基于蓄满产流模式的地表地下水源分割方法与流程

本发明涉及地表地下水源分割方法，尤其是一种基于蓄满产流模式的地表地下水源划分方法。

背景技术：

流域出口断面流量由不同水源的径流成分组成，并因其运动路径和受流域调蓄作用的不同，使出口断面流量过程特征上互有差异：地面径流由坡面直接汇入河网，运动速度快，汇流时间短，形成的流量过程陡长陡落；地下径流是由渗透到潜水面的水流缓慢流出，运动速度慢，汇流时间长，变化平缓，是洪水退水尾部段流量的主体成分，常延续至后继洪水过程中。在实际工作中，往往需要分析、研究径流深的不同径流成分及其组成比例，常需按各种径流成分分别计算或模拟，因而需要对产流量进行水源划分，从而确定流域出口断面流量过程，为河流调蓄、防洪等提供依据。其中，最基本、最常用的是分割直接径流和地下径流，一般利用流域地下水退水曲线和实测流量过程线来分割水源，两者的分叉点往往被视为直接径流终止点，连接流量过程线中起涨点和径流终止点，上部为直接径流，下部为地下径流。在蓄满产流模型中，一般通过稳定下渗率来划分产流量中的直接径流和地下径流，对降雨进行时段划分，分析时段内的降雨强度与下渗率之间的关系，来推求直接径流和地下径流，其计算公式为：

其中，rg为总地下径流；rs为总地表径流；i为第i个时段；pe为降水量；fc为稳渗率；r为径流量；fc为稳定下渗率。

在蓄满产流模型中，选用不同的稳定下渗率，算得的径流成分是不同的。一般稳定下渗率fc采用如下公式计算：

fc＝rg/t

其中，rg为地下径流深，t为净雨历时。

但在实际应用之中，净雨历时t很难直接统计，因此就难以利用上式来计算稳定下渗率fc。在划分直接径流与地下径流时，采用流量过程线的方式较为复杂，无法直接将该原理应用在计算机程序之中。因此，亟待解决上述问题。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种基于蓄满产流模式的地表地下水源划分方法，该方法以饱和含水量和田间持水量为界限划分地表与地下产流，计算地表径流、地下径流量，易于用计算机程序语言来表达，更简单、方便。

技术方案：为实现以上目的，本发明所述的基于蓄满产流模式的地表地下水源划分方法包括以下步骤：

步骤1，对流域内田间持水量进行测定，确定田间持水量wm；

步骤2，计算流域饱和含水量wb，计算公式为：

wb＝wm*1.2

步骤3，确定流域平均含水量wm；

步骤4，确定蓄水容量曲线指数b；

步骤5，计算蓄水容量曲线的最大值，即流域蓄水量最大值wmm，计算公式为：

wmm＝wm*(1+b)

步骤6，利用土壤水分测定仪进行野外测定，得到流域内土壤含水量数据，确定流域平均的初始土壤含水量w；

步骤7，计算流域土壤含水量的最大值a；

步骤8，在降雨时期，野外对水面蒸发量进行测定，确定流域雨期时段蒸发量e；

步骤9，确定流域蒸发系数k；

步骤10，判断流域平均的初始土壤含水量w与流域平均蓄水量wm的关系，计算蒸发量ee。

步骤11，采用雨量计测定或根据气象数据，确定降雨量p；

步骤12，判断降雨量p与蒸发量ee的大小，计算降雨量p与流域平均的初始土壤含水量w之和，判断两者之和与饱和含水量wb与田间持水量wm之间的关系，计算地表径流rs和地下径流rg。

进一步地，采用田间测定法或室内测定法对流域内田间持水量进行测定。

进一步地，流域土壤含水量的最大值a的计算公式为：

进一步地，采用e601型蒸发器与20cm口径蒸发皿蒸发量的比值作为蒸发系数，确定流域蒸发系数k。

进一步地，步骤10中，蒸发量ee的计算方法为：

若w＞wm，

ee＝k*e

若w≤wm，

进一步地，步骤12中计算地表径流rs和地下径流rg的计算方法为：

当p-ee≤0

rs＝0

rg＝0

当p+w＞wb，

rs＝p-ee-(wb-w)

rg＝wb--wm

当wm≤p+w≤wb，

rs＝p-ee-(wb-w)

rg＝p-ee+w-wm

当p+w＜wm，

式中，wb为流域饱和含水量，单位mm；

wm为田间持水量，单位mm；

wm为流域平均含水量，单位mm；

b为流域蓄水容量曲线指数，为常数，无单位；

wmm为流域蓄水量最大值，单位mm；

w为流域平均的初始土壤含水量，单位mm；

a为流域土壤含水量的最大值，单位为mm；

e为流域雨期时段蒸发量，单位为mm；

k为蒸发折算系数，为常数，无单位；

ee为流域蒸发量，单位mm；

p为降雨量，单位mm；

rs为地表径流，单位mm；

rg为地下径流，单位mm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：与原有地表地下水源划分方式相比，基于蓄满产流的水源划分方法更简单、方便，无需对每场净雨历时进行统计，也无需计算稳定下渗率，而是从土壤饱和含水量、田间持水量等易测量、计算的指标出发，对地表地下水源进行划分。且本发明中的地表地下水源划分方法能够用计算机程序语言进行表达，能够更好地集成在水文模型之中。

附图说明

图1为本发明水源划分方法的计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，基于蓄满产流模式的地表地下水源划分方法包括以下步骤：

步骤1，采用田间测定法或室内测定法对流域内田间持水量进行测定，确定田间持水量wm；

步骤2，计算流域饱和含水量wb

wb＝wm*1.2

步骤3，查找所研究区域的降雨径流资料，通过计算确定该流域平均含水量(通常在120-200mm之间)；具体可根据研究区的流域特点来确定流域平均含水量wm，根据经验值，南方湿润地区的流域平均含水量约为120-150mm，半湿润地区约为150-200mm；

步骤4，根据经验值，确定蓄水容量曲线指数b(通常在0.1-0.4之间)；在产流模型中，b反映流域含水量的不均匀程度，其取值与流域地形、面积相关：若流域面积小于100平方千米，则取b＝0.1；若流域面积为100-1000平方千米，则b＝0.2-0.3；若流域面积大于1000平方千米，则b＝0.4；

步骤5，计算蓄水容量曲线的最大值，即流域蓄水量最大值wmm，计算公式为：

wmm＝wm*(1+b)

步骤6，在降雨初期利用土壤水分测定仪进行野外测定，分析该流域内土壤含水量数据，确定流域平均的初始土壤含水量w；

步骤7，计算流域土壤含水量的最大值a，计算公式为：

步骤8，在降雨时期，野外对水面蒸发量进行测定，确定流域雨期时段蒸发量e；

步骤9，采用e601型蒸发器与20cm口径蒸发皿蒸发量的比值作为蒸发系数，确定流域蒸发系数k；

步骤10，判断流域平均的初始土壤含水量w与流域平均蓄水量wm的关系，计算蒸发量ee；

步骤11，采用雨量计测定或气象数据，确定降雨量p；

步骤12，判断降雨量p与蒸发量ee的大小，计算降雨量p与流域平均的初始土壤含水量w之和，判断两者之和与饱和含水量wb与田间持水量wm之间的关系，计算地表径流rs和地下径流rg。

步骤1中，田间测定法具体为：选取有代表性的地段，围起一定面积的小区，经过充分灌水，在排去多余的重力水后，测定土层中保持的最大悬着水量。室内测定法具体为：环刀法野外取土样、土样风干、铝盒称重、原状换刀土样浸泡、水分下渗、称量湿土土样、恒温烘干、冷却至室温、称量干土样、计算成果。

所述步骤3包括如下步骤：

步骤301，根据干旱等级选取流域内前期处于特旱(连续无降雨天数，春季在61天以上、夏季在46天以上、秋冬季在91天以上)或重旱(连续无降雨天数，春季在46-60天以上、夏季在36-45天以上、秋冬季在71-90天以上)的时期，选取久旱以后发生的、雨量等级在暴雨(24小时降雨量50-100mm)及暴雨以上的降雨特别大的、使全流域产流的历史降雨径流资料，具体资料可于中国气象数据网、水文年鉴、气象部门、水文部门中查找获取，干旱、降雨的定量描述根据国家标准的干旱等级、雨量等级来确定；

步骤302，根据一次降水的水量平衡方程进行计算：降雨结束时流域蓄水量w2-初始蓄水量w1＝降雨量p-蒸发量e-径流量r；

步骤303，确定流域平均含水量wm：由于降雨前期十分干旱，w1≈0，降雨后可认为流域已经蓄满，故w2≈wm。

进一步，所述步骤10包括如下步骤：

步骤1001，流域平均的初始土壤含水量w＞流域平均含水量wm，蒸发量ee＝蒸发折算系数k*雨期时段蒸发量e；

步骤1002，流域平均的初始土壤含水量w≤流域平均含水量wm，蒸发量ee＝蒸发折算系数k*雨期时段蒸发量e*流域平均的初始土壤含水量w/流域平均含水量wm；

进一步，所述步骤12包括如下步骤：

步骤1201：降雨量p小于蒸发量ee，地表径流rs＝0，地下径流rg＝0；

步骤1202：降雨量p+流域平均的初始土壤含水量w＞＜流域饱和含水量wb，地表径流rs＝p-ee-(wb-w)，地下径流rg＝wb-wm；

步骤1203：流域田间持水量wm≤降雨量p+初始时刻土壤含水量w＜流域饱和含水量wb，地表径流地下径流rg＝p-ee-r；

步骤1204：降雨量p+初始时刻土壤含水量w＜流域田间持水量wm，地表径流rs＝0，地下径流