一种草原河流河道流量汇流计算方法发明专利

专利名称：一种草原河流河道流量汇流计算方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111226398.7

专利申请（专利权）人：内蒙古农业大学
权利人地址：内蒙古自治区呼和浩特市赛罕区昭乌达路306号

专利发明（设计）人：黎明扬,段利民,刘廷玺,张文瑞,童新,李媛康,赵心毓

专利摘要：本发明提供一种草原河流河道流量汇流计算方法，包括：根据极值选取原理，通过每个栅格高程数据获得每个栅格内水流的流向；通过高清遥感影像以及实地测量数据提取河流特征量；通过气温、降水、实际蒸散量和栅格面积，计算获取每个栅格的径流深时间序列；通过每个栅格面积和径流深计算河道的产流量、流速和河流水深；根据能量守恒定律，利用栅格内河流实际液体元流能量方程，分别计算栅格内的河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失，获得水流流出栅格的流速和水流流经栅格的实际所需时间；通过每个栅格的流向，获取每个格点流向流域泄流口所需经过的格点层数；根据径流深时间序列和河道的流量，获取当前格点在该时刻的流量。

主权利要求：
1.一种草原河流河道流量汇流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：获取草原河流流域内每个栅格内水流的流向；
获取草原河流的河流特征量；
通过草原河流的气温、降水、实际蒸散量和栅格面积，计算每个栅格单位时间的径流深时间序列；
通过每个栅格面积和径流深，计算河道的产流量、流速和河流水深；
基于栅格内河流实际液体元流能量方程，根据河流特征量、河宽和河流水深，分别计算栅格内河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失，并确定水流流出栅格的流速和水流流经栅格的时间；
根据每个栅格内水流的流向，获取每个格点流向流域泄流口所经过的格点层数；并根据径流深时间序列、水流流出栅格的流速、水流流经栅格的时间和河道的产流量，获取当前格点在各个时刻的实际地表径流量；
所述栅格内的河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失的计算包括以下步骤：根据1km弯曲半径当量的概念，将河流弯道的长度、角度和换算至同一量级，用于统一流域内河道的弯曲程度；
确定崩溃系数，即根据实时河流水深来判定洪峰过境时，是否会出现漫流的情况；
当漫流发生时，栅格河道将重置为无弯曲且拥有基础河长的状态；漫流结束后，河道随着地转偏向力等要素的影响，逐渐开始弯曲，即河长逐渐向实际河长恢复并出现弯曲河段；
构建栅格内河流实际液体元流能量方程：
式中，z1和z2为栅格入口和出口处的高程；p1和p2为栅格入口和出口处的气压；ρ为液体密度，g为重力加速度；v1和v2为栅格入口和出口处的流速；hw为总水头损失；
根据河流特征量以及河宽和河流水深，计算栅格内的河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失：hw＝∑hf+∑hj
n＝(n0+n1+n2+n3+n4)×m5
式中，hw为损失的能量，包括水流的沿程水头损失hf和弯道处的局部水头损失hj；λ为沿程水头损失系数；LR为实际河长；R为水力半径；Re为雷诺数；ζ为局部水头损失系数；C为谢才系数；b为弯道河宽；r为河道的弯曲半径；n为河道摩阻系数，其中n0至n4分别为天然河道的基本粗糙度、不规则水面的影响、河道横截面形状和尺寸变化的影响、阻水物的影响和植物的影响；m5为河道曲折情况的影响；
所述当前格点在各个时刻的实际地表径流量的获取包括以下步骤：通过每个栅格的流向，获取每个格点流向流域泄流口所需经过的格点层数j，设定流域格点行列号分别为m和n，则正在处理的格点层可表示为m(j),n(j)；根据径流深时间序列和河道的流量，获取当前格点在t时刻的流量为Q(t)m(j),n(j)；该时刻的径流量流向下一格点的时间(Δt)为：式中,LR为河流长度；平均排放速度；当非整数的时候，将流量按照整数时间分割，令t时刻流出该栅格的流量为q(t)m(j),n(j)，则：其中，fix是一个向下四舍五入的函数。
2.根据权利要求1所述的草原河流河道流量汇流计算方法，其特征在于，所述草原河流流域内每个栅格内水流的流向获取，包括：根据极值选取原理，通过草原河流的流域边界和流域内每个栅格高程数据获得每个栅格内水流的流向。
3.根据权利要求1所述的草原河流河道流量汇流计算方法，其特征在于，所述草原河流的河流特征量的获取，包括：通过高清遥感影像以及实地测量数据提取草原河流的河流特征量。
4.根据权利要求1所述的草原河流河道流量汇流计算方法，其特征在于，还包括：当流域内存在洼地和闭塞湖地形时，每个栅格内水流的流向计算包括以下步骤：确定流域出口，寻找每个栅格前往出口的流向路径；
当路径检测到进入死循环后，根据循环特征判断洼地形状，并寻找洼地的泄流口，进而向主流汇集，最终确定每个栅格内水流的流向。
5.根据权利要求3所述的草原河流河道流量汇流计算方法，其特征在于，所述河流特征量包括每个栅格内部的实际河长、平均河宽、河流弯曲角度及半径、河道糙率和坡降。
6.根据权利要求5所述的草原河流河道流量汇流计算方法，其特征在于，所述产流量Qsim、流速v、河宽WR和河流水深HR的计算公式如下：RD＝QsimΔt/1000AG
Qsim＝AS×v＝WR×HR×v
式中，AS为每个栅格的横截面积；AG为栅格面积；Δt为单位时间；RD为径流深时间序列。
7.根据权利要求1所述的草原河流河道流量汇流计算方法，其特征在于，还包括：当存在上游栅格的流量汇入时，计算该栅格获取的初始流量：其中，Qsim(t)为由流量生成模块计算出的每个网格的流量，dir＝1to7，表示1～7个上游收敛方向。 说明书 : 一种草原河流河道流量汇流计算方法技术领域[0001] 本发明涉及河道流量汇流技术领域，具体涉及一种草原河流河道流量汇流计算方法。背景技术[0002] 流域的降水或冰雪融水在重力作用下，由地面与地下汇入河网，流出流域出口断面的水流成为径流。径流的形成过程可概化为产流过程和汇流过程，产流过程模拟也就是降水的损失模拟，又可分为蒸散发以及下渗两个部分(由于植物截留和洼地填洼等过程的拦蓄水量最终通过蒸发进入大气或下渗进入土壤，在此不将其单独列出)；汇流也包括水文响应单元内的汇流计算和河道汇流计算(洪水演算)。目前结合日新月异的遥感技术以及较容易操作的田间试验，大量有关蒸散发和下渗的研究不断开展。而由于汇流过程在时间和空间上的连续观测难度大、影响要素较多、洪水波偏微分方程求解困难等因素，不论是对于汇流过程的理解还是相关的研究，都是远远不足的，这在河道蜿蜒多变、水量陡涨陡落的半干旱草原流域体现地更加明显。[0003] 计算明渠非恒定流有两大方程：连续性方程和动量方程，他们是圣维南方程组的基础。通过将连续性方程简化为河段水量平衡方程并把动力方程简化为河段的水量槽蓄关系，可以推求出汇流计算中广泛应用的马斯京根法。而应用马斯京根法的关键是如何合理得确定参数k和x，即河段平均传播时间与衡量入流和出流对河道蓄量作用的权重。然而诸如平均传播时间这样的传统水文学变量，已不适用于如今生态退化严重的草原型河流。瞬时变化迅速的流量、储水能力低下的砂质土壤、河型不规整且易迁移等特点，都使得现有的模型难以甚至不具备模拟草原型河流的汇流过程。[0004] 因此，本发明提出了一种新的草原河流河道流量汇流计算方法。发明内容[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。[0006] 一种草原河流河道流量汇流计算方法，包括以下步骤：[0007] 获取草原河流流域内每个栅格内水流的流向；[0008] 获取草原河流的河流特征量；[0009] 通过草原河流的气温、降水、实际蒸散量和栅格面积，计算每个栅格单位时间的径流深时间序列；[0010] 通过每个栅格面积和径流深，计算河道的产流量、流速和河流水深；[0011] 基于栅格内河流实际液体元流能量方程，根据河流特征量、河宽和河流水深，分别计算栅格内河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失，并确定水流流出栅格的流速和水流流经栅格的时间；[0012] 根据每个栅格内水流的流向，获取每个格点流向流域泄流口所经过的格点层数；并根据径流深时间序列、水流流出栅格的流速、水流流经栅格的时间和河道的产流量，获取当前格点在各个时刻的实际地表径流量。[0013] 优选地，所述草原河流流域内每个栅格内水流的流向获取，包括：根据极值选取原理，通过草原河流的流域边界和流域内每个栅格高程数据获得每个栅格内水流的流向。[0014] 优选地，所述草原河流的河流特征量的获取，包括：通过高清遥感影像以及实地测量数据提取草原河流的河流特征量。[0015] 优选地，还包括：当流域内存在洼地和闭塞湖地形时，每个栅格内水流的流向计算包括以下步骤：[0016] 确定流域出口，寻找每个栅格前往出口的流向路径；[0017] 当路径检测到进入死循环后，根据循环特征判断洼地形状，并寻找洼地的泄流口，进而向主流汇集，最终确定每个栅格内水流的流向。[0018] 优选地，所述河流特征量包括每个栅格内部的实际河长、平均河宽、河流弯曲角度及半径、河道糙率和坡降。[0019] 优选地，所述产流量Qsim、流速v、河宽WR和河流水深HR的计算公式如下：[0020] RD＝QsimΔt/1000AG[0021] Qsim＝AS×v＝WR×HR×v[0022] 式中，AS为每个栅格的横截面积；AG为栅格面积；Δt为单位时间；RD为径流深时间序列。[0023] 优选地，所述栅格内的河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失的计算包括以下步骤：[0024] 根据1km弯曲半径当量的概念，将河流弯道的长度、角度和换算至同一量级，用于统一流域内河道的弯曲程度；[0025] 确定崩溃系数，即根据实时河流水深来判定洪峰过境时，是否会出现漫流的情况；[0026] 当漫流发生时，栅格河道将重置为无弯曲且拥有基础河长的状态；漫流结束后，河道随着地转偏向力等要素的影响，逐渐开始弯曲，即河长逐渐向实际河长恢复并出现弯曲河段；[0027] 构建栅格内河流实际液体元流能量方程：[0028][0029] 式中，z1和z2为栅格入口和出口处的高程；p1和p2为栅格入口和出口处的气压；ρ为液体密度，g为重力加速度；v1和v2为栅格入口和出口处的流速；hw为总水头损失；[0030] 根据河流特征量以及河宽和河流水深，计算栅格内的河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失：[0031] hw＝∑hf+∑hj[0032][0033][0034][0035] n＝(n0+n1+n2+n3+n4)×m5[0036] 式中，hw为损失的能量，包括水流的沿程水头损失hf和弯道处的局部水头损失hj；λ为沿程水头损失系数；LR为实际河长；R为水力半径；Re为雷诺数；ζ为局部水头损失系数；C为谢才系数；b为弯道河宽；r为河道的弯曲半径；n为河道摩阻系数，其中n0至n4分别为天然河道的基本粗糙度、不规则水面的影响、河道横截面形状和尺寸变化的影响、阻水物的影响和植物的影响；m5为河道曲折情况的影响。[0037] 优选地，所述当前格点在各个时刻的实际地表径流量的获取包括以下步骤：[0038] 通过每个栅格的流向，获取每个格点流向流域泄流口所需经过的格点层数j，设定流域格点行列号分别为m和n，则正在处理的格点层可表示为m(j),n(j)；根据径流深时间序列和河道的流量，获取当前格点在t时刻的流量为Q(t)m(j),n(j)；该时刻的径流量流向下一格点的时间(Δt)为：[0039][0040] 式中,LR为河流长度；平均排放速度；当非整数的时候，将流量按照整数时间分割，令t时刻流出该栅格的流量为q(t)m(j),n(j)，则：[0041][0042] 其中，fix是一个向下四舍五入的函数。[0043] 优选地，还包括：当存在上游栅格的流量汇入时，计算该栅格获取的初始流量：[0044][0045] 其中，Qsim(t)为由流量生成模块计算出的每个网格的流量，dir＝1to7，表示1～7个上游收敛方向。[0046] 本发明有益效果：[0047] 本发明提出一种草原河流河道流量汇流计算方法，基于动态河长、河流弯道，3hour尺度单位洪峰历时，考虑洪水过境时的河流漫流的河网汇流方法。具体来说，本发明实现了：[0048] (1)动态模拟和刻画草原型河流流量、河型等方面各项参数的变化过程；[0049] (2)探索和验证模型对于不同输入数据源的适用性，确定和解释各过程参数的物理意义；[0050] (3)对比汇流模块与现有汇流计算方法的先进性，并挖掘可提升空间；[0051] (4)模拟和探究河流漫流对于地球气候以及区域生态状况的波动响应关系，进一步认识草原型河流的独特现象。附图说明[0052] 图1是本发明实施例的方法流程图；[0053] 图2是本发明实施例的气象驱动数据带入模型中模拟锡林河的河道流量数据的验证结果；[0054] 图3是本发明实施例的锡林河国家水文站断面处的流量情况。具体实施方式[0055] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0056] 实施例1[0057] 如图1所示，本发明的一种草原河流河道流量汇流计算方法，包括以下步骤：[0058] 根据极值选取原理，通过草原河流的流域边界和流域内每个栅格高程数据获得每个栅格内水流的流向；[0059] 通过高清遥感影像以及实地测量数据提取草原河流的河流特征量；河流特征量包括每个栅格内部的实际河长、平均河宽、河流弯曲角度及半径、河道糙率和坡降。[0060] 通过气温、降水、实际蒸散量和栅格面积，计算获取每个栅格的径流深时间序列；[0061] 通过每个栅格面积和径流深计算河道的流量、流速和河流水深；产流量Qsim、流速v、河宽WR和河流水深HR的计算公式如下：[0062] RD＝QsimΔt/1000AG[0063] Qsim＝AS×v＝WR×HR×v[0064] 式中，AS为每个栅格的横截面积；AG为栅格面积；Δτ为单位时间；RD为径流深时间序列。[0065] 根据能量守恒定律，利用栅格内河流实际液体元流能量方程，分别计算栅格内的河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失，进而获得水流流出栅格的流速和水流流经栅格的实际所需时间：[0066] 构建栅格内河流实际液体元流能量方程：[0067][0068] 式中，z1和z2为栅格入口和出口处的高程；p1和p2为栅格入口和出口处的气压；ρ为液体密度，g为重力加速度；v1和v2为栅格入口和出口处的流速；hw为总水头损失。[0069] 根据河流特征量以及河宽和河流水深，计算栅格内的河流的沿程水头损失和弯道带来的局部水头损失：[0070] hw＝∑hf+∑hj[0071][0072][0073][0074] n＝(n0+n1+n2+n3+n4)×m5[0075] hw为损失的能量，包括水流的沿程水头损失hf和弯道处的局部水头损失hj；λ为沿程水头损失系数；LR为实际河长；R为水力半径；Re为雷诺数；ζ为局部水头损失系数；C为谢才系数；b为弯道河宽；r为河道的弯曲半径；n为河道摩阻系数，其中n0至n4分别为天然河道的基本粗糙度、不规则水面的影响、河道横截面形状和尺寸变化的影响、阻水物的影响和植物的影响；m5为河道曲折情况的影响。[0076] 同时，鉴于国际上很难统一有关河流弯道的变量，因此本发明提出了1km弯曲半径当量的概念，将河流弯道的长度、角度和换算至同一量级，用于统一流域内河道的弯曲程度；为了更真实地反映草原型河流的特点，本发明设置了崩溃系数，根据实时河流水深来判定洪峰过境时，是否会出现漫流的情况。当漫流发生时，栅格河道将重置为无弯曲且拥有基础河长的状态。洪水过后，河道随着地转偏向力等要素的影响，逐渐开始弯曲，即河长逐渐向实际河长恢复并出现弯曲河段。[0077] 通过每个栅格的流向，获取每个格点流向流域泄流口所需经过的格点层数；根据径流深时间序列和河道的流量，获取当前格点在该时刻的流量。[0078] 进一步的，还包括：当流域内存在洼地和闭塞湖地形时，每个栅格内水流的流向计算包括以下步骤：[0079] 确定流域出口，寻找每个栅格前往出口的流向路径；[0080] 当路径检测到进入死循环后，根据循环特征判断洼地形状，并寻找洼地的泄流口，进而向主流汇集，最终确定每个栅格内水流的流向。[0081] 根据径流深时间序列和河道的流量，获取当前格点在该时刻的流量，具体包括以下步骤：[0082] 通过每个栅格的流向，获取每个格点流向流域泄流口所需经过的格点层数j，设定流域格点行列号分别为m和n，则正在处理的格点层可表示为m(j),n(j)；根据径流深时间序列和河道的流量，获取当前格点在t时刻的流量为Q(t)m(j),n(j)；该时刻的径流量流向下一格点的时间(Δt)为：[0083][0084] 式中,LR为河流长度； 平均排放速度；当非整数的时候，将流量按照整数时间分割，令t时刻流出该栅格的流量为q(t)m(j),n(j)，则：[0085][0086] 其中，fix是一个向下四舍五入的函数。[0087] 还包括：当存在上游栅格的流量汇入时，计算该栅格获取的初始流量：[0088][0089] 其中，Qsim(t)为由流量生成模块计算出的每个网格的流量，dir＝1to7，表示1～7个上游收敛方向。[0090] 本发明以中国内蒙古自治区锡林郭勒盟草原型河流锡林河作为具体实施案例。为了更准确地监测锡林河流域的水文气象条件，本发明在研究区内布设了三套自动流速流量监测站，一套波文比气象站，六套自计雨量站，7个人工测流断面。[0091] 将气象驱动数据带入模型中模拟锡林河的河道流量数据进行验证，结果如图2所示。国家水文站断面的河道日流量检验分析结果显示，模型在使用两种气象驱动数据集的2河流径流量模拟中表现较好，从评价指标上看，R和NSE均大于0.9，KGE三个自动水文站的2日尺度流量检验结果显示模型的模拟结果较为准确，R 和NSE略低于在国家水文站断面处2的检验结果。人工测流检验结果显示流量模拟值和观测值的NSE较高，R 偏低，散点图分布状况较为收敛，线性拟合直线与1：1直线也较为吻合，说明总体结果可信且过程模拟误差较小。小于0.3，说明模型在整体生态水文过程的趋势把控方面表现较好。[0092] 本发明进一步对专利所用的汇流方式(该模式下的径流量简称Qs)以及和两种常用的汇流模式(本发明将这两种汇流模式下的径流量称作Qs1和Qs2，分别为不考虑实际河长、河流弯道及漫流的汇流模式以及考虑实际河长、河流弯道，但不考虑漫流的汇流模式)在四场洪水中的模拟进行对比分析。首先本发明在模拟期内分别选择了两场二十年一遇洪水和两场五十年一遇洪水，使用两种驱动数据集和三种汇流方式模拟3hour尺度的洪水过程，分别使用黄色和红色五角星标明支流以及支流与干流开始出现漫流情况的时间，锡林河国家水文站断面处的流量情况如图3所示。[0093] 结果显示，在日内尺度使用两种数据源模拟洪峰汇流过境的时间基本一致，仅是洪峰值略有差别，这与前文中本发明对于不同驱动数据集在锡林河的普适性结果一致。整体上看，不考虑实际河长、河流弯道及漫流的Qs1的洪水到来时间最快，洪水持续时间也最短，考虑实际河长、河流弯道，但不考虑漫流的Qs2的洪水到来时间最晚，洪水持续时间最长，专利所用的汇流方式模拟的Qs则处于二者中间。[0094] 不同的汇流模式会引起洪水的到来时间、洪峰值甚至洪水波形等均有不同表现。通过对比三种汇流模式可以看到，考虑实际河长和河流弯道更真实地反映了草原型河流的河网特点，但若不考虑河道漫流情况，则会滞后洪水的到来时间，这种情况越是在洪峰较大的时候越明显。河道漫流作为草原型河流的突出特点，其不仅会使得洪峰的到来时间提前，也会在一定程度上增加洪峰值。为了细化分解漫流的影响，本发明将漫流分为支流漫流与干流漫流，由于干流河道较支流更加宽且深，在整个模拟期内，本发明发现锡林河流域均是支流漫流先发生，当洪水足够大时，干流漫流再发生的。[0095] 首先本发明以1987和1998年为例，研究支流漫流对草原型河流汇流的影响。1987年8月7日和1998年6月2日的两场小洪水显示，Qs与Qs1的区别主要表现在Qs1略提前于Qs，二者数值基本一致。当发生支流漫流以后，Qs的峰值基本都超过了Qs1，这主要体现了河道漫流对径流洪峰的影响。2004与2012年的特大洪水中，当支流与干流都发生漫流后，不仅Qs的峰值超过了Qs1，其模拟径流的斜率也逐渐变大，洪峰的到达时间不断贴近线性汇流的Qs1，这便是河道漫流对洪峰到来时间和洪峰值的影响。从漫流过程来讲，漫流因截弯取直缩短了水流途径长度并减少了弯道对流速的阻碍，水流便可更快地汇集到下游断面。河水较短的路程减少了包括蒸发、下渗等过程的损耗，也使得洪峰值较没有漫流的模式有一定提高。[0096] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：内蒙古

专利申请日期：2021-10-21

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113946964B