[发明专利]一种坡面水沙过程耦合模拟方法

摘要

本发明涉及一种坡面水沙过程耦合模拟方法，包括：建立数字化坡面；建立侵蚀地形数据文件；数据收集与处理；水沙计算；判断；传递变量参数；模型参数的率定和模型验证；结束。本发明针对山坡尺度，利用不同分辨率的格栅DEM数据为平台，以山坡真实水沙物理过程为图景，实现了坡面降雨‑径流和侵蚀‑泥沙过程的耦合模拟计算能力，提升了模拟计算精度，可以有效还原和预测任意格栅尺度的坡面水沙过程。与已有技术相比，本发明以格栅DEM的格栅单元为基本计算单元，实现地形适应性和尺度适应性；同时基于坡面水沙物理过程模拟，能够更加深入的认识坡面水沙过程规律，支撑更多和更复杂的实践应用。

主权项

1.一种坡面水沙过程耦合模拟方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：步骤1：建立数字化坡面的步骤：用于以高分辨率格栅DEM数据为基础，使用ArcGIS水文模块为工具，采用D8法，建立以格栅为基本计算单元的坡面水文过程计算所需的地形数据、汇流关系数据文件；步骤2：建立侵蚀地形数据文件的步骤：用于以地形数据、汇流关系数据文件为基础，建立坡面侵蚀与泥沙输移过程计算所需的侵蚀地形数据文件，过程如下：不同侵蚀地貌的坡面分布密度运用不同侵蚀输沙规律；使用不同土地条件下细沟密度概念进行等高带内浅沟侵蚀计算；具体模拟过程中假定面蚀水流在整个计算单元内发生，计算单元内依据土地利用的不同，分别给出相对于裸地的衰减系数；细沟侵蚀过程模拟中细沟尺寸依据不同土地利用类型按面积比进行概化；根据具体的地形条件决定是否发生浅沟和切沟侵蚀及沟道数量；概化典型侵蚀地貌单元的断面参数及其发生的临界地形和水动力学条件；步骤3：数据收集与处理的步骤：用于收集模拟区域内及其附近的水文、气象、植被、土壤、土地利用、水土保持措施数据，其中水文气象数据包括降雨、平均风速、平均气温、日照时数、空气相对湿度，对收集到的数据按照模拟计算所需的时间步长进行处理和空间匹配处理；所述的空间匹配处理为：首先将上述数据进行空间差值和展布，形成覆盖模拟区域的空间分布数据，然后与数字化坡面的计算单元即格栅进行匹配；以上步骤1‑3是针对整个模拟区域进行的地形的数字化和数据的处理；以下步骤4‑7则是针对格栅进行的计算和模拟；从坡面顶端的格栅开始，当当前格栅计算完成后则对该格栅下游的格栅进行计算和模拟，从坡顶一直计算到坡底；步骤4：水沙计算的步骤：用于输入变量参数，进行坡面水文过程计算、坡面侵蚀与泥沙输移过程计算，所述变量参数包括模型率定参数或应用参数：步骤4‑1：所述的坡面水文过程计算为：输入变量参数，按照汇流关系数据文件，进行当前格栅中坡面水文过程计算，包括：蒸发蒸腾、入渗、地表径流、壤中径流、坡面汇流、积雪融雪计算，如果存在上游格栅则接收上游格栅的变量参数，加入到计算中；步骤4‑2：所述的坡面侵蚀与泥沙输移过程计算为：输入变量参数，进行当前格栅中坡面侵蚀与泥沙输送和移动过程的模拟和计算，所述的模拟和计算包括：雨滴溅蚀模拟、薄层水流侵蚀模拟、股流侵蚀过程模拟、重力侵蚀过程模拟，如果存在上游格栅则接收上游格栅的变量参数，加入到计算中；步骤5：判断的步骤：用于根据汇流关系数据文件给定的计算关系，进行过程计算和决定是否输出当前计算结果，如果“是”则进入“步骤7：模型参数的率定和模型验证的步骤”，表示达到了汇流关系文件给定的计算关系的要求；如果“否”则进入“步骤6：传递变量参数的步骤”，表示没有达到汇流关系文件给定的计算关系的要求,继续计算；步骤6：传递变量参数的步骤：用于收集当前栅格模拟计算所获得的变量参数，并携带这些变量参数回到“步骤4：水沙计算的步骤”，继续进行下游栅格的水沙计算，将变量参数向下一个格栅传递；步骤7：模型参数的率定和模型验证的步骤：如果“步骤4：水沙计算的步骤”输入的变量参数为模型率定参数，则通过计算偏差对水沙计算的准确度进行评价，以率定模型是否符合真实情况，并不断的调整变量参数并回到“步骤4：水沙计算的步骤”进行计算，同时不断的进行偏差计算和比较，使模型计算与实际情况的偏差达到最小，并进行模型的验证；如果“步骤4：水沙计算的步骤”输入的变量参数为应用参数则进入步骤8；步骤8：结束的步骤：用于汇集坡底所有格栅的数据，形成坡底的汇流水沙过程，并输出，结束计算过程。