2新安江流域水文模型.docx

2新安江流域水文模型60 年代初，河海大学（原华东水利学院）水文系赵人俊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入 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新安江模型包括4 个计算环节：蒸散发计算；流域产流计算；径流划分；汇流计算4 个计算环节分别概化了流域降雨径流的主要产、汇流物理过程2.1流域蒸散发计算各种水源的蒸散发计算模型均可采用两层蒸发模型或两层蒸发模型，一般根据实际情况 选用原则是在模拟径流精度相同的情况下，尽量采用参数少的两层蒸散发模型蒸散发模 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2.2.1两层蒸散发模型两层蒸散发模型将土层分为上、下两层，各层蓄水容量分别为 WUM 、 WLM(WUM二W - WUL )流域土层下渗蓄水和蒸散发计算过程按下述原则进行：降雨先补 m充上层，上层蓄满后再补充下层；蒸发时先蒸发上层，上层蓄水量蒸发殆尽后再蒸发下层 两层蒸散发模型的计算式如下：⑴ P + WU > E : EU = E， EL 二 0， E 二 EUppWL(2) P + WU < E : EU 二 P + WU，EL = (E — EU) ，E 二 EU + ELp p WLM式中:P ——是流域降雨量， mm ；E—p—是流域蒸散发能力，mm ；WU ——是上层土壤蓄水量mm ；WL——是下层土壤蓄水量，mm ；WLM——是下层土壤蓄水容量， mmEU ——上层蒸发量， mm 。

EL——下层蒸发量， mm 2.2.2三层蒸散发模型三层蒸散发模型将土层分为上层、下层、深层三个土层，各层蓄水容量分别为WUM、WLM、WDM (WUM二W - WUL - WDM )流域土层下渗蓄水和蒸散发的计算过程 m与两层蒸发模型类似，按下述原则进行:降雨首先补充上层，上层蓄满后再补充下层，下层 蓄满后再补充深层；蒸发时先蒸发上层，上层蓄水量蒸发殆尽后再蒸发下层，下层蓄水量蒸 发殆尽后再蒸发深层由土壤蒸发规律知，在久旱时，流域下层土壤含水量趋于干涸，深层土壤水分将以薄膜 水、气态水的形式向上输送，使蒸发维持在一个较小的稳定数值因此，考虑来自了深层的 水分蒸发为了使流域的蒸散发不小于某个最小的稳定蒸散发量，模型中考虑了一个深层蒸 散系数，并在结构上进行了控制，使计算过程中的最小蒸散发量不会小于C - Ep三层蒸散发模型的计算式如下:⑴当 P + WU > E : EU 二 E , EL = 0 , ED = 0 , E = EU ；p⑵ P + WU < E ,p⑶ P + WU < E ,pWL > C - WLM 时：EU 二 P + WU ,EL =Q - EU )・-^ , ED 二 0 , E 二 EU + EL； p WLMC - EU )< WL < C • WLM 时：EU 二 P + WU ,pEL = C - EU )•, ED 二 0 , E 二 EU + EL；p⑷ P + WU < E , WL < C - EU )时：EU 二 P + WU ,ppEL 二 C - WL , ED < C - EU )- EL , E 二 EU + EL + ED。

p式中： C ——是深层蒸散发系数2.2 新安江两水源模型模拟流域出口断面的径流过程时，如果水源划分只考虑直接径流和地下径流，而不考虑 壤中流，这样的新安江流域模型称为新安江两水源模型2.2.1 模型的结构新安江两水源模型的 4 个计算环节中（蒸散发计算、流域产流计算、径流划分、汇流计 算），蒸发计算可采用两层蒸发模型，也可采用三层蒸发模型产流计算采用蓄满产流模型 径流划分计算利用稳定下渗率FC将径流划分为地面径流（或称直接径流）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，即地下汇流计算的坡面 汇流和河网汇流用一个线性水库的出流过程概化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层（降雨过 后耗于蒸发）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Q〜t和流域蒸散发过程E〜t，输入则为时段降雨量 P、蒸发皿观测蒸发量EI新安江两水源模型结构如下图所示：萍扛31蒸眾已槪城出口 出離过趕新安江模型产流部分的计算是蓄满产流模式,图2.1-1 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。

2.2.2模型的产流计算蓄满产流指在流域包气带土壤湿度达到 田间持水量以前不产流，所有的降雨都 被土壤吸收；而在土壤湿度达到田间持 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1.0 f / f相同，实际产流常常是在部分面积上产图2.2-1流域蓄水容量曲线示意图 流，新安江模型引入一条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：厶1-Il-FW' 丫W丿mm2.2-1)式中：=fr为产流面积;FW' ——是点蓄水容量, mm；mf ――是蓄水容量小于等于蓄水量W'的全部点的面积，Km 2 ；mF ――是单元流域面积， Km 2；b ――是蓄水容量曲线指数W ――是流域内点最大蓄水容量，mm ；其与流域平均蓄水容量W的关系为： mm mW =(1 + b )• W (2.2-2)mm m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P中，未转化为净雨产流量R的e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P +a< W 时为部分面积产流e mmR = P — W + W + W - 1 —em0mP e—Wmm、丄1+b丿2.2-3)当P +a>W 时为全流域面积产流e mmR= P —W +Wem0式中：2.2-4)为有效降雨量， P = P— E ；ea ——为与流域土壤初始蓄水量Wo相应的前期影响雨量，由下式计算a=WmmW0 ] i+b 矿丿2.2-5)2.2.3模型的水源划分及汇流计算1.新安江两水源模型的水源划分 新安江两水源模型的水源划分只考虑直接径流和地下径流，在计算出流域总产流量 R 后，进一步利用稳定下渗率FC将总径流量R划分为地面径流(或称直接径流)量和地下径 流量两种水源两水源划分的计算式如下：RR 二 FC - — (2.2-6)gPeR = R—R (2.2-7)s g，2.新安江两水源模型的汇流计算直接径流R采用一条单位线汇流直接汇流到流域出口断面，即: sQ0=0 (=0)Q =£ R -q 1

i—j+i 地下径流R采用一个线性水库汇流到流域出口断面，即：gQ = CQ + (1—C)R U (2.2-9)g,t g,t —1 g,t式中：U 单位转换系数，U=F/(3.6-At)， F是流域面积，Km 22.2-10)流域出口断面t时刻的流量为：Q 二 Q + Qt s,t g,t2.2.4模型的参数及调试采用三层蒸发计算的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；IMP ——不透水面积占全流域面积的百分比，％；W ——流域平均蓄水容量（指张力水）， mm ；mWUM ——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mm /h ；KKG ――地下水消退系数；UH ——单位线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W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m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W可选m80〜150mm左右，江淮一带约在110mm左右，燕山东北东部地区，选150mm左右 流域平均上层蓄水容量WUM，—般取10〜20mm，流域平均下层蓄水容量WLM—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W值之间有相依性，二者对径流模拟的结果 m相互有影响稳定下渗率FC的调试，。