一种基于土壤质地推求流域稳定下渗率的方法

1.本发明属于水文预报技术领域，特别涉及一种基于土壤质地推求流域稳定下渗率的方法。


背景技术：

2.当前为研究流域产汇流规律、水文预报等问题，流域稳定下渗率的推求是必不可少的步骤之一。现广泛使用的稳定下渗率的推求方法可分为黑箱模型方法和物理实验模型方法。物理实验模型方法，只是对流域的单点做物理实验，得出的稳定下渗率是该单点的稳定下渗率，难以反映流域的总体情况。黑箱模型通过流域出口断面的径流成分划分来反推流域的稳定下渗率。该方法是基于蓄满产流模式提出的一种计算稳定下渗率的方法，在蓄满产流模式上物理意义明确，计算过程简单。对于一个大的研究流域需要根据其空间特性将其划分为多个子流域，用该方法计算子流域的稳定下渗率时需要每个子流域出口的径流过程数据。
3.然而，在一些小流域，水文站点建设并不完善，对于位于一些支流断面的子流域出口，往往缺少观测资料，此时用黑箱模型，将无法推求各子流域的稳定下渗率；同时，由于黑箱模型是针对蓄满产流机制提出的，对于超渗产流地区或混合产流地区并不适用。
4.因此，如何能够在水文资料较少的情况下，准确获得流域稳定下渗率是目前需要解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于在掌握较少水文资料的情况下，提供一种基于土壤质地推求流域稳定下渗率的方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于土壤质地推求流域稳定下渗率的方法，包括以下步骤：
8.步骤1，资料的收集与整编：
9.收集中国的土壤质地数据以及能够完全覆盖所研究流域的数字高程数据，获得一副数字高程图；
10.步骤2，流域面文件的获取：
11.在gis中加在步骤1中获得的数字高程数据，通过gis的空间分析工具，按照研究流域的范围剪切加载的数字高程数据，得到包含研究流域的较小的数字高程数据，然后在gis中通过hec
‑
geohms工具对该数据做流域分析，提取研究流域，并按照自然流域划分或者泰森多边形法划分子流域，得到包含子流域边界的.shp文件；
12.步骤3，子流域土壤地质数据的提取：
13.根据在步骤2中得到的包含子流域边界的.shp文件以及步骤1中收集的中国土壤质地数据，通过gis的空间分析工具，在gis中提取各子流域的土壤质地数据；
14.步骤4，统计各子流域每种土壤质地所在的百分比：
15.通过gis统计工具，按照以下公式(1)计算统计各子流域中每种质地的土壤所占的面积百分比：
[0016][0017]
式中：i表示子流域的编号；j表示土壤质地的编号，j＝1,2,3分别代表砂土、粉砂土和粘土；
[0018]
rate
i,j
表示第i个子流域中第j种土壤质地所占的面积百分比；
[0019]
area
i,j
表示第i个子流域中第j种土壤质地所占的面积；
[0020]
area
i
表示第i个子流域的面积；
[0021]
步骤5，土壤稳定下渗率的计算：
[0022]
首先获取该研究流域各子流域的砂土、粉砂土和粘土，然后按照步骤4中得到的各个子流域的这三种土壤质地的比例将三种土壤混合均匀得到各个子流域的混合土壤，最后通过土壤下渗实验，得到各个子流域的稳定下渗率。
[0023]
进一步的，步骤1中数字高程数据获取过程中，首先查看所研究流域是否在一个经纬度条带的范围内，如果研究流域在一个经纬度条带的范围内，则直接下载该条带的数字高程数据，否则，则下载包含该研究流域的多个经纬度条带的数字高程数据，并通过gis的空间分析工具将几个条带的数字高程数据进行合并，处理成一整幅数字高程图。
[0024]
进一步的，步骤5中所述土壤下渗实验具体为：
[0025]
(1)首先，在圆筒底部隔栅上铺一张定性滤纸，之后把某一子流域的混合土壤装入圆筒中，直至土柱的顶端位于圆筒进水孔的下缘，当圆筒装好土样后，在土面上再盖一层定性滤纸；
[0026]
(2)将水灌入马氏瓶，直到马氏瓶中的水面到排气阀出口高度为止，关闭排气阀，把圆筒的上部不填土的部分迅速注满一层1cm～3cm的水层，同时迅速打开马氏瓶的放水阀，并开始计时，此时土柱圆筒上方水位由供水装置维持住，并向其连续供水，供水量可从供水装置上读出，每分钟测一次，直到土样发生渗透，且土柱下端出水达到稳定为止；
[0027]
(3)记录每次读数的时间间隔以及马氏瓶的度数，然后根据如下公式(2) 计算各时段的下渗率：
[0028]
f＝(d2‑
d1)
×
l
×
w/(π
×
r2)/δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0029]
式中，f表示下渗率；d2表示时段末的马氏瓶度数；d1表示时段初的马氏瓶读数；l表示马氏瓶底面的长，w表示马氏瓶底面的宽，r表示装土的圆筒的内半径；δt表示时段长度；
[0030]
(4)下渗率f的值会随时间逐渐变小，直至达到最小，然后保持这个值不再发生变化，这个稳定的最小的下渗率的值就是所要推求的子流域的稳定下渗率。
[0031]
本发明相比现有技术的有益效果为：
[0032]
本发明所述的基于土壤质地推求流域稳定下渗率的方法，通过计算子流域的土壤质地比例，对子流域的土壤按照土壤质地比例制作混合土壤，并对其进行下渗实验，从而得到该子流域的稳定下渗率。本发明所述方法，在掌握资料较少的情况下，通过较简单的操作仍旧可以得到有物理基础的、能够反映子流域土壤总体下渗特征的稳定下渗率。
附图说明
[0033]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
[0034]
图1为实施例1所述临沂以上流域水文站分布图；
[0035]
图2为实施例1所述四个分片的数字高程数据；
[0036]
图3为实施例1所述临沂以上流域砂土分布图；
[0037]
图4为实施例1所述临沂以上流域粘土分布图；
[0038]
图5为实施例1所述临沂以上流域粉砂土分布图；
[0039]
图6为实施例1所述子流域边界图；
[0040]
图7为实施例1所述砂土分布图；
[0041]
图8为实施例1所述黏土分布图；
[0042]
图9为实施例1所述粉砂土分布图。
具体实施方式
[0043]
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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描绘的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0044]
实施例1
[0045]
本实施例以山东沂河临沂以上流域为例，提供了一种基于土壤质地推求流域稳定下渗率的方法。
[0046]
如图1所示，沂河临沂站以上流域位于东经117度到119度，北纬35度到 36.5度之间，集水面积10315km2，河道长227.8km。地势西北高，向东南部平原倾斜。由于沂河上有地势复杂，形成了众多的支流。流域面积在20km2以上的一级支流共36条。流域内山丘区约占68％，平原区约占32％。沂河流域属温带季风区大陆性气候，流域多年平均降水量813mm，汛期降雨量600mm，约占年降水量的73.9％，观测数据完整的的水文站有6个。
[0047]
本实施例稳定下渗率的推求方法具体包括以下步骤：
[0048]
步骤1，资料的收集与整编：
[0049]
收集临沂站以上数字高程数据，在地里空间数据云下载dem数字高程数据，通过查询临沂以上流域的经纬度范围为：(117，35，119，36.5)，因为研究流域较大，所以下载的是四个分片，分别为astgtm_n36e118f.img、 astgtm_n35e117f.img、astgtm_n35e118f.img、astgtm_n36e117f.img。
[0050]
由于下载的四个分片是包含了多个经纬度条带的数字高程数据，因此需要通过gis的空间分析工具将4个条带的数字高程数据进行合并，处理成一整幅数字高程图，如图2所示。同时收集中国的土壤质地数据(见图3，图4，图5)。
[0051]
步骤2，流域面文件的获取：
[0052]
在gis中加载步骤1中的数字高程数据，通过gis的空间分析工具，按照研究流域的大致范围剪切加载的数字高程数据，得到包含研究流域的较小的数字高程数据，然后在gis中通过hec
‑
geohms工具对该数据做流域分析，提取研究流域，由于临沂以上流域有实测资料的雨量站数量较少，所以采用自然流域划分法划分子流域，得到包含子流域边界的.shp文件，见图6。
[0053]
步骤3，子流域土壤地质数据的提取：
[0054]
根据在步骤2中得到的包含子流域边界的.shp文件以及步骤1中收集的中国土壤质地数据，通过gis的空间分析工具，在gis中提取各子流域的土壤质地数据，如图7
‑
图9所示。
[0055]
步骤4，统计各子流域每种土壤质地所在的百分比：
[0056]
通过gis统计工具，按照以下公式(1)计算统计各子流域中每种质地的土壤所占的面积百分比：
[0057][0058]
式中：i表示子流域的编号；j表示土壤质地的编号，j＝1,2,3分别代表砂土、粉砂土和粘土；
[0059]
rate
i,j
表示第i个子流域中第j种土壤质地所占的面积百分比；
[0060]
area
i,j
表示第i个子流域中第j种土壤质地所占的面积；
[0061]
area
i
表示第i个子流域的面积。
[0062]
统计各子流域每种土壤质地所在的百分比，见下表1。
[0063]
表1各子流域土壤成分比例表
[0064][0065]
步骤5，土壤稳定下渗率的计算：
[0066]
首先获取该研究流域各子流域的砂土、粉砂土和粘土，然后按照步骤4中得到的各个子流域的这三种土壤质地的比例将三种土壤混合均匀得到各个子流域的混合土壤，最后通过土壤下渗实验，得到各个子流域的稳定下渗率。
[0067]
所述土壤下渗实验的具体步骤为：
[0068]
(1)首先把某一子流域的混合土壤装入圆筒中，每装5cm就夯实一次，直至土柱的顶端位于圆筒进水孔的下缘。
[0069]
需要注意的是：装土前在圆筒底部隔栅上铺一张定性滤纸；当圆筒装好土样后，在土面上再盖一层定性滤纸。
[0070]
(2)将水灌入马氏瓶，直到马氏瓶中的水面到排气阀出口高度为止，关闭排气阀。把圆筒的上部不填土的部分迅速注满一层2cm的水层，注入时动作要轻，防止土面被冲击而破坏。同时迅速打开马氏瓶的放水阀，并开始计时。此时土柱筒上方水位可由供水装置维持住，并向其连续供水，供水量可从供水装置上读出，从开始供水开始计时，由于本发明只是为了推求子流域土样的稳定下渗率，所以每分钟测一次，直到土样发生渗透，且土柱下端出水达到稳定为止(即两相邻时段内，马氏瓶的度数差值相等)。
[0071]
(3)记录每次读数的时间间隔以及马氏瓶的度数，然后根据如下公式(2) 计算各时段的下渗率：
[0072]
f＝(d2‑
d1)
×
l
×
w/(π
×
r2)/δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0073]
式中，f表示下渗率；d2表示时段末的马氏瓶度数；d1表示时段初的马氏瓶读数；l表示马氏瓶底面的长，w表示马氏瓶底面的宽，r表示装土的圆筒的内半径；δt表示时段长度。
[0074]
(4)下渗率f的值会随时间逐渐变小，直至达到最小，然后保持这个值不再发生变化，这个稳定的最小的下渗率的值就是稳定下渗率的值，也就是所要推求的子流域的稳定下渗率。
[0075]
最终计算得到各子流域的稳定下渗率如表2所示。
[0076]
表2各子流域稳定下渗率
[0077]