ch6流域水文模型解析

LOGO第六章流域水文模型Contents流域水文模型的概念1概念性流域水文模型2分布式流域水文模型3流域水文模型研究与检验4§1流域水文模型的概念1、水文模型概述思考：什么是流域水文模型，其作用是什么?流域水文模型的物理基础河道汇流地下水汇流流域汇流流域产流§1流域水文模型的概念早期的水文分析计算大多采用一些经验相关的方法，如：相应水位（或流量）法、降雨径流相关图法、单位线法等。20世纪50年代后期先后有流量综合与水库调节、斯坦福等模型出现。这些模型从定量上分析了流域出口断面流量过程形成的全部过程。60年代先后涌现出了大量的多参数、复杂的概念性降雨径流模型，比较著名的有萨克拉门托、水箱等模型。河海大学1973年研制的新安江模型是一个分散参数的概念性降雨径流模型，在我国湿润与半湿润地区广为应用，并取得好的效果。§1流域水文模型的概念2、水文模型分类（1）按模型构建的基础分类水文模型黑箱模型物理模型概念性模型§1流域水文模型的概念思考：上述三类模型的优缺点比较。物理机制、计算复杂度、应用难易、通用性、预测和外延能力（2）按对流域水文过程描述的离散程度分类1集总式模型2半分布式模型3分布式模型PERDS§1流域水文模型的概念比较各类模型，哪种模型更优？从水文模拟和所需资料角度考虑。3、模型研究与发展从经验相关到模型研究期思考：哪些是经验相关方法？§2新安江模型－概述1973年，河海大学赵仁俊教授领导的研究组在编制新安江洪水预报方案时，汇集当时在产汇流理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计了国内第一个完整的流域水文模型—新安江流域水文模型。水源：由二水源发展为三水源。产流计算：蓄满产流汇流计算：线性水库河道汇流：马斯京根分段连续演算或滞后演算法§2新安江模型－概述小流域——集总模型大流域——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流计算，可以得到单元流域的出口流量过程。再进行出口一下的河道洪水演算，并得流域的流量过程。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。划分单元的目的：处理降雨分布的不均匀性因此，单元流域面积要适中，使得在每块面积上降雨比较均匀，并有一定数目的雨量站；其次，尽可能是单元流域与自然流域相一致；若流域中有大中型水库，则水库以上的集水面积即可作为一个单元流域。§2新安江模型－二水源模型结构降雨P蒸发皿蒸发EI透水面积土壤湿度W上层WU下层WL深层WD径流REUELED蒸散发EWUMWLMC不透水面积IMPWMB地面径流RS地下径流RGFC地面径流过程地下径流过程单元流域出流过程UHKKGKEXE径流R§2新安江模型－三水源模型结构输入降雨P，蒸发皿蒸发量EI透水面积不产流面积1－FR产流面积FR产流量R张力水W上层WU下层WL深层WD自由水S不透水面积产流量RIMPWMBIMP输出蒸散发EEUEUEUWUMWLMC地面径流RS壤中流RSS地下径流RGSMEXKSSKG地下径流流域出口流量KKG地面径流及壤中流总入流地面径流及壤中流总入流UH输出总流量Q三水源新安江模型流程图§2新安江模型－不同水源模型区别二水源模型由于没有考虑壤中流作用，故在壤中流丰富流域常常得不到好的模拟结果。三水源模型认为，土壤中水有张力水（田间持水量以下的水）和自由水（田间持水量以上的水）之分。二水源模型只考虑了张力水的调蓄作用，没有考虑自由水的调蓄作用。因此，新三模型中增加了一个自由水蓄水库，把总径流划分成三种水源：地面径流、壤中流、地下径流，代替新二模型中用FC划分水源的办法。§2新安江模型－模型计算蒸散发计算蒸散发计算采用三个土层的模型，其参数有上层张力水容量UM，下层张力水容量LM，深层张力水容量DM，流域平均张力水容量WM，蒸散发折算系数KC，深层蒸散发系数C，计算公式为：WM=UM+LM+DMW=WU+WL+WDE=EU+EL+EDEP=KC×EM§2新安江模型－蒸散发计算EU,WU,WUMEL,WL,WLMED,WD,WDM上层(Upperlayer)下层(Lowerlayer)深层(Deeplayer)上土层蒸发量：EU=EP下土层蒸发量：EL=EP.WL/WLM深土层蒸发量：ED=C.EP土壤蒸发量：E=EU+EL+ED(notes:同时刻相加）§2新安江模型－蒸散发计算1)当WU+P=EP,EU=Ep,EL=0,ED=0;2)当WU+PEP,WL=C.WLM,EU=WU+P,EL=(EP-EU)*WL/WLM,ED=0;3)当WU+PEP,C.(EP-EU)=WLC.WLM,EU=WU+P,EL=C*(EP-EU),ED=0;4)当WU+PEP,WLC.(EP-EU),EU=WU+P,EL=WL,ED=C*(EP-EU)-EL.§2新安江模型－产流计算根据蓄满产流的概念，参数有流域平均张力水容量WM，张力水蓄水容量曲线的方次B，不透水面积占全流域面积的比值IM。张力水蓄水容量曲线与降雨径流关系见下图。§2新安江模型－产流计算计算公式为：§2新安江模型－产流计算当P-E＞0，则产流，否则不产流，产流量计算方法为：若P-E+A＜WMM则R=P-E-WM+W+WM×若P-E+A≥WMM则§2新安江模型－分水源计算将水源分为地面径流RS，壤中流RI和地下径流RG。参数有表层土自由水蓄水容量SM，表层土自由水蓄水容量曲线的方次EX，表层土自由水蓄水量对地下水的出流系数KG及对壤中流的出流系数KI。按蓄满产流模型计算出的产流量R，先进入自由水蓄水库，再划分水源。自由水蓄水库结构见下图。§2新安江模型－分水源计算R+SSM:RSRSSMRIKISMRGKGSMR+S=SM:0RS()RIKIRS()RGKGRS§2新安江模型－分水源计算Sm§2新安江模型－分水源计算MS=SM×(1+EX)RG=KG×S×FRRI=KI×S×FR若S+P-E≤SM则若S+P-E＞SM则RS=(S+P-E-SM)×FR§2新安江模型－汇流计算(1）地面径流的坡地汇流地面径流的坡地汇流时间不计，直接进入河网，计算公式为：QS(I)=RS(I)×U(2)壤中流汇流表层自由水以KI侧向出流后成为表层壤中流，进入河网。但如土层较厚，表层自由水尚可渗入深层土，经过深层土的调蓄作用，才进入河网。深层自由水用线性水库模拟，其消退系数为CI，计算公式为：QI(I)=CI×QI(I-1)+(1-CI)×RI(I)×U§2新安江模型－汇流计算(3)地下径流汇流地下径流汇流用线性水库模拟,其消退系数为CG，出流进入河网。表层自由水以KG向下出流后，再向地下水库汇流的时间不另计，包括在CG之内，计算公式为：QG(I)=CG×QG(I-1)+(1-CG)×RG(I)×U(4)单元面积河网汇流单元面积的河网汇流用滞后演算法，参数有滞后量L与消退系数CS，计算公式为：Q(I)=CS×Q(I-1)+(1-CS)×QT(I-L)QT(I)=QS(I)+QI(I)+QG(I)§2新安江模型－汇流计算(5)单元面积以下的河道汇流单元面积以下的河道汇流用马斯京根分段演算法，即：合解上述两式得:Q2=C0I2+C1I1+C2O1模型参数的物理意义及初值的确定模型参数的率定本节主要内容§2新安江模型－模型参数§2新安江模型－模型参数Um—上层张力水容量Lm—下层张力水容量Dm—深层张力水容量B—张力水蓄水容量曲线方次Im—不透水面积比例K—蒸发能力折算系数C—深层蒸散发系数Sm—表土自由水蓄水容量Ex—表土自由水蓄水容量曲线方次Kg—自由水蓄水水库对地下水的出流系数Ki—自由水蓄水水库对壤中流的出流系数Ci—壤中流的消退系数Cg—地下水库的消退系数Cs—河网蓄水量的消退系数Ke、Xe—马斯京根法单元河段的两个参数2.1模型参数的物理意义及初值的确定前面已述，新安江模型的参数可风分为蒸散发、产流计算、分水源计算和汇流计算，可根据其物理意义来确定初值。（1）蒸散发能力折算系数KCKC控制着水量平衡，对产流量计算起着重要作用。可根据实测资料来直接推求,如图所示。因为根据条件W2=W1=Wm,所以所以有：（2）流域平均张力水缺水量WMWM表示流域的干旱程度，WM=UM+LM+DM100mm北方半湿润地区WM=170mm南方地区2.1模型参数的物理意义及初值的确定5mm缺林地UM=20mm多林地LM=60~90mm，根据实验，在此范围内蒸散发大约与土湿成正比。DM=WM-UM-LMWM可用实测资料来分析。选择前期特别干旱，本次降雨足够大，大得可使全流域蓄满的洪水进行分析。根据水量平衡：2.2模型参数的物理意义及初值的确定因为前期特别干旱，所以有，雨后全流域蓄满，所以，（3）张力水蓄水容量曲线方次BB值决定张力水蓄水条件的不均匀分布，通常与流域面积有关。0.1A5Km2B=0.2~0.3几百A1000Km20.4A1000Km22.2模型参数的物理意义及初值的确定(4)深层蒸发系数C此值决定深根植物的覆盖面积,根据现有经验0.18南方多林地区C=0.09北方半湿润地区(5)不透水面积占全流域面积的比例IM0.01~0.02天然流域IM=可以很大城镇地区2.2模型参数的物理意义及初值的确定(6)表层土自由水容量SM表土层是腐植土，SM的作用相当于二水源模型中的稳定下渗率FC。SM受降雨资料时段长均化影响很大，当以日为时段长时10mm或更小土层很薄的山区SM=50mm或更大土深林茂透水性强10~20mm一般流域2.2模型参数的物理意义及初值的确定当所采用时段减小时，SM要加大。SM这个参数对地面径流的多少起决定性作用，是一个重要参数。SM大则RS小，RG大;反之SM小则RS大，RG小。(7)表层自由水蓄水容量曲线指数EXEX决定于表层自由水蓄水条件的不均匀分布。在山坡水文学中，它决定了饱和坡面流产流面积的发展过程。由于缺乏定性分析，所以定量有困难，EX=1.0～1.5。2.2模型参数的物理意义及初值的确定（8）KG，KIKG与KI是表层自由水蓄水库对地下水与壤中流的出流系数，是并联的。KG+KI代表出流的快慢，KG/KI代表地下径流与壤中流之比，对一个特定流域他们都是常数。0.7雨止到壤中流止的时间为三天KG+KI=0.8雨止到壤中流止的时间为二天2.2模型参数的物理意义及初值的确定KG的大小决定于基岩与深土的渗透性；KI的大小决定于表土层的渗透性。KG/KI=RG/RIQtRSRIRG2.2模型参数的物理意义及初值的确定(9)深层壤中流消退系数CI0无深层壤中流CI=0.9深层壤中流丰富，相当于退水历时十天。(10)地下水消退系数CG用无雨期退水流量确定。CG=Qt+△t/Qt由槽蓄方程和退水段水量平衡方程W=KQ(1)-Qdt=dW(2)2.2模型参数的物理意义及初值的确定联解（1）、（2）式得Qt+△t=Qt令CG=则CG=Qt+△t/Qt（11）河网蓄水消退系数CS与滞时L由槽蓄方程和水量平衡方程W=KQ（t）(1)[I(t)-Q(t)]dt=dW(2)联解（1）、（2）式得2.2模型参数的物理意义及初值的确定(12)马斯京根分段连续演算参数KE,XE可以根据河段特性用水力学或水文学方法推求。2.2模型参数的物理意义及初值的确定模型参数率定，就是根据特定的目标准则，确定一套固定的参数寻找法则，按该法可以估计出模型的参数值，使得模型用这一估计得到的参数值计算出的结果在给定准则下最优。模型参数率定步骤如图示。准则判断优或否？寻找结束寻找新的参数资料输入参数初值模型输出优否模型计算2.3模型参数率定模型参数率定的准则选择如下形式：式中，k～为正整数，一般取1或2；θt=(θ1,θ2,…,θt),参数向量;Rn～为n维得式数空间域；Q0～为实测值；Qc～为模型计算值。参数率定就是选择一个参数向量Qp,使得ER(Qp)最小，即2.3模型参数率定率定目标的选择:预报规范，多目标优化率定方法手工率定自动率定二者结合自动率定方法RosenbrockSimplexGen