一种基于路径—栅格双域耦合与局部自适应约束的坡面产汇流方法

本发明涉及水文模拟及流域洪水预报，更具体地说，本发明涉及一种基于路径—栅格双域耦合与局部自适应约束的坡面产汇流方法。

背景技术：

1、降雨形成的流域径流通常由地表径流、壤中流和地下水基流共同组成。地表径流主要沿坡面快速汇流，是形成洪峰及控制洪峰出现时间的重要组成部分；壤中流主要在浅层土壤或风化层中沿坡向侧向运动，对洪水上涨过程、退水过程及中小洪水模拟具有重要作用；深层渗漏形成地下水补给，并最终以基流形式进入河道。由于不同径流组分的形成条件、传播介质及运动速度存在明显差异，因此需要采用能够描述不同径流组分形成与汇流过程的产汇流方法。

2、现有流域汇流模拟方法主要可分为两大类。一类是总汇流时间法、等流时线法及单位线法，该类方法计算效率较高，但通常以总汇流时间作为径流传播的主要描述方式，对径流沿传播路径的状态变化考虑相对简化，不便于进一步描述沿程下渗、路径中间状态更新以及不同路径在共享空间单元中的相互影响。另一类方法采用逐栅格分布式模型或二维水动力模型，该类方法能够较为完整地描述坡面水动力过程，但计算状态较多，对计算时间步及计算资源要求较高，当研究目标主要关注坡面径流传播过程、沿程下渗及入河时序时，采用全流域逐栅格水动力求解可能增加不必要的计算负担。

3、此外，局部时间步长技术已有研究应用于水动力学模拟中，但尚未见将其应用于坡面产汇流过程中下渗量计算精度控制的技术方案。

4、因此，现有产汇流方法在计算效率与沿程过程描述之间仍存在一定平衡问题，有必要提出一种兼顾计算效率与过程描述能力的坡面产汇流计算方法。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于路径—栅格双域耦合与局部自适应约束的坡面产汇流方法，包括：

2、s1、获取流域基础数据并离散为计算单元，通过产流计算获得地表径流量、壤中流补给量和地下水补给量；

3、s2、分别建立地表径流量和壤中流补给量至河道的有序汇流路径，并为在途水量单元记录路径编号、路径进度及剩余水量；

4、s3、根据当前计算时段内水流沿汇流路径的起止位置，确定水流实际经过的路径区段，识别路径区段对应的栅格单元，并计算水流在各栅格单元中的实际传播时间；

5、s4、根据实际传播时间计算各路径对应的理论下渗量；依据路径当前可供下渗水量确定路径水量约束系数，修正各路径的理论下渗量，使各路径经修正后的下渗量不超过其当前可供下渗水量；依据栅格当前时段的最大下渗能力确定栅格容量约束系数，对同一栅格内各路径经路径水量约束修正后的下渗量进行统一修正，使各路径实际下渗总量不超过该栅格当前时段的最大下渗能力，从而确定各路径的实际下渗量；

6、s5、当多条路径对应的理论下渗量超过栅格可接纳的下渗能力，或局部计算误差超过预设阈值时，仅对受影响路径区段采用更小的时间步重新计算该区段的水流传播过程、栅格下渗损失及路径剩余水量，逐段更新栅格剩余下渗容量，在达到预设的最小细分时间间隔或最大细化迭代次数时终止细化，若终止时误差仍超过预设阈值，则保留当前最小步长计算结果并标记本时段局部误差；

7、s6、根据实际下渗量更新在途水量、路径进度及栅格土壤含水状态，将地下水补给量汇集至地下水线性水库计算基流，并将地表径流、壤中流及基流共同作为河道汇流模块的输入。

8、优选地，步骤s1中，产流计算采用超渗产流机制、蓄满产流机制、超渗与蓄满组合机制中的一种，或者接收外部水文模型输出的产流结果；

9、进入土壤的水量划分为土壤储水增量、壤中流补给量和深层渗漏量，深层渗漏量作为地下水补给量。

10、优选地，步骤s2中，地表径流路径依据数字高程模型流向、坡度和河道位置建立；

11、壤中流路径依据浅层导水层界面、坡向和壤中流导流方向建立，或采用与地表径流路径拓扑相同且独立设置传播参数的壤中流等效路径建立。

12、优选地，步骤s2中，路径进度采用累计传播距离、累计传播时间、当前路径段编号及段内位置、剩余传播距离或剩余传播时间中的一种或多种形式表示。

13、优选地，步骤s3中，水流实际经过的路径区段记录包括在途水量单元在当前计算时段内实际经过的栅格单元，以及在各栅格单元中的实际传播时间、传播长度及有效接触面积。

14、优选地，步骤s4中，栅格针对地表径流的最大下渗能力由土壤剩余蓄水空间、当前入渗能力、计算时段长度及栅格面积共同确定；

15、栅格针对壤中流的最大下渗能力由浅层土壤储水空间及土层深层渗漏能力共同确定。

16、优选地，步骤s5中，多条路径对应的理论下渗量是否超过栅格可接纳的下渗能力，根据同一栅格内多条路径理论下渗总量与该栅格最大下渗能力的比值确定；

17、局部计算误差根据当前时间步计算结果与时间步细化计算结果之间的差异确定；

18、局部自适应仅对存在水量竞争或误差超限的局部区域开展，局部区域包括竞争栅格及其影响范围内的相关汇流路径或连通区域。

19、优选地，步骤s6中，地下水线性水库以子流域为基本计算单元，将子流域内各栅格的深层渗漏量汇总为地下水补给量，采用地下水出流量与地下水蓄量成比例的线性水库关系计算基流；

20、河道汇流模块采用马斯京根法、线性库容法、运动波法、扩散波法或圣维南方程进行洪水传播计算。

21、本发明的技术效果和优点：

22、1、本发明将水流传播状态保存在路径域中，将土壤蓄水能力和入渗能力等空间属性保存在栅格域中，仅在水流实际经过对应栅格时建立路径与栅格的动态耦合关系，避免逐栅格逐时段更新整个流域状态造成的大量无效计算，从而在保证汇流过程描述能力的同时提高了计算效率；

23、2、本发明通过建立路径水量约束和共享栅格容量约束两级协调机制，使各路径实际下渗量不超过自身携带的在途水量，各栅格实际接纳下渗总量不超过其当前最大下渗能力，从而有效解决了多条汇流路径共享同一栅格时可能产生的重复下渗和容量超限问题，保证了计算过程中的水量守恒和模拟稳定性；

24、3、本发明根据栅格内多条路径的下渗竞争程度和局部计算误差，仅对存在竞争或误差超限的局部区域缩小时间步进行细化计算，其余区域维持原始计算步长，既通过时间步细化提高了局部下渗计算精度，又避免了对全流域统一缩小时间步长导致的计算成本大幅增加，实现了计算精度与计算效率的合理平衡。

1.一种基于路径—栅格双域耦合与局部自适应约束的坡面产汇流方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s1中，产流计算采用超渗产流机制、蓄满产流机制、超渗与蓄满组合机制中的一种，或者接收外部水文模型输出的产流结果；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s2中，地表径流路径依据数字高程模型流向、坡度和河道位置建立；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s2中，路径进度采用累计传播距离、累计传播时间、当前路径段编号及段内位置、剩余传播距离或剩余传播时间中的一种或多种形式表示。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s3中，水流实际经过的路径区段记录包括在途水量单元在当前计算时段内实际经过的栅格单元，以及在各栅格单元中的实际传播时间、传播长度及有效接触面积。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s4中，栅格针对地表径流的最大下渗能力由土壤剩余蓄水空间、当前入渗能力、计算时段长度及栅格面积共同确定；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s5中，多条路径对应的理论下渗量是否超过栅格可接纳的下渗能力，根据同一栅格内多条路径理论下渗总量与该栅格最大下渗能力的比值确定；

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤s6中，地下水线性水库以子流域为基本计算单元，将子流域内各栅格的深层渗漏量汇总为地下水补给量，采用地下水出流量与地下水蓄量成比例的线性水库关系计算基流；