第四章 新安江流域水文模型

河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－第四章新安江流域水文模型1概述2新安江模型的基本原理3新安江模型的结构蒸散发计算产流量计算水源划分汇流计算4新安江模型的参数模型参数的物理意义模型参数的率定河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－流域水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统模型。在水文预报中，概念性模型和系统模型应用较多，此处主要介绍概念性流域水文模型。概念性流域水文模型属于数学模型，它与物理模型相比，具有许多优点：一是它的所有条件均可由原型观测资料直接给出，不受比尺的限制，即数学模型无相似律问题；二是它的边界条件及其它条件可严格控制，也可随时按实际需要改变；三是它的通用型较强，只要研制出一种适用的应用软件，就可用来解决不同的实际问题；四是它具有理想的抗干扰性能，只要条件不变，重复模拟可以得到相同的结果，不会因人、因地而异；五是它的研制费用相对较低。因此，流域水文模型的研制和应用受到水文学家和水文工作者的普普遍重视。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－世界上第一个流域水文模型－Stanford模型出现在20世纪60年代，目前全世界已提出数以百计的流域水文模型。主要包括由美国天气局V.T.Sitten提出的API模型、N.H.Crawford和R.K.Linsley提出的斯坦福模型以及R.J.C.Bernash等提出的萨克拉门托模型，日本国立防灾科学研究中心菅原正已教授提出的水箱模型，丹麦技术大学提出的NAM模型，以及原华东水利学院赵人俊教授提出的新安江模型。这些概念性水文模型对流域的降雨径流过程进行了较为细致的模拟。由于这些模型具有较好的结构形式和良好的模拟预报精度，因此在洪水实时预报中得到广泛地应用。本文主要介绍国内应用最为广泛的新安江三水源模型。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－原华东水利学院的赵人俊教授于1963年初次提出湿润地区以蓄满产流为主的观点，主要根据是次洪的降雨径流关系与雨强无关，而只有用蓄满产流概念才能解释这一现象。上个世纪70年代国外对产流问题展开了理论研究，最有代表性的著作是1978年出版的《山坡水文学》，它的结论与赵人俊先生的观点基本一致：传统的超渗产流概念只适用于干旱地区，而在湿润地区，地面径流的机制是饱和坡面流，壤中流的作用很明显。20世纪70年代初建立的新安江模型采用蓄满概念是正确的。但对于湿润地区，由于没有划出壤中流，导致汇流的非线性程度偏高，效果不好。80年代初引进吸收了山坡水文学的概念，提出三水源的新安江模型。新安江模型的基本原理河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型是分散性模型，可用于湿润地区与半湿润地区的湿润季节。当流域面积较小时，新安江模型采用集总模型，当面积较大时，采用分块模型。它把全流域分为许多块单元流域，对每个单元流域作产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程。再进行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量过程。把每个单元流域的出流过程相加，就求得了流域的总出流过程。新安江模型的基本原理河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－该模型按照三层蒸散发模式计算流域蒸散发，按蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量，采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。在径流成分划分方面，对三水源情况，按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。在汇流计算方面，单元面积的地面径流汇流一般采用单位线法，壤中水径流和地下水径流的汇流则采用线性水库法。河网汇流一般采用分段连续演算的Muskingum法或滞时－演算法，但它一般不作为新安江模型的主体。新安江模型的基本原理河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－概念性模型的结构应该反映客观水文规律，参数应该代表流域的水文特征，把模型设计成为分散性的，主要是为了考虑降雨分布不均的影响，其次也便于考虑下垫面条件的不同及其变化。降雨分布不均，不但对汇流产生明显的影响，而且对产流也产生明显的影响。如果采用集总性模型，应用面平均雨量来进行计算，误差可能很大，而且是系统性的。新安江模型的基本原理新安江模型按泰森多边形法分块，以一个雨量站为中心划一块。这种分法便于考虑降雨分布不均，不考虑其它的分布不均。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的流程图见图。图中输入为实测降雨P和实测蒸散发能力EM，输出为流域出口断面流量Q和流域蒸散发量E。方框内是状态变量，方框外是常数常量。模型主要由四部分组成，即蒸散发计算、产流量计算、水源划分和汇流计算。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－蒸散发计算新安江三水源模型中的蒸散发计算采用的是三层蒸发计算模式，输入的是蒸发器实测水面蒸发和流域蒸散发能力的折算系数K，模型的参数是上、下、深三层的蓄水容量WUM、WLM、WDM(WM=WUM+WLM+WDM)和深层蒸散发系数K。输出的是上、下、深各层的流域蒸散发量EU、EL和ED(E=EU+EL+ED)。计算中包括三个时变参量，即各层土壤含水量WU、WL和WD(W=WU+WL+WD)。以上的WM、E、W分别表示总的流域蓄水容量、蒸散发量、土壤含水量新安江模型的结构河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－蒸散发计算原理各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层蒸发与蒸散发能力及下层含水量成正比，与下层蓄水容量成反比。要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于深层蒸散发系数。否则，不足部分由下层含水量补给,当下层水量不够补给时，用深层含水量补充。新安江模型的结构河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－当EPWUEP时，EPEU，0EL，0ED当EPWUEP时，WUEPEU若WLMCWL，则WLMWLEUEPEL)(，0ED若WLMCWL且)(EUEPCWL，则)(EUEPCEL，0ED若WLMCWL且)(EUEPCWL，则WLEL，WLEUEPCED)(蒸散发计算河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－产流量计算产流量计算系根据蓄满产流理论得出的。所谓蓄满，是指包气带的含水量达到田间持水量。在土壤湿度未达到田间持水量时不产流，所有降雨都被土壤吸收，成为张力水。而当土壤湿度达到田间持水量后，所有降雨(减去同期蒸发)都产流。作产流计算时，模型的输入为PE，参数包括流域平均蓄水容量WM和抛物线指数B；输出为流域产流量R及流域时段末土壤平均蓄水量W。新安江模型的结构河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构BmmmWWFf)1(1式中：mmW为流域内最大的点蓄水容量；mW为流域内某一点的蓄水容量；f为蓄水容量mW值时的流域面积；F为流域面积；B为抛物线指数。产流量计算一般说来，流域内各点的蓄水容量并不相同，新安江三水源模型把流域内各点的蓄水容量概化成一条抛物线，即河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构－产流量计算流域蓄水容量曲线河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构－产流量计算据此可求得流域平均蓄水容量为mmWmmmBWWFfWM01d)1(与流域初始平均蓄水量0W相应的纵坐标(A)为])1(1[110BmmWMWWA当0EPPE时，则产流；否则不产流。产流时，当mmWAPE，则BmmWAPEWMWWMPER10)1(当mmWAPE，则)(0WWMPER河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分三水源新安江模型用自由水蓄水库结构以解决水源划分问题。按蓄满产流模型求出的产流量R，先进入自由水蓄量，再划分水源。此水库有两个出口，一个底孔形成地下径流RG，一个边孔形成壤中流RSS，其出流规律均按线性水库出流。由于新安江模型考虑了产流面积FR问题，所以这个自由水蓄水库只发生在产流面积上，其底宽FR是变化的，产流量R进入水库即在产流面积FR上，使得自由水蓄水库增加蓄水深，当自由水蓄水深S超过其最大值SM时，超过部分成为地面径流RS。模型认为，蒸散发在张力水中消耗，自由水蓄水库的水量全部为径流。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分底孔出流量RG和边孔出流量RSS分别进入各自的水库，并按线性水库的退水规律流出，分别成为地下水总入流TRG和壤中流总入流TRSS。并认为地面径流的坡地汇流时间可以忽略不计。所以地面径流可认为与地面径流的总入流相同。由于产流面积FR上自由水的蓄水容量还不能认为是均匀分布的，即SM为常数不太合适，要考虑SM的面积分布。这实际上就是饱和坡面流的产流面积不断变化的问题。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分模仿张力水分布不均匀的处理方式，把自由水蓄水能力在产流面积上的分布也用一条抛物线来表示EXSMMFFSMFRFS)1(1式中：FSM为产流面积FR上某一点的自由水容量；SMMF为产流面积FR上最大一点的自由水蓄水容量；FS为自由水蓄水能力FSM值的流域面积；FR为产流面积；EX为流域自由水蓄水容量曲线的指数。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构－水源划分流域自由水蓄水容量曲线河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分S为流域自由水蓄水容量曲线上的自由水在产流面积上的平均蓄水深；AU为S对应的纵坐标。产流面积上的平均蓄水容量深(SFM)为S在自由水蓄水容量曲线上S相应的纵坐标U为EXSMMFSMF1]))1(1[11EXSMFSSMMFAU河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分显然，SMMF和SMF都是产流面积FR的函数，而产流面积是变量，故此无法确定。这里假定SMMF与产流面积FR及全流域上最大一点的自由水蓄水容量SMM的关系仍为抛物线分布EXSMMSMMFFR)1(1SMMFRSMMFEX])1(1[1)1(EXSMSMM流域的平均自由水容量SM和抛物线指数EX对于一个流域来说是固定的，属于模型率定的参数。已知SM和EX，就可以得到SMMF。河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分已知上时段的产流面积FR0和产流面积上的平均自由水深S0，根据时段产流量R，计算时段地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG及本时段产流面积FR和FR上的平均自由水深S的步骤是PERFR/FRFRSS/00)1(EXSMSMM])1(1[/1EXFRSMMSMMF)1/(EXSMMFSMF]))1(1[11EXSMFSSMMFAU河海大学水资源环境学院黄国如第四章新安江流域水文模型－2002.12－新安江模型的结构水源划分已知上时段的产流面积FR0和产流面积上的平均自由水深S0，根据时段