新安江流域水文模型

新安江流域水文模型四川大学水电学院-9-第二章新安江流域水文模型60年代初，河海大学(原华东水利学院)水文系赵人授等开始研究蓄满产流模型，配合一定的汇流计算，将模型应用于水文预报和水文设计。1973年，他们在对新安江水库做人库流量预报的工作中，把他们的经验归纳成一个完整的降雨径流流域模型——新安江模型。模型可用于湿润地区和半湿润地区的湿润季节径流模拟和计算。最初的新安江模型为两水源模型，只能模拟地表径流和地下径流。80年代初期，模型研制者将萨克拉门托模型与水箱模型中，用线性水库函数划分水源的概念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型，模型可以模拟地面径流、壤中流、地下径流。1984至1986年，又提出了四水源新安江模型，可以模拟地面径流、壤中流、快速地下径流和慢速地下径流。三水源新安江模型一般应用效果较好，但模拟地下水丰富地区的日径流过程精度不够理想。在新安江三模型中增加慢速地下水结构就成为四水源新安江模型。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。分块模型把流域分成许多块单元流域，对每个单元流域做产、汇计算，得到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，就求得了流域出口的总出流过程。划分单元流域的主要目的是处理降雨分布的不均匀性，因此单元流域应当大小适当，使得每块面积上的降雨分布比较均匀．并有一定数目的雨量站。其次尽可能使单元流域与自然流域相一致，以便于分析与处理问题，并便于利用已有的小流域水文资料。如果流域内有大中型水库，则水库以上的集水面积即应作为一个单元流域。因为各单元流域的产汇、流计算方法基本相同，以下只讨论一个单元流域的情况。2.1新安江两水源模型1．模型结构和参数新安江两水源模型的产流子模型采用蓄满产流模型，蒸发计算采用三层蒸发计算模型。利用稳定下渗率FC将径流划分为地面径流和地下径流两种水源。地面径流采用单位线汇流，地下径流采用一次线性水库汇流。模型把流域面积划分为透水面积和不透水面积两部分，不透水面积上的降水在满足蒸发后将直接转化为地面径流。透水面积上将发生下渗，下渗的水量一部分存储于土壤层，后期耗于蒸发；满足了流域土壤蓄水容量后的下渗水量才能转化为径流。不透水面积用参数IMP表示，它是用流域内不透水面积占全流域面积的百分比表示的。新安江模型的输出是流域出流过程tQ～和流域蒸散发过程tE～，输入则为时段降雨量P、蒸发皿观测蒸发量EI。新安江两水源模型共有9个参数，一条单位线。K——流域蒸发折算系数，是流域蒸散发能力与蒸发皿蒸发量之比；C——深层蒸散发系数；新安江流域水文模型四川大学水电学院-10-IMP——不透水面积占全流域面积的百分比，％；mW——流域平均蓄水容量(指张力水)，mm；WUM——流域平均上层蓄水容量,mm；WLM——流域平均下层蓄水容量,mm；B——蓄水容量曲线指数；FC——稳定下渗率hmm/；KKG——地下水消退系数；UH——单位线。模型结构如下图所示：图0新安江两水源模型结构示意图图中方框内标注为状态变量，方框外标注的是模型参数。2．模型参数的调试当模型初定后就可上机调试，在调试的过程中，应注意各参数的径流响应特征，以及参数之间相依性的影响，以便调试能有目的地顺利进行。以下简介的调试技术可供参考。流域蒸发折算系数K的调试，对一个具体流域来说，此参数完全靠优选。调试此参数主要考察年径流模拟误差，当年径流模拟误差达最小时，此值最优，但个别参数的最优并不表示模型总体最优。根据现有经验，年径流模拟误差控制在5％～8％左右就可以了。流域平均蓄水容量mW的调试，一般根据实测的降雨径流资料分析或经验选取后，适当微调即可。经验选定后，此值调试范围不大，比较容易确定。通常在南方湿润地区mW可选80～150mm左右，江淮一带约在110mm左右,燕山东北东部地区，选150mm左右。新安江流域水文模型四川大学水电学院-11-流域平均上层蓄水容量WUM，一般取10～20mm，流域平均下层蓄水容量WLM一般取60～90mm。蓄水容量曲线指数的调试，B表示流域蓄水容量分布的不均匀性，当全流域蓄满后，这个参数就不起作用了，因此，应该选取流域没有达到蓄满的那些洪水点据作为调试的依据。此值一般在0.2～0.5之间取值。注意B值与mW值之间有相依性，二者对径流模拟的结果相互有影响。稳定下渗率FC的调试，FC对水源划分起决定性作用，但至今对FC的研究还不充分，目前可对FC作一些简单处理，如果FC取为一个常数使模拟效果不好时，可考虑FC作为变动参数。考察FC是否合适主要观察地下径流的模拟精度。地下水消退系数KKG的调试，主要观察洪水退水段的拟合精度。不透水面积参数IMP对模型拟合精度影响很小，一般取0～0.05。2.2新安江三水源模型一、新安江三水源模型结构新安江三水源模型包括4个计算环节：流域产流计算；径流的划分；蒸散发计算；汇流计算。流域的产流计算和蒸散发计算与新安江二水源模型相同，水源划分则完全不同，因此汇流计算也不相同。新安江三水源模型结构示意图如下蒸散发E降雨P、蒸散发能力Ep上层WU下层WL深层WD自由水S透水面积1-IMP不透水面积IMP地下径流RG地面径流RS壤中流RI地面径流汇流HU壤中流汇流地下径流汇流SMEXKSSKG上层蒸发EU下层蒸发EL深层蒸发ED降雨径流总流量Q图1.新安江三水源模型示意图QSQIQG二、新安江三水源模型流域产流计算新安江模型产流部分的计算是蓄满产流模式，蓄满产流指在流域包气带土新安江流域水文模型四川大学水电学院-12-湿满足田间持水量以前不产流，所有的降雨都被土壤吸收；而在土湿达到田间持水量之后，所有的降雨（除去同期的蒸散发）都产流。在产流后，流域包气带土壤的下渗能力为稳定下渗率，下渗的水分成为地下径流和壤中流，超蓄的部分成为地面径流。考虑到流域内各点的蓄水容量并不相同，实际产流时常常是在部分面积上产流，新安江模型引入流域蓄水容量曲线来刻划流域内各点蓄水容量的不均匀性，把流域内各点的蓄水容量概化成如图2.3所示的一条抛物线（也可概化成其它函数形式），其方程为：bmmmWWFf'11（2-1）式中：FRFf为产流面积；'mW——是点蓄水容量,mm；f——是蓄水容量小于等于蓄水量'mW的全部点的面积,2Km；F——是单元流域面积,2Km；b——是蓄水容量曲线指数。mmW——是流域内点最大蓄水容量,mm；其与流域平均蓄水容量MW的关系为:MmmWbW1（2-2）引入蓄水容量曲线后，在降雨过程中，只有在满足了包气带蓄水容量的面积上才可能产生径流，其余面积上不产生径流。扣除蒸发后的有效降雨量eP中，未转化为净雨产流量R的水分通过下渗进入流域包气带土层，补充土层蓄水量W。引入流域蓄水容量曲线后的产流计算式为：当mmeWaP时为部分面积产流bmmeMMeWaP1101（2-3）当mmeWaP时为全流域面积产流0WWPRMe（2-4）式中：eP——为有效降雨量，EPPe；a——为与流域土壤初始蓄水量0W相应的前期影响雨量，由下式计算W0PeW’m△R△Wa△Pef/F1.0W’mm图2:流域蓄水容量分布曲线新安江流域水文模型四川大学水电学院-13-bMmm（2-5）三、新安江三水源模型水源划分1．不考虑自由水蓄水容量分布不均匀的划分方法求得的产流量R包括地面径流RS、壤中流RI和地下径流RG三部分。新安江三水源模型用一个自由水蓄水库解决水源划分，自由水蓄水库有两个出流孔，底孔为地下径流RG出流孔，边孔为壤中流RI出流孔。新安江模型考虑了产流面积（ePRFR/）的变化，自由水蓄水库实际只发生在产流面积上，其底宽为产流面积FR，显然它是随时间变化的。产流量R进入水库即在产流面积上产生eP的径流深，也就是自由水蓄水库所增加的蓄水深，当自由水蓄水深S超过其最大值mS时，超过部分成为地面径流RS。壤中流RI和地下径流RG按线性水库出流，其出流系数分别为KI和KG。底孔出流量RG和边孔出流量RI分别进入各自的水库，并按线性水库的退水规律流出，分别成为地下水出流QG和壤中流出流QI。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。水源划分示意图见图3。水源划分计算式为：FRSSmRRSKGQGQIRI图3:自由水蓄水库结构地面径流计算式：当meSSP0meSSPRS0（2-6）当meSSP00RS（2-7）壤中流计算式：SKIRI（2-8）地下径流计算式：SKGRG（2-9）新安江流域水文模型四川大学水电学院-14-注意每步计算时应将自由水蓄水库的蓄量S折算为当前时段产流面积上的深度。2.考虑自由水蓄水容量分布不均匀的划分方法流域自由水蓄水容量实际上也是不均匀的，作为图3表示的水源划分方法的改进，人们引入流域自由水蓄水容量分布曲线来刻化自由水蓄水量的不均匀性，其线型与流域蓄水容量曲线类似，曲线见图4，曲线方程如下式。bxmmmSSFf'11（2-10）式中：FRFf为产流面积；'mS——是点自由水蓄水容量；f——是自由水蓄水容量小于等于蓄水量'mS的全部点的面积；F——是单元流域面积；bx——是自由水蓄水容量曲线指数。mmS——是流域内点最大自由水蓄水容量；与流域平均自由水蓄水容量MS的关系为：MmmSbxS1（2-11）由于认为在产流面积上才有自由水，因此，产流面积FR上的点最大自由水蓄水容量Smmf是随产流面积FR变化而变化的，见图4。对当前时段，已知FR，则将其代人（2-10）得bxmmSSmmfFfFR11（2-12）新安江流域水文模型四川大学水电学院-15-从（2-12）解出Smmf得：bxmmFRSSmmf111（2-13）同样，在产流面积FR上的自由水平均蓄水容量Smf与该面积上的点最大自由水蓄水容量Smmf的关系为：SmfbxSmmf1（2-14）在划分水源时，产流面积上的只有在满足了蓄水容量的水库面积上才可能产生地面径流RS；其余面积上不产生地面径流。进入水库的水分扣除地面径流量RS后，剩余的补充水库蓄水量S，这时的水源划分计算式为：⑴地面径流出流当SmmfAuPe时为部分面积产流bxeeSmmfAuPSmfSSmfPRS1101（2-15）当SmmfAuPe时为全流域面积产流0SSmfPRSe（2-16）式中：uAeP0SRS1.0FR'FRmmSSmmfP新安江流域水文模型四川大学水电学院-16-0S——为计算时段初的自由水蓄水库的蓄水量（用产流面积上的平均深度表示）；Au——为计算相应于0S的自由水蓄水库前期影响入流量，由下式计算；bxSmfSSmmfAu11011（2-17）进入水库的水分扣除地面径流量RS后，剩余的补充水库蓄水量S：RSPSSe0（2-18）自由水蓄水库的时段入流量为时段产流量R，但由（2-3）或（2-4）计算的产流量R是用流域平均水深表示的水量，应将R折算为产流面积上表示的水深。可以证明R折算为产流面积上表示的水深值恰为流域有效降雨值eP，证明如下：fFR/为R折算为产流面积上表示的水深，根据降雨～径流关系的性质，水文学原理中已经证明相对产流面积Ff/与产流量R之间有关系：ePRFf（2-19）从此式可看出ePfFR/⑵壤中流出流：SKIRI（2-20）⑶地下径流出流：SKGRG（2-21）由于S，eP都是产流面积上的深度表示的水量，计算所得RS、RI、RG应折算回全流域深度表示的水量，即：RS、RI、RG在当前时段计算结束后应乘Ff/。蒸散发计算四、流域蒸散发计算蒸散发模型不考虑面上分布的不均匀性，但可考虑土湿垂向分布的不均匀性，根据需要采用两层或三层蒸散发