一种水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法

摘要

本发明公开一种水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法，包括以下步骤：数据收集与输入、将坡面水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量、将细沟水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量、建立空间拓扑关系与小流域空间构型模型和进行模型率定及验证；本发明通过构建空间模型，将水保措施空间配置与水文过程耦合，能有效将计算水土保持措施类型、规格、数量等空间分布的计算单元与坡面产流产沙‑细沟汇流输沙相耦合，实现沟道水土保持措施水沙效应定量计算，构建“子流域+细沟”为基元流域的计算单元，反映下垫面及气象条件的空间变化，解决水土保持措施水文泥沙效应定量分析评价。

说明书

技术领域

本发明涉及水土保持与荒漠化防治生态环境治理技术领域，尤其涉及一种水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法。

背景技术

我国水土流失严重，因此建立以小流域为单元的水土流失综合治理刻不容缓，而对水土保持空间措施配置进行优化是对小流域进行水土流失综合治理的重要前提，基于各种评价结果作为基本决策与约束条件，在数量、空间及时间上进行分析得到基于生态安全的水土保持措施最佳空间配置原则,可为相似小流域区域的水土保持规划提供理论基础及借鉴，为促进小流域经济发展和生态环境保护提供科学依据，小流域水土保持措施空间配置受到经济、生态、社会等多方面因素的限制，对于小流域综合治理的方法，多年来一直缺乏系统的、科学的研究成果；

目前，对水土保持措施空间配置的研究相对较少，虽然一些学者对不同区域小流域水土保持措施空间配置研究，但是存在以下不足：目前对水土保持措施空间配置主要是依据土地适宜性评价、水沙响应评价以及生态安全评价等结果作为约束条件，将措施减流减沙效益作为基本的决策依据，据已有的治理经验来确定空间措施比例，此种方法在配置小流域空间内水土保持措施的数量、规格、类型等缺乏定量的分析依据，同时在对不同水土保持空间配置产生的生态环境保护效应也无法进行定量评估，因此，本发明提出一种水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法，该方法能有效将计算水土保持措施类型、规格、数量等空间分布的计算单元与坡面产流产沙-细沟汇流输沙相耦合，还可同时计算小流域出口的流量和泥沙侵蚀量，从而解决水土保持措施水文泥沙效应定量分析评价。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法，包括以下步骤：

步骤一：数据收集与输入

基于流域分布式水文模型，以地理信息系统提供的下垫面数据和气象数据分布作为输入条件，考虑水土保持措施布局在坡面产流、坡面土壤侵蚀、沟道汇流及沟道土壤携沙运移过程中的效应，将水土保持措施空间配置与水文过程耦合，构建空间模型；

步骤二：将坡面水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量

以坡面计算单元及工程措施本身所在基元的拓扑关系为计算手段，将坡面水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量，计算过程中采用一维运动波模型进行坡面流模拟：

式中，x为沿坡面向下方向，t为时间(s)，h为水深(m)，q为单宽流量(m

步骤三：将细沟水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量

建立沟道内特定水保措施的水沙效应经验方程，将细沟水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量，计算过程中采用标准的Muskingum&Cunge法计算水流运移过程，Muskingum-Cunge演算公式形式为：

式中，马斯京根法流量系数C1，C2，C3分别为：

式中，K和ε分别为马斯京根法的槽蓄系数和流量比重因子；

步骤四：建立空间拓扑关系与小流域空间构型模型

根据小流域的精细地形信息将其离散为以分水岭为界限的子流域及其内部的细沟，构成以“子流域+细沟”为基元流域的计算单元，对比传统水文模型，采用基于空间拓扑关系的子流域间空间构型模型，以实现在无天然沟道流域内的水文及泥沙的输移过程；

步骤五：进行模型率定及验证

通过计算水沙特征量、计算对比Nash-Sutcliffe效率系数和相关系数对模型进行率定和验证，并进行不同空间配置情景模拟，将水土保持措施空间配置与水文过程进行耦合，最后得出水土保持措施空间配置与水文泥沙效应定量分析评价。

进一步改进在于：所述步骤一中，下垫面数据包括土壤属性、植被覆盖和土地利用数据，气象数据包括降雨时空分布数据和数字高程模型。

进一步改进在于：所述步骤一中，下垫面数据为静态输入条件，气象数据为动态输入条件。

进一步改进在于：所述步骤二中，坡面计算单元是水文响应过程的核心计算单元，完成产流、产沙的计算涉及降雨、截留、入渗、地表径流、壤中流和地表出流这些子过程。

进一步改进在于：所述步骤三中，水流挟沙能力是坡面泥沙侵蚀计算的关键，计算过程中根据悬移质的制紊作用从能量平衡角度出发考虑河流的输沙能力。

进一步改进在于：所述步骤三中，K和ε是扩散波方程的二阶精度解，由于泥沙实测资料的限制，泥沙输移考虑均匀沙，采用一维非恒定悬移质不平衡输沙方程。

进一步改进在于：所述步骤五中，水沙特征量的计算包括最值计算、总径流量计算和总输沙量计算。

本发明的有益效果为：本发明能有效将计算水土保持措施类型、规格、数量等空间分布的计算单元与坡面产流产沙-细沟汇流输沙相耦合，还可同时计算小流域出口的流量和泥沙侵蚀量，从而解决水土保持措施水文泥沙效应定量分析评价，且在沟道输水输沙过程中，水土保持措施以蓄水、拦沙为主要功能，发生水流的蓄滞及泥沙的沉积，本发明主要从水量及沙量平衡角度，建立沟道内特定水保措施的水沙效应经验方程，作为边界条件与沟道输水输沙方程松散耦合，实现沟道水土保持措施水沙效应定量计算，另外本发明构建“子流域+细沟”为基元流域的计算单元，这样的基元系统可以反映下垫面及气象条件的空间变化，坡面内采用具有一定物理意义的数学方程描述水保措施下坡面上的水沙过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法流程图；

图2是本发明的水土保持措施空间配置与水文过程耦合空间模型框架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1、2，本实施例提供了一种水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法，包括以下步骤：

步骤一：数据收集与输入

基于流域分布式水文模型，以地理信息系统提供的下垫面数据和气象数据分布作为静态和动态输入条件，考虑水土保持措施布局在坡面产流、坡面土壤侵蚀、沟道汇流及沟道土壤携沙运移过程中的效应，将水土保持措施空间配置与水文过程耦合，构建空间模型，其中下垫面数据包括土壤属性、植被覆盖和土地利用数据，气象数据包括降雨时空分布数据和数字高程模型；

步骤二：将坡面水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量

以坡面计算单元及工程措施本身所在基元的拓扑关系为计算手段，将坡面水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量；

坡面计算单元是水文响应过程的核心计算单元，需要完成产流、产沙的计算，涉及降雨、截留、入渗、地表径流、壤中流、地表出流等子过程，水力过程涉及侵蚀产沙，工程措施水文效应主要来自坡面水保措施的截流拦沙作用；

地表直接径流有单位线法和运动波法等多种，本实施例采用单位线法，用线性水库方法计算基流，坡面流模拟中，采用最常用的一维运动波模型：

式中，x为沿坡面向下方向，t为时间(s)，h为水深(m)，q为单宽流量(m

坡面侵蚀主要考虑雨滴的击溅作用，与降雨、地形、土壤、植被等多种因素有关，坡面水土保持措施在计算单元中主要以保水量、保沙量平衡方式参与产流动态过程，考虑水保措施的空间配置因素，以计算单元及工程措施本身所在基元的拓扑关系为计算手段，考虑其对水沙运移的影响；

步骤三：将细沟水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量

建立沟道内特定水保措施的水沙效应经验方程，将细沟水沙过程与水土保持措施耦合计算产流产沙量；

小流域内的天然沟道汇流可采用标准的Muskingum&Cunge法，计算水流运移过程，水流挟沙能力是坡面泥沙侵蚀计算的关键，可根据悬移质的制紊作用从能量平衡角度出发考虑河流的输沙能力，Muskingum-Cunge演算公式形式为：

式中，马斯京根法流量系数C1，C2，C3分别为：

式中，K和ε分别为马斯京根法的槽蓄系数和流量比重因子，是扩散波方程的二阶精度解；

由于泥沙实测资料的限制，泥沙输移考虑均匀沙，采用一维非恒定悬移质不平衡输沙方程；

在沟道输水输沙过程中，水土保持措施以蓄水、拦沙为主要功能，发生水流的蓄滞及泥沙的沉积，本实施例主要从水量及沙量平衡角度，建立沟道内特定水保措施的水沙效应经验方程，作为边界条件与沟道输水输沙方程松散耦合，实现沟道水土保持措施水沙效应定量计算；

步骤四：建立空间拓扑关系与小流域空间构型模型

根据小流域的精细地形信息将其离散为以分水岭为界限的子流域及其内部的细沟，构成以“子流域+细沟”为基元流域的计算单元，对比传统水文模型，采用基于空间拓扑关系的子流域间空间构型模型，以实现在无天然沟道流域内的水文及泥沙的输移过程；

步骤五：进行模型率定及验证

模型参数率定是构建空间模型的重要组成部分，参数优劣直接关系到模型的稳定性以及其模拟和预报的精度，人工试错率定法目前应用广泛的方法，由人工设定一组参数值，然后根据模拟值和实测值的过程线对参数进行修正；

通过计算水沙特征量、计算对比Nash-Sutcliffe效率系数和相关系数对模型进行率定和验证，相比较径流而言，对泥沙率定的要求可适当放宽，并进行不同空间配置情景模拟，从而将水土保持措施空间配置与水文过程进行耦合，最后得出水土保持措施空间配置与水文泥沙效应定量分析评价，其中水沙特征量的计算包括最值计算、总径流量计算和总输沙量计算。

该水土保持措施空间配置与水文过程耦合方法能有效将计算水土保持措施类型、规格、数量等空间分布的计算单元与坡面产流产沙-细沟汇流输沙相耦合，还可同时计算小流域出口的流量和泥沙侵蚀量，从而解决水土保持措施水文泥沙效应定量分析评价，且在沟道输水输沙过程中，水土保持措施以蓄水、拦沙为主要功能，发生水流的蓄滞及泥沙的沉积，本发明主要从水量及沙量平衡角度，建立沟道内特定水保措施的水沙效应经验方程，作为边界条件与沟道输水输沙方程松散耦合，实现沟道水土保持措施水沙效应定量计算，另外本发明构建“子流域+细沟”为基元流域的计算单元，这样的基元系统可以反映下垫面及气象条件的空间变化，坡面内采用具有一定物理意义的数学方程描述水保措施下坡面上的水沙过程。

以上所述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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。