新安江流域水文模型

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。

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

（WUL W WUM m -=）。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：

⑴p E WU P ≥+：p E EU =， 0=EL ， EU E =

⑵ p E WU P <+： WU P EU +=，WLM

WL EU E EL p ⋅

-=)(，EL EU E += 式中： P ——是流域降雨量，mm ；

p E ——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，mm ；

EU ——上层蒸发量，mm 。

EL ——下层蒸发量，mm 。

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 （WDM WUL W WUM m --=）

。流域土层下渗蓄水和蒸散发的计算过程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p E C ⋅。

三层蒸散发模型的计算式如下：

⑴当p E WU P ≥+：p E EU =， 0=EL ， 0=ED ，EU E =；

⑵ p E WU P <+，WLM C WL ⋅≥时：WU P EU +=，

()WLM

WL EU E EL p ⋅-=，0=ED ，EL EU E +=；

⑶p E WU P <+，()

WLM C WL EU E C p ⋅<≤-⋅时：WU P EU +=， ()⋅-⋅=EU E C EL p ，0=ED ，EL EU E +=；

⑷p E WU P <+，()

EU E C WL p -⋅≤时：WU P EU +=，

WL C EL ⋅=，()EL EU E C ED p --⋅≤，ED EL EU E ++=。

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。

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t Q ~和流域蒸散发过程t E ~，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：

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

新安江模型产流部分的计算是蓄满

蓄满产流指在流域包气带土