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申请/专利权人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院

摘要：本发明公开一种流域水土保持措施错峰削洪拦沙的评估方法。本发明涉及流域水文、土壤侵蚀、泥沙输移的计算机模型模拟技术领域，解决现有土壤侵蚀模型不能用于梯田、坝库工程等对洪水泥沙的削减拦蓄的问题。该方法包括根据流域多源数据构建分布式水沙物理模型数据库；流域水文过程模拟；土壤侵蚀过程模拟；水土保持措施的错峰削洪的模拟计算；沟道坝库工程的错峰削洪拦沙模拟计算；构建流域水沙分布式水沙模拟系统，将梯田与沟道坝库工程的调蓄方程嵌入流域水沙分布式水沙模拟系统中；水土保持措施错峰削洪拦沙评估；本发明充分考虑了水土保持措施的空间分布特征，明确了水利水保工程的级联分布对河道洪水泥沙过程的削峰减洪拦沙效应。

主权项：1.一种流域水土保持措施错峰削洪拦沙的评估方法，其特征在于，包括：步骤1、获取流域多源数据，根据流域多源数据构建分布式水沙物理模型数据库；流域多源数据包括遥感解译得到的植被类型、植被盖度空间分布数据，野外气象站监测的降雨、气温、湿度、风速、太阳辐射气象数据，地形图或数字高程模型数据，土壤类型数据和土壤属性数据，水文站定位监测的径流、含沙量数据；步骤2、基于分布式水沙物理模型数据库，进行流域水文过程模拟；采用Python语言和GIS技术，通过GIS栅格数据的多图层叠加，并实现时间序列逐步长数值计算，以栅格为计算单元，进行蒸散发、冠层截留、产流及汇流计算，模拟水文过程；步骤3、基于分布式水沙物理模型数据库，进行土壤侵蚀过程模拟；流域场次洪水的土壤侵蚀与泥沙输移模型考虑了三个连续的过程：降雨击溅、径流冲刷和泥沙输移；步骤4、水土保持措施的错峰削洪的模拟计算，在梯田分布的栅格内使用梯田模块进行模拟，并使用垂向混合产流模式，栅格间的水沙过程模拟基于原径流和泥沙模块；梯田模块属于单独模块模拟，再根据梯田比例将其模拟结果输入至原模型中；步骤4包括：步骤4.1计算水流汇入梯田的水量，即切坡段汇入梯田的水量： 式中：为汇入梯田的水量；为梯田切坡段的长度；为梯田平坡段的长度；为梯田切坡段的地表产流量；为梯田的总面积；步骤4.2、泥沙输入梯田的量，采用分段式进行计算： 式中：是梯田的泥沙输入量；是切坡段产生的侵蚀量；步骤4.3、泥沙沉积采用基于斯托克斯公式的池塘泥沙沉积公式计算泥沙在梯田中的沉积量： 式中：为梯田中的泥沙沉积量；为泥沙沉积前的泥沙浓度；为泥沙沉积后的泥沙浓度；为梯田的拦水量；为梯田拦水体积中泥沙沉浮平衡的最大浓度；为梯田泥沙衰减常数；为时间步长天数；为泥沙中值粒径；为此前梯田内剩余的泥沙量；泥沙中值粒径使用如下经验式计算： 式中：为粘粒所占百分比；为粉粒所占百分比；为沙粒所占百分比；梯田中的泥沙沉积体积： 式中：为梯田中的沉积泥沙体积；为坡面土壤容重；步骤4.4、进行梯田平坡段的蒸散发计算： 式中：为梯田的实际蒸散发量；为平坡段叶面积指数；为不发生蒸散发的叶面积指数；为潜在蒸散发量；步骤4.5、根据汇入流量在梯田平坡段使用垂向混合产流模式进行入渗计算，以有效降雨量和切坡段汇入水量及此前拦水量之和再去除蒸散发量作为输入，扣除入渗量的部分为当前梯田完成入渗计算后的梯田拦水量；步骤4.6、梯田拦水超过田埂导致拦水体积超过最大拦水量形成溢流出流： 式中：为溢流水量；为梯田最大拦水量；步骤4.7、根据溢流排水量和泥沙浓度计算泥沙出流量： 式中：为溢流出流泥沙量；步骤4.8、进行梯田水量平衡演算： 步骤4.9、进行梯田泥沙平衡演算： ；步骤5、沟道坝库工程的错峰削洪拦沙模拟计算，采用基于物理过程产汇流和输沙过程模拟模块进行计算，将沟道坝库工程视为单一个体，通过沟道坝库工程上游来水来沙、水沙平衡，考虑沟道坝库工程沉积、出流和泥沙输出过程；步骤5包括：步骤5.1、坝库工程上游来水量根据上游的流量和模拟步长计算， 式中：为坝库工程上游来水体积；为径流量；为每时间步长经过的秒数；步骤5.2、坝库工程中降雨导致的水量增加： 式中：为坝库工程降雨增加水量；为当前时间步长降雨量；步骤5.3、坝库工程的水面蒸发量为： 式中：为坝库工程蒸发减少水量；为蒸发系数，常取；为潜在蒸散发；步骤5.4、模型采用物质平衡来模拟泥沙进出水体的铜梁；在计算通过水体的泥沙运动时，假设系统是完全混合的，随着泥沙进入水体，其在整个体积中瞬间完全分布；模型使用基于斯托克斯公式的池塘泥沙沉积公式计算泥沙在坝库工程中的沉积量： 式中：为坝库工程中的泥沙沉积量；为泥沙沉积前的泥沙浓度；为泥沙沉积后的泥沙浓度；为坝库工程内的储水量；为坝库工程中泥沙沉浮平衡的最大浓度；为坝库工程泥沙衰减常数；为每时间步长经过的天数；为泥沙中值粒径；为坝库工程输入的泥沙量；为坝库工程存储的泥沙量；步骤5.5、坝库工程的泥沙输出量为： 式中：为坝库工程输出的泥沙量；为坝库工程输出的水量；步骤5.6、坝库工程总的泥沙平衡方程为： ；步骤6、采用Python计算机语言结合Scipy、Numpy、Gdal模型库，构建流域水沙分布式水沙模拟系统，根据步骤4中梯田与步骤5中沟道坝库工程的调蓄方程嵌入流域水沙分布式水沙模拟系统中；步骤7、根据流域水沙分布式水沙模拟系统，进行水土保持措施错峰削洪拦沙评估。

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