第五章-流域水文模型

第六章第六章流域水文模型流域水文模型HydrologicModelsHydrologicModels6.16.1流域水文模型概述流域水文模型概述Briefintroductionofhydrologicmodels6.36.3分布式流域水文模型分布式流域水文模型Distributedhydrologicmodels6.26.2概念性流域水文模型概念性流域水文模型Conceptualhydrologicmodels讲讲授授内内容容6.16.1流域水文模型概述流域水文模型概述6.1.16.1.1水文系统与流域水文模型水文系统与流域水文模型6.1.26.1.2流域水文模型分类流域水文模型分类6.1.36.1.3流域水文模型的应用领域流域水文模型的应用领域6.1.16.1.1水文系统与流域水文模型水文系统与流域水文模型降水降水I(tI(t))PrecipitationPrecipitation系统边界系统边界SystemSystemboundaryboundary流域分水线流域分水线WatershedWatersheddividedivide河道流量河道流量Q(tQ(t))StreamflowStreamflow流域水文模型流域水文模型::以流域作为系统，模拟流域物理、以流域作为系统，模拟流域物理、化学、生物过程所建立的实体结构或数学结构。化学、生物过程所建立的实体结构或数学结构。6.1.26.1.2流域水文模型分类流域水文模型分类™模型的每一个关系式均是严格的物理定律为基础™模型的结构、参数均具有物理意义，但其结构不是严格的以物理定律为基础™模型的关系式无任何物理意义物理模型物理模型Physically-basedmodels概念性模型概念性模型Conceptualmodels黑箱子模型黑箱子模型Black-boxmodels按模型构建基础分类按模型构建基础分类™将流域作为一个整体来模拟其径流形成过程。™按流域各处气像信息以及下垫面特性的不同，将流域划分为若干小单元；在每一个单元上用一组参数反映其流域特征，具有从机理上考虑降雨和下垫面条件空间分布不均匀对流域径流形成影响的功能。™介于两者之间集总式模型集总式模型Lumpedmodels分布式模型分布式模型Distributedmodels半分布式模型半分布式模型Semi-distributedmodels按对水文过程描述离散程度分类按对水文过程描述离散程度分类6.1.26.1.2流域水文模型分类流域水文模型分类6.1.26.1.2流域水文模型分类流域水文模型分类按数学方法按数学方法按模型结构按模型结构按模型参数按模型参数流域模型的其它分类流域模型的其它分类确定性模型确定性模型DeterministicmodelsDeterministicmodels随机性模型随机性模型StochasticmodelsStochasticmodels线性模型线性模型LinearmodelsLinearmodels非线性模型非线性模型NonNon--linearmodelslinearmodels时不变模型时不变模型TimeTime--invariantmodelsinvariantmodels时变模型时变模型TimeTime--variantmodelsvariantmodels6.1.36.1.3流域水文模型的应用领域流域水文模型的应用领域防洪减灾水污染防治评测全球气候变化的水文响应评测人类活动对区域水资源的影响6.26.2概念性水文模型概念性水文模型6.2.16.2.1新安江模型新安江模型6.2.26.2.2萨克拉门托流域水文模型萨克拉门托流域水文模型6.2.36.2.3水箱模型水箱模型6.2.16.2.1新安江模型新安江模型新安江流域水系及站网分布图6.2.16.2.1新安江模型新安江模型模型研究过程模型研究过程模型结构模型结构模型计算模型计算主要内容主要内容模型参数模型参数应用实例应用实例模型评述模型评述60年代初水文资料积累洪水预报需要大量开展降雨径流关系分析改进计算方法（Pa）P~Pa~RP+Pa~RPRPaP+PaR45°ΔR=ΔP蓄满蓄满产流现象的发现6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型研究过程模型研究过程1973年，河海大学水文水资源学院赵人俊教授领导的研究组在编制新安江入库洪水预报方案时，汇集了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，以下简称新安江模型新安江模型((XinanjiangXinanjianghydrologicalmodel)hydrologicalmodel)。。6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型研究过程模型研究过程6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型研究过程模型研究过程8080年代中期，借鉴山坡水文学的概念和国内年代中期，借鉴山坡水文学的概念和国内外产汇流理论方面的研究成果，提出了外产汇流理论方面的研究成果，提出了三水源三水源新安江模型新安江模型。。有时间请大家精读有时间请大家精读HillslopeHillslopeHydrologyHydrology等本学科的几部经典原著，使你们对本学科的基等本学科的几部经典原著，使你们对本学科的基本知识和基本理论有一个全面的、系统的了解。本知识和基本理论有一个全面的、系统的了解。6.2.16.2.1新安江模型新安江模型模型研究过程模型研究过程模型结构模型结构模型计算模型计算主要内容主要内容模型参数模型参数应用实例应用实例模型评述模型评述二水源模型三水源模型6.2.16.2.1新安江模型新安江模型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。6.2.16.2.1新安江模型新安江模型KE、XE或CS、LUH或CI、CG、CS、LSM、EX、KG、KIfcWM、B、IMKC、UM、LM、C参数马斯京根或滞后演算法单位线或线性水库或滞后演算法自由水蓄水库稳定下渗率蓄满产流三层模型方法河道汇流坡面汇流三水源二水源汇流计算水源划分产流计算蒸散发计算功能第四层次第三层次第二层次第一层次层次6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型结构模型结构蒸散发E降雨P、水面蒸发EM不透水面积产流RB地下总入流QG河网总入流单元面积出流流域出流Q输出壤中总入流QI地面总入流QS输出透水面积产流R不产流面积1-FR产流面积FR张力水W上层WU下层WL深层WD表层自由水S壤中流RI地下径流RG地面径流RS表层壤中流深层壤中流输入BWMKIMSMEXKIKGCGUHKeXeLCSUMLMCCI三水源新安江模型流程图新安江模型：新安江模型：模型结构模型结构6.2.16.2.1新安江模型新安江模型模型研究过程模型研究过程模型结构模型结构模型计算模型计算主要内容主要内容模型参数模型参数应用实例应用实例模型评述模型评述6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step1Step1流域分块流域分块•流域分块的目的：考虑降雨考虑降雨和下垫面分布和下垫面分布的不均匀性；的不均匀性；•流域分块方法：泰森多变形法泰森多变形法和自然流域划自然流域划分法分法。蒸散发E降雨P、水面蒸发EM不透水面积产流RB地下总入流QG河网总入流单元面积出流流域出流Q输出壤中总入流QI地面总入流QS输出透水面积产流R不产流面积1-FR产流面积FR张力水W上层WU下层WL深层WD表层自由水S壤中流RI地下径流RG地面径流RS表层壤中流深层壤中流输入BWMKIMSMEXKIKGCGUHKeXeLCSUMLMCCIStep2Step2蒸散发计算蒸散发计算6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算EU,WU,UMEL,WL,LMED,WD,DM上土层蒸发量：EU=EP下土层蒸发量：EL=EP.WL/LM深土层蒸发量：ED=C.EP上层下层深层Ep=EM×K三层蒸散发模型三层蒸散发模型6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step2Step2蒸散发计算蒸散发计算1)当WU+P=EP,EU=Ep,EL=0,ED=0;2)当WU+PEP,WL=C×LM,EU=WU+P,EL=(EP-EU)×WL/LM,ED=0;3)当WU+PEP,C(EP-EU)=WLC×LM,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.6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step2Step2蒸散发计算蒸散发计算蒸散发E降雨P、水面蒸发EM不透水面积产流RB地下总入流QG河网总入流单元面积出流流域出流Q输出壤中总入流QI地面总入流QS输出透水面积产流R不产流面积1-FR产流面积FR张力水W上层WU下层WL深层WD表层自由水S壤中流RI地下径流RG地面径流RS表层壤中流深层壤中流输入BWMKIMSMEXKIKGCGUHKeXeLCSUMLMCCIStep3Step3产流计算产流计算6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step3Step3产流计算产流计算产流计算采用产流计算采用蓄满产流理论蓄满产流理论。所谓。所谓蓄蓄满满是指包气带土壤含水量达到田间持水量。是指包气带土壤含水量达到田间持水量。蓄满产流蓄满产流(Saturationexcessrunoff(Saturationexcessrunoffmechanism)mechanism)：：降水满足田间持水量前不产流，所有的降水被土壤所吸收；降水满足田间持水量后，所有的降水（扣除同期蒸发量）都产流。流域蓄水容量~面积分配曲线W0ＲΔWWMM01.0f/FPEＡW’张力水蓄水容量曲线：表征土湿在流域面上分布不均'1(1)BfWFWMM=−−W′：流域单点蓄水容量WMM：流域最大单点蓄水容量f：产流面积F：全流域面积B：抛物线方次1WMMWMB=+1011(1)BWAWMMWM+⎡⎤=×−−⎢⎥⎣⎦6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step3Step3产流计算产流计算W0ＲΔWWMM01.0f/FPEＡW’情况一：局部流域产流WMMAPE+'dWFfRAPEA∫+=∫+−−=APEABdWWMMW'])'1(1[BWMMAWMPE+−−=1)1[(BWMMAPEWM++−−1)1[(6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step3Step3产流计算产流计算W0ＲΔWWMM01.0f/FPEＡ情况二：全流域产流)(0WWMPEWPER−−=Δ−=WMMAPE≥+6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step3Step3产流计算产流计算在蓄满产流模式下，总径流量在蓄满产流模式下，总径流量RR是降是降水量、雨期蒸散发量和流域初始土壤含水水量、雨期蒸散发量和流域初始土壤含水量的函数，即量的函数，即R=R=f(PEf(PE,W,W00))。。⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧−−⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−+−−=+),(,1)(,0010WWMPEWMMAPEWMWWMPERBWMMAPEWMMAPEPE≥++≤006.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step3Step3产流计算产流计算不透水区域的产流量Rim:IM：不透水面积占全流域面积的比率；Rim作为地表径流参加后续的汇流计算。IMPERim×=6.2.16.2.1新安江模型：新安江模型：模型计算模型计算Step3Step3产流计算产流计算蒸散发E降雨P、水面蒸发EM不透水面积产流RB地下总入流QG河网总入流单元面积出流流域出流Q输出壤中总入流QI地面总入流QS输出透水面积产流R不产流面积