[发明专利]一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法

摘要

本发明提供了一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法。本设计方法借助TOPMODEL的地形指数概念（TOP）和新安江模型的水量平衡思想（X），构建一个具有地形指数尺度转换机制高分辨率的全分布式水文模型TOPX。其步骤为：产流过程设计，建立混合式产流方案对产流进行计算；汇流过程设计，采用栅格水系滞时演算法进行汇流处理，通过考虑径流的沿程传输损失，获得流域出口的流量过程。TOPX模型在半湿润、半干旱的沂沭河流域对水文过程的描述合理、能反映水文过程内在机理的一些主要特征，实现流域的降雨-径流过程模拟和预测，从而为人类深入了解水循环的物理机理，减少旱涝灾害，合理开发和利用水资源提供科学的参考依据。

主权项

一种高分辨率的全分布式水文模型TOPX的设计方法，其步骤为：A)产流过程设计，建立混合式产流方案对产流进行计算：(1)建立一个混合式产流方案(基线径流方案)，产流公式如下：Rs＝satQwat R sb = R sb , max e - f z ▿ 式中，Rsb，max是计算格网平均土壤缺水深为0时的最大地下径流量，f是土壤衰减系数，Fsat计算公式如下 F sat = F max e - C s f z ▿ 式中，Fmax为计算格网的最大饱和面积百分比，即流域计算格网上地形指数大于或等于均值的象素占整个流域总象素的百分比，通过地形指数的空间累积分布曲线CDF和地形指数均值来推求，而CDF曲线由IMFD地形指数计算方法得到的，地形指数均值是通过基于IMFD算法的地形指数尺度转换公式获取的，Cs为一系数，通过地形指数均值λm来获得，即Cs＝0.04λm+0.21；B)汇流过程设计，采用栅格水系滞时演算法进行汇流处理，通过考虑径流的沿程传输损失，获得流域出口的流量过程：(1)利用栅格水系滞时演算法计算汇流利用栅格水系滞时演算法计算汇流，在于栅格水系滞时演算法中栅格的汇流时间的计算，利用水流路径长度和水流路径的平均坡度的函数来计算；1)栅格水流路径长度计算：a.从流域出口栅格向上游按广度优先算法遍历所有对出口有流量贡献的栅格，压入队列；b.按队列的先后顺序计算栅格的水流路径长度；首先根据栅格DEM高程差，采用常用的D8算法确定出栅格的水流流向，接着按照栅格水流流向，计算本栅格的水流流经长度；然后按照队列的先后顺序，后面的栅格(上游栅格)的水流路径长度为栅格本身的水流流经长度与下游栅格水流路径长度之和；c.遍历完队列中的所有栅格，完成流域的栅格水流路径长度计算；2)水流路径的平均坡度计算：栅格水流路径平均坡度通过栅格水流路径首尾栅格高程差除以栅格水流路径长度，得到本栅格的水流路径平均坡度；3)栅格汇流时间计算：已知栅格的水流路径长度和水流路径平均坡度后，栅格汇流时间按下式计算得出： RT i , j = L i , j V i , j = L i , j K v × S i , j 式中：i和j为栅格的行列号，RT为栅格平均汇流时间(hr)；L为栅格水流路径长度(m)；V为栅格水流平均流速；S为栅格水流路径平均坡度；利用V＝S0.5＊Kv公式来计算V；Kv为速度参数，运算时需要通过率定得到；根据降雨径流数据率定出流域地表径流、壤中径流和地下径流的速度参数，根据率定得到的速度参数，分别计算出流域模拟中的地表径流、壤中径流和地下径流的栅格汇流时间；(2)汇流传输损失计算在水源沿汇流路径到达(子)流域出口的途中会产生沿程的下渗和蒸散发传损失按以下公式计算： Q out = Q i , j K · RT i , j n 式中：Qout为(子)流域出口处的汇流流量(m3·s‑1)；Qi，j为分水源后的栅格径流流量(m3)；K为汇流传输损失系数，通过率定得到；n为汇流时间的指数，指数越大，沿程损失越厉害；通常取n＝1，表示汇流流量与汇流时间成倒数关系。