第四章---新安江流域水文模型

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第四章 新安江流域水文模型4.1 概述流域水文模型可分為物理模型、概念性模型和系統(tǒng)模型。在水文預(yù)報中，概念性模型和系統(tǒng)模型應(yīng)用較多，此處主要介紹概念性流域水文模型。概念性流域水文模型屬于數(shù)學模型，它與物理模型相比，具有許多優(yōu)點：一是它的所有條件均可由原型觀測資料直接給出，不受比尺的限制，即數(shù)學模型無相似律問題；二是它的邊界條件及其它條件可嚴格控制，也可隨時按實際需要改變；三是它的通用型較強，只要研制出一種適用的應(yīng)用軟件，就可用來解決不同的實際問題；四是它具有理想的抗干擾性能，只要條件不變，重復(fù)模擬可以得到相同的結(jié)果，不會因人、因地而異；五是它的研制費用相對較低。因此，

2、流域水文模型的研制和應(yīng)用受到水文學家和水文工作者的普普遍重視。世界上第一個流域水文模型Stanford模型出現(xiàn)在20世紀60年代，目前全世界已提出數(shù)以百計的流域水文模型。主要包括由美國天氣局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等提出的薩克拉門托模型，日本國立防災(zāi)科學研究中心菅原正已教授提出的水箱模型，丹麥技術(shù)大學提出的NAM模型，以及原華東水利學院趙人俊教授提出的新安江模型。這些概念性水文模型對流域的降雨徑流過程進行了較為細致的模擬。由于這些模型具有較好的結(jié)構(gòu)形式和良好的模擬預(yù)報精

3、度，因此在洪水實時預(yù)報中得到廣泛地應(yīng)用。本文主要介紹國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的新安江三水源模型。4.2 新安江模型的基本原理原華東水利學院的趙人俊教授于1963年初次提出濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主的觀點，主要根據(jù)是次洪的降雨徑流關(guān)系與雨強無關(guān)，而只有用蓄滿產(chǎn)流概念才能解釋這一現(xiàn)象。上個世紀70年代國外對產(chǎn)流問題展開了理論研究，最有代表性的著作是1978年出版的山坡水文學，它的結(jié)論與趙人俊先生的觀點基本一致：傳統(tǒng)的超滲產(chǎn)流概念只適用于干旱地區(qū)，而在濕潤地區(qū)，地面徑流的機制是飽和坡面流，壤中流的作用很明顯。20世紀70年代初建立的新安江模型采用蓄滿概念是正確的。但對于濕潤地區(qū)，由于沒有劃出壤中流，導(dǎo)致匯流的非

4、線性程度偏高，效果不好。80年代初引進吸收了山坡水文學的概念，提出三水源的新安江模型。 新安江模型是分散性模型，可用于濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)的濕潤季節(jié)。當流域面積較小時，新安江模型采用集總模型，當面積較大時，采用分塊模型。它把全流域分為許多塊單元流域，對每個單元流域作產(chǎn)匯流計算，得出單元流域的出口流量過程。再進行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量過程。把每個單元流域的出流過程相加，就求得了流域的總出流過程。該模型按照三層蒸散發(fā)模式計算流域蒸散發(fā)，按蓄滿產(chǎn)流概念計算降雨產(chǎn)生的總徑流量，采用流域蓄水曲線考慮下墊面不均勻?qū)Ξa(chǎn)流面積變化的影響。在徑流成分劃分方面，對三水源情況，按“山坡水文學”產(chǎn)

5、流理論用一個具有有限容積和測孔、底孔的自由水蓄水庫把總徑流劃分成飽和地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流。在匯流計算方面，單元面積的地面徑流匯流一般采用單位線法，壤中水徑流和地下水徑流的匯流則采用線性水庫法。河網(wǎng)匯流一般采用分段連續(xù)演算的Muskingum法或滯時演算法，但它一般不作為新安江模型的主體。概念性模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)該反映客觀水文規(guī)律，參數(shù)應(yīng)該代表流域的水文特征，把模型設(shè)計成為分散性的，主要是為了考慮降雨分布不均的影響，其次也便于考慮下墊面條件的不同及其變化。降雨分布不均，不但對匯流產(chǎn)生明顯的影響，而且對產(chǎn)流也產(chǎn)生明顯的影響。如果采用集總性模型，應(yīng)用面平均雨量來進行計算，誤差可能很大，而且是系

6、統(tǒng)性的。新安江模型按泰森多邊形法分塊，以一個雨量站為中心劃一塊。這種分法便于考慮降雨分布不均，不考慮其它的分布不均。新安江模型的流程圖見圖4-1所示。圖中輸入為實測降雨和實測蒸散發(fā)能力，輸出為流域出口斷面流量和流域蒸散發(fā)量。方框內(nèi)是狀態(tài)變量，方框外是常數(shù)常量。模型主要由四部分組成，即蒸散發(fā)計算、產(chǎn)流量計算、水源劃分和匯流計算。4.3 新安江模型的結(jié)構(gòu)4.3.1 蒸散發(fā)計算新安江三水源模型中的蒸散發(fā)計算采用的是三層蒸發(fā)計算模式，輸入的是蒸發(fā)器實測水面蒸發(fā)和流域蒸散發(fā)能力的折算系數(shù)，模型的參數(shù)是上、下、深三層的蓄水容量、和深層蒸散發(fā)系數(shù)。輸出的是上、下、深各層的流域蒸散發(fā)量、和。計算中包括三個時變

7、參量，即各層土壤含水量、和。以上的、分別表示總的流域蓄水容量、圖4-1 新安江三水源模型流程圖蒸散發(fā)量、土壤含水量。各層蒸散發(fā)的計算原則是，上層按蒸散發(fā)能力蒸發(fā)，上層含水量蒸發(fā)量不夠蒸發(fā)時，剩余蒸散發(fā)能力從下層蒸發(fā)，下層蒸發(fā)與蒸散發(fā)能力及下層含水量成正比，與下層蓄水容量成反比。要求計算的下層蒸發(fā)量與剩余蒸散發(fā)能力之比不小于深層蒸散發(fā)系數(shù)。否則，不足部分由下層含水量補給,當下層水量不夠補給時，用深層含水量補。三層蒸散發(fā)的計算程序框圖見圖4-2。其中。所用公式如下：當時， (4-1)當時， (4-2)若，則， (4-3)若且，則， (4-4)若且，則， (4-5)以上各式中，。圖4-2 蒸散發(fā)計算

8、程序框圖4.3.2 產(chǎn)流量計算產(chǎn)流量計算系根據(jù)蓄滿產(chǎn)流理論得出的。所謂蓄滿，是指包氣帶的含水量達到田間持水量。在土壤濕度未達到田間持水量時不產(chǎn)流，所有降雨都被土壤吸收，成為張力水。而當土壤濕度達到田間持水量后，所有降雨(減去同期蒸發(fā))都產(chǎn)流。一般說來，流域內(nèi)各點的蓄水容量并不相同，新安江三水源模型把流域內(nèi)各點的蓄水容量概化成如圖4-3所示的一條拋物線，即 (4-6)式中：為流域內(nèi)最大的點蓄水容量；為流域內(nèi)某一點的蓄水容量；為圖4-3 流域蓄水容量曲線蓄水容量值時的流域面積；為流域面積；為拋物線指數(shù)。據(jù)此可求得流域平均蓄水容量為 (4-7)與流域初始平均蓄水量相應(yīng)的縱坐標()為 (4-8)當時，

9、則產(chǎn)流；否則不產(chǎn)流。產(chǎn)流時，當，則 (4-9)當，則 (4-10)作產(chǎn)流計算時，模型的輸入為，參數(shù)包括流域平均蓄水容量和拋物線指數(shù)；輸出為流域產(chǎn)流量及流域時段末土壤平均蓄水量。4.3.3 水源劃分三水源新安江模型用自由水蓄水庫的結(jié)構(gòu)代替原先的結(jié)構(gòu)，以解決水源劃分問題。按蓄滿產(chǎn)流模型求出的產(chǎn)流量。先進入自由水蓄量，再劃分水源，如圖4-4所示。此水庫有兩個出口，一個底孔形成地下徑流，一個邊孔形成壤中流，其出流規(guī)律均按線性水庫出流。由于新安江模型考慮了產(chǎn)流面積問題，所以這個自由水蓄水庫只發(fā)生在產(chǎn)流面積上，其底寬是變化的，產(chǎn)流量進入水庫即在產(chǎn)流面積上，使得自由水蓄水庫增加蓄水深，當自由水蓄水深超過其最

10、大值時，超過部分成為地面徑流。模型認為，蒸散發(fā)在張力水中消耗，自由水蓄水庫的水量全部為徑流。圖4-4中：為自由水蓄水庫的蓄水深；為自由水蓄水庫的蓄水容量；為產(chǎn)流面積。底孔出流量和邊孔出流量分別進入各自的水庫，并按線性水庫的退水規(guī)律流出，分別成為地下水總?cè)肓骱腿乐辛骺側(cè)肓?。并認為地面徑流的坡地匯流時間可以忽略不計。所以地面徑流可認為與地面徑流的總?cè)肓飨嗤?。圖4-4 自由水蓄水庫的結(jié)構(gòu)由于產(chǎn)流面積上自由水的蓄水容量還不能認為是均勻分布的，即為常數(shù)不太合適，要考慮的面積分布。這實際上就是飽和坡面流的產(chǎn)流面積不斷變化的問題。模仿張力水分布不均勻的處理方式，把自由水蓄水能力在產(chǎn)流面積上的分布也用一條拋物

11、線來表示，見圖4-5。即 (4-11)式中：為產(chǎn)流面積上某一點的自由水容量；為產(chǎn)流面積上最大一點的自由水蓄水容量； 為自由水蓄水能力值的流域面積；為產(chǎn)流面積；為流域自由水蓄水容量曲線的指數(shù)。圖4-5 流域自由水蓄水容量曲線產(chǎn)流面積上的平均蓄水容量深()為 (4-12)在自由水蓄水容量曲線上相應(yīng)的縱坐標為 (4-13)式中：為流域自由水蓄水容量曲線上的自由水在產(chǎn)流面積上的平均蓄水深；為對應(yīng)的縱坐標。顯然，和都是產(chǎn)流面積的函數(shù)，是無法確定的變量。這里假定與產(chǎn)流面積及全流域上最大一點的自由水蓄水容量的關(guān)系仍為拋物線分布 (4-14)則 (4-15) (4-16)流域的平均自由水容量和拋物線指數(shù)對于一

12、個流域來說是固定的，屬于模型率定的參數(shù)。已知和，就可以得到。已知上時段的產(chǎn)流面積和產(chǎn)流面積上的平均自由水深，根據(jù)時段產(chǎn)流量，計算時段地面徑流、壤中流、地下徑流及本時段產(chǎn)流面積和上的平均自由水深的步驟是當時，則 (4-17) (4-18) (4-19) (4-20)當時，則 (4-21) (4-22) (4-23) (4-24)式中：和分別為壤中流與地下徑流的日出流系數(shù)。在對自由水蓄水庫作水量平衡計算中，有一個差分計算的誤差問題，常用的計算程序，把產(chǎn)流量放在時段初進入水庫，而實際上它是在時段內(nèi)均勻進入的，這就造成了向前差分誤差。這種誤差有時很大，要設(shè)法消去。處理的方法是：每時段的入流，按5mm為

13、一段分成段，并取整數(shù)，各時段的值都可不同，也就是把計算時段分成段，即以為時段長進行計算。這樣，差分誤差就很小了。當時段長改變后，出流系數(shù)和要作相應(yīng)的改變。其計算程序框圖見圖4-6。圖4-6 新安江三水源模型水源劃分計算框圖4.3.4 匯流計算流域匯流計算包括坡地和河網(wǎng)兩個匯流階段。坡地匯流是指水體在坡面的匯集過程，水流不但發(fā)生了水平運動，而且還有垂向運動。在流域的坡面上，地面徑流的調(diào)蓄作用不大，地下徑流受到大的調(diào)蓄，壤中流所受調(diào)蓄介于兩者之間。河網(wǎng)匯流是指水流由坡面進入河槽后，繼續(xù)沿河網(wǎng)的匯集過程。在河網(wǎng)匯流階段，匯流特性受制于河槽水力學條件，各種水源是一致的，新安江三水源模型中的河網(wǎng)匯流，僅

14、指各單元面積上的水體從進入河槽匯至單元出口的過程。而不包括單元出口到流域出口處的河網(wǎng)匯流階段。(1) 坡地匯流計算新安江三水源模型中把經(jīng)過水源劃分得到的地面徑流直接進入河網(wǎng)，成為地面徑流對河網(wǎng)的總?cè)肓?。壤中流流入壤中流水庫，?jīng)過壤中流蓄水庫的消退(壤中流水庫的消退系數(shù)為)，成為壤中流對河網(wǎng)總?cè)肓鳌５叵聫搅鬟M入地下蓄水庫，經(jīng)過地下蓄水庫的消退(地下蓄水庫的消退系數(shù)為)，成為地下水對河網(wǎng)的總?cè)肓?)。其計算公式為 (4-25) (4-26) (4-27) (4-28)式中：為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，可將徑流深轉(zhuǎn)化為流量，即從mm轉(zhuǎn)化為， (為流域面積；為時段長)，為河網(wǎng)總?cè)肓?m3/s)。(2) 河網(wǎng)匯流計

15、算新安江三水源模型中用無因次單位線模擬水體從進入河槽到單元出口的河網(wǎng)匯流。在本流域或臨近流域，找一個有資料的、面積與單元流域大體相近的流域，分析出地面徑流單位線，就可作為初值應(yīng)用。計算公式為 (4-29)式中：為單元出口處時刻的流量值；為無因次時段單位線；為單位線的歷時時段數(shù)。由于單位線確定較為困難，經(jīng)常采用滯后演算法進行河網(wǎng)匯流計算。即 (4-30)流域匯流計算的輸入是單元上的地面徑流、壤中流、地下徑流及計算開始時刻的單元面積上壤中流流量和地下徑流流量值。輸出為單元出口的流量過程。4.3.5 不同時段長度的轉(zhuǎn)化一般情況下，模型的出流系數(shù)都是按日模型給定的。但是，進行實時洪水預(yù)報時，計算時段都

16、小于24h。另外，在模型計算中，為了消除非線性的影響，減少計算時段過長所引起的誤差，模型的水源劃分中又用5mm凈雨作為一個量級，進一步作分步長計算。那么模型的出流系數(shù)和消退系數(shù)都必須作出相應(yīng)的變化。設(shè)模型計算所取時段長為(h)，為內(nèi)的凈雨。則 (4-31) (4-32)計算步長內(nèi)的壤中流蓄水庫的消退系數(shù)和地下蓄水庫的消退系數(shù)與相應(yīng)的日模型消退系數(shù)、的關(guān)系為 (4-33) (4-34)計算步長內(nèi)流域自由水蓄水庫的壤中流出流和與其日模型中的出流系數(shù)和地關(guān)系為 (4-35) (4-36)4.4 新安江模型的參數(shù)4.4.1 參數(shù)的物理意義新安江模型的參數(shù)一般具有明確的物理意義，可以分為如下4類：(1)

17、 蒸散發(fā)參數(shù)：、為蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與實測水面蒸發(fā)值之比。此參數(shù)控制著總水量平衡，因此，對水量計算是重要的。為上層蓄水容量，它包括植物截留量。在植被與土壤很好的流域，約為20mm；在植被與土壤頗差的流域，約為56mm。為下層蓄水容量?？扇?090 mm。為深層蒸散發(fā)系數(shù)。它決定于深根植物占流域面積的比數(shù)，同時也與值有關(guān)，此值越大，深層蒸散發(fā)越困難。一般經(jīng)驗，在江南濕潤地區(qū)值約為0.150.20左右，而在華北半濕潤地區(qū)則在0.090.12左右。(2) 產(chǎn)流量參數(shù)：、為流域蓄水容量，是流域干旱程度的指標。找久旱以后下大雨的資料，如雨前可認為蓄水量為0，雨后可認為已蓄滿，則此次洪

18、水的總損失量就是，可從實測資料中求得，如找不到這樣的資料，則只能找久旱以后幾次降雨，使雨后蓄滿，用估計的方法求出。一般分為上層、下層和深層。在南方約為120mm，北方半濕潤地區(qū)約為180mm。為蓄水容量曲線的方次。它反映流域上蓄水容量分布的不均勻性。如果有降雨徑流相關(guān)圖，則可根據(jù)=0的曲線反求出蓄水容量曲線，并據(jù)此估計出值。一般經(jīng)驗，流域越大，各種地質(zhì)地形配置越多樣，值也越大。在山丘區(qū)，很小面積(幾平方公里)的為0.1左右，中等面積(300平方公里以內(nèi))的為0.20.3左右，較大面積(數(shù)千平方公里)的值為0.30.4左右。但需說明，值與有關(guān)，相互并不完全獨立。同流域同蓄水容量曲線，如加大，就相

19、應(yīng)減少，或反之。為不透水面積占全流域面積之比。如有詳細地圖，可以量出，但一般不可能，可找干旱期降小雨的資料來分析，這時有一很小洪水，完全是不透水面積上產(chǎn)生的。求出此洪水的徑流系數(shù)，就是。 (3) 水源劃分參數(shù)：、為流域平均自由水蓄水容量，本參數(shù)受降雨資料時段均化的影響，當用日為時段長時，一般流域的值約為1050mm。當所取時段長較少時，要加大，這個參數(shù)對地面徑流的多少起著決定性作用，因此很重要。為自由水蓄水容量曲線指數(shù)，它表示自由水容量分布不均勻性。通常取值在11.5之間。為自由水蓄水庫對壤中流的出流系數(shù)，為自由水蓄水庫對地下徑流出流系數(shù)，這兩個出流系數(shù)是并聯(lián)的，其和代表著自由水出流的快慢。一

20、般來說，相當于從雨止到壤中流止的時間為3天。(4) 匯流參數(shù)：、為壤中流水庫的消退系數(shù)。如無深層壤中流時，趨于零。當深層壤中流很豐富時，趨于0.9。相當于匯流時間為10天。為地下水庫的消退系數(shù)。如以日為時段長，此值一般為0.980.998，相當于匯流時間為50500日。為河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)，為滯時，它們決定于河網(wǎng)地貌。4.4.2 模型參數(shù)率定新安江模型的參數(shù)按照物理意義分為4層，上面已作了介紹。參數(shù)的率定可以按照蒸散發(fā)產(chǎn)流分水源匯流的次序進行，各類參數(shù)基本上是相互獨立的。按照以下次序率定參數(shù)。一、日模型日模型參數(shù)率定按照以下步驟分別進行：(1) 定出各參數(shù)的初始值。(2) 比較多年總徑流。這是最基本的水量平衡校核。如有誤差，要首先修改值，是影響蒸發(fā)計算最大的參數(shù)，對于某些北方河流，夏季植物茂盛，而冬季則有封凍。冬季蒸發(fā)不可能用E601觀測，則應(yīng)考慮把分為冬、夏各月定為不同的數(shù)值。(3) 多年總水量基本平衡后，再比較每年的徑流，看很干旱的年與濕潤年份有無系統(tǒng)誤差。如有應(yīng)調(diào)整、和。減小將使少雨季節(jié)的蒸發(fā)減少，而對于很干旱的季節(jié)則無