耦合模型

权利要求书

1.一种陆面水文耦合模型，其特征在于，包括：粗网格陆面模式和细网格分布式水文模型两部分；粗网格陆面模式和细网格分布式水文模型两部分采用基于土壤含水量的尺度转换方法进行模式耦合。

2.根据权利要求1所述的一种陆面水文耦合模型，其特征在于：所述粗网格陆面模式包括陆面植被模块、土壤模块以及积雪模块；

所述植被模块的植被层分为树木和草两层，用于计算植被层和土壤/积雪表面之间的水分、热量和动量通量，地表处的热量和水分通量是土壤模块、积雪模块和水文模型的输入；

所述土壤模块计算每层的土壤温度、液态土壤水含量和土壤含冰量，用于描述土壤不同层次水、热的日内循环和季节循环，并计算每个网格点的产流量和下渗量；

所述积雪模块用于模拟降雪后陆面的积雪和融雪过程，以及积雪表面的热通量过程，融雪量将作为经过植被截留后降雨的校正项，计算每个网格点的积雪厚度和积雪覆盖系数；

所述粗网格陆面模式计算地表能量平衡，将得到的产流、蒸散发和深层入渗量，通过降尺度方法解集到水文细网格。

3.根据权利要求2所述的一种陆面水文耦合模型，其特征在于：所述土壤模块的土壤层分为6层，从上到下每层的厚度为0.05m、0.10m、0.20m、0.40m、1.0m和2.5m，总厚度为4.25m。

4.根据权利要求1所述的一种陆面水文耦合模型，其特征在于：所述细网格分布式水文模型包括：地表水模块、土壤水模块、地下水模块和河流/湖泊-地下水相互作用模块；

所述地表水模块，通过二维扩散博方程计算地表水平均厚度变化；

所述土壤水模块，通过线性扩散计算土壤层间热量交换；

所述地下水模块，通过平衡水分扩散和重力排水计算含水层水量；

所述河流/湖泊-地下水相互作用模块，通过达西定律计算河流、湖泊与地下水之间的通量。

5.根据权利要求4所述的一种陆面水文耦合模型，其特征在于：

所述地表水模块的计算地表水平均厚度的方法是：

式中，V_l是地表水平均厚度；h_l是网格内的水面高程；t是时间；A是网格边界处河流或湖泊的断面面积；m是常量；r是已知的河床糙率；D是河流或湖泊深度；R是地表产流；P是降水量；E是蒸发量；f_w是地表水面积系数，取0表示河道干涸，取f_b表示河道有水流，取1表示湖泊；C_u、C_g和C_l分别是河道－非饱和带水分通量、河道－饱和带水分通量和湖泊-地下水分通量；

所述土壤水模块中每个土壤层包括三个诊断变量：温度T、土壤液态水含量w_l和土壤含冰量w_i；

土壤层间热量交换按线性扩散计算，计算公式如下：

式中，P是土壤孔隙度；K₀是饱和水力传导度；Φ₀是饱和土壤基质势；B是Clapp-Hornberger指数；ρc是土壤、液态水和冰的一个权重平均；是因水分传输引起的热通量；κ_g是热传导率，由土壤、液态水和冰的热传导率经几何平均得到；

每层土壤上下界面处土壤含水量根据上下层土壤含水量线性插值得到；

所述地下水模块，含水层单位面积垂直土柱的总水量V_g由下式计算：

其中，e是地表高程；b是含水层底部高程；h是水头，K是饱和水力传导度；

整个方程利用时间隐式交互方向迭代方法求解，离散计算单元大小即为矩形网格边长L；f_b是河床面积系数，根据河面宽w_d参数化得到；I是陆面模型土壤模块计算得到的土壤底层上边界的向下水分通量；

所述河流/湖泊-地下水相互作用模块，给定网格单元的河流、湖泊与地下水之间的通量C_u、C_g和C_l由下式计算：

C_i＝K_d[h-(B+d)]

式中，C_i是通过弱透水层从河道或湖泊到地下水层的渗透量，其中下标u、g、l分别表示河流-包气带水分通量、河流-地下水分通量和湖泊-地下水通量；K_d是河床底部弱透水层的导水系数，h是地下水水头，B是河床底部高程，d是河道内水深，地下水头h和河道水深d分别是地下水模块和地表水模块的预报量。