一种基于水势耦合的流域下渗计算方法及系统

本发明属于水文预报相关，更具体地，涉及一种基于水势耦合的流域下渗计算方法及系统。

背景技术：

1、下渗是水文过程的一个重要环节，如果把水文过程看作是不同界面上的通量交换过程，下渗则是大气与土壤界面的水量和能量交换过程，在水文过程中起着承上启下的关键作用，对上承接大气降雨，超渗形成地表径流；对下补充土壤水分，超持形成地下径流。因此，下渗对流域产流具有决定性作用，在水文模型建模过程中具有重要地位。然而，下渗属于多孔介质中的非饱和水流运动，由于介质空间结构及边界条件的复杂性，导致下渗的物理过程异常复杂。如何通过适当概化，利用现有方法体系去描述下渗的水流运动规律，达到高度近似或逼近真实物理过程的目的，一直以来都是水文学要解决的核心问题之一。

2、现有下渗计算方法主要是从点尺度或田间尺度，基于试验或理论途径得出经验型或解析型的下渗曲线，而水文模型尤其是概念性模型大都从流域尺度上整体考虑下渗，这就造成了两者计算尺度的不匹配。为解决这一难题，需采用升尺度方法将点尺度的下渗转化为流域平均下渗。现有升尺度方法对于概念性模型需假定土壤下渗能力面积分布曲线型式或水力传导度的概率分布类型，具有一定的经验性，且很难反映下渗能力或水力传导度空间分布的动态性。因此，亟需一种方法能解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于水势耦合的流域下渗计算方法及系统，解决现有技术中很难反映下渗能力或水力传导度空间分布的动态性的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，该计算方法包括下列步骤：

3、离线训练：

4、采集待计算流域的历史降雨强度和历史土壤含水量；

5、构建实际下渗率关于降雨强度和下渗能力的隐式函数关系，对该函数关系求偏导获得流域下渗水势耦合的偏微分方程组，根据实际下渗过程构建该偏分微分方程组的边界条件，利用该边界条件求解所述隐式函数关系中的积分常数，以此获得实际下渗率的显式函数关系，即流域下渗模型；

6、构建模拟土壤含水量关于所述实际下渗率的关系式，以模拟土壤含水量和所述历史土壤含水量之间的纳什效率系数为目标函数，所述流域下渗模型中待定参数的取值范围为约束条件，利用所述历史降雨强度求解在目标函数最大时对应的所述待定参数的值；

7、在线计算：

8、获取待计算流域的实时降雨强度和实时土壤含水量，并将该实时降雨强度、实时土壤含水量和所述待定参数的值带入所述流域下渗模型中，计算获得待计算流域的实时下渗率。

9、进一步优选地，在离线训练中，所述隐式函数关系如下：

10、fa＝g(i,fp,fa)

11、其中，g是待定函数，fa是实际下渗率，fp是下渗能力，i是降雨强度。

12、进一步优选地，在离线训练中，所述偏微分方程组如下：

13、

14、其中，f和g均是待定函数。

15、进一步优选地，在离线训练中，所述边界条件如下：

16、0阶边界条件

17、1阶边界条件

18、其中，fa是实际下渗率，fp是下渗能力，i是降雨强度。

19、进一步优选地，在离线训练中，所述显式函数关系如下：

20、

21、其中，fa是实际下渗率，fp是下渗能力，i是降雨强度，n是土壤特性参数。

22、进一步优选地，所述下渗能力如下：

23、

24、其中，fc为稳定下渗率；kf为土壤缺水量对下渗率影响的灵敏系数；wm为流域平均蓄水容量，以上参数均为待定参数。

25、进一步优选地，所述模拟土壤含水量关于所述实际下渗率的关系式如下：

26、

27、其中，wt+1、wt分别是t+1和t时刻模拟土壤含水量，et是t时刻蒸散发量，△t为计算时段。

28、进一步优选地，所述待定参数为稳定下渗率fc，流域平均蓄水容量wm、土壤缺水量对下渗率影响的灵敏系数kf和土壤特性参数n。

29、按照本发明的另一个方面，提供了一种基于水势耦合的流域下渗计算系统，包括处理器，所述处理器用于执行上述所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法。

30、按照本发明的又一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法。

31、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

32、1.本发明以系统论的视角，从水量和能量耦合的角度，概化出流域下渗的偏微分方程并求其解析解，得出流域下渗水势耦合方程，从而创建反映下垫面空间异质性的流域下渗模型，利用该模型计算实际下渗率，计算结果精度高；

33、2.本发明提出的流域水势耦合下渗模型，是一种流域尺度天然非均质土壤的下渗方程，能够更好的反映流域下垫面空间异质性对下渗过程的影响，从而可以更加真实反映流域的下渗过程。

技术特征：

1.一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，在离线训练中，所述隐式函数关系如下：

3.如权利要求1或2所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，在离线训练中，所述偏微分方程组如下：

4.如权利要求1或2所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，在离线训练中，所述边界条件如下：

5.如权利要求1或2所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，在离线训练中，所述显式函数关系如下：

6.如权利要求5所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，所述下渗能力的关系式如下：

7.如权利要求1或2所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，在离线训练中，所述模拟土壤含水量关于所述实际下渗率的关系式如下：

8.如权利要求6所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法，其特征在于，在离线训练中，所述待定参数为稳定下渗率fc、土壤缺水量对下渗率影响的灵敏系数kf、流域平均蓄水容量wm和土壤特性参数n。

9.一种基于水势耦合的流域下渗计算系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1-8任一项所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的一种基于水势耦合的流域下渗计算方法。

技术总结本发明属于水文预报相关技术领域，并公开了一种基于水势耦合的流域下渗计算方法及系统。该方法包括下列步骤：S1采集待计算流域的逐时段降水量和土壤含水量，并利用所述逐时段降水量计算降雨强度；S2解析流域尺度实际下渗率与降雨强度和下渗能力的显式函数关系，构建基于水势耦合的流域下渗模型；S3对流域下渗模型中的下渗能力和土壤特性参数进行率定；S4将采集获得的实时降雨强度和土壤含水量带入S3率定的流域下渗模型中，计算获得所需的实时下渗率。通过本发明，更好的反映流域下垫面空间异质性对下渗过程的影响，从而可以更加真实反映流域尺度天然非均质土壤的下渗过程。技术研发人员：闫宝伟,常建波,孙明博,古东霖,杜世雄,周学叡,杨东旭受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12