第四章 新安江流域水文模型

－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的结构
河海大学水资源环境学院黄国如
产流量计算 产流量计算系根据蓄满产流理论得出的。所谓蓄满 ，是指包气带的含水量达到田间持水量。在土壤湿度 未达到田间持水量时不产流，所有降雨都被土壤吸收 ，成为张力水。而当土壤湿度达到田间持水量后，所 有降雨(减去同期蒸发)都产流。作产流计算时，模型 的输入为PE，参数包括流域平均蓄水容量WM和抛物 线指数B；输出为流域产流量R及流域时段末土壤平 均蓄水量W。
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新安江模型的结构－水源划分
流域自由水蓄水容量曲线
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新安江模型的结构
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水源划分
产流面积上的平均蓄水容量深(SFM)为
SMF SMMF 1 EX
S 在自由水蓄水容量曲线上S 相应的纵坐标U为
AU SMMF[1 (1
流域水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统 模型。在水文预报中，概念性模型和系统模型应用 较多，此处主要介绍概念性流域水文模型。
概念性流域水文模型属于数学模型，它与物理模型相比，具有许多 优点：一是它的所有条件均可由原型观测资料直接给出，不受比尺 的限制，即数学模型无相似律问题；二是它的边界条件及其它条件 可严格控制，也可随时按实际需要改变；三是它的通用型较强，只 要研制出一种适用的应用软件，就可用来解决不同的实际问题；四 是它具有理想的抗干扰性能，只要条件不变，重复模拟可以得到相 同的结果，不会因人、因地而异；五是它的研制费用相对较低。因 此，流域水文模型的研制和应用受到水文学家和水文工作者的普普 遍重视。
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新安江模型的结构
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水源划分
三水源新安江模型用自由水蓄水库结构以解决水源划分问 题。按蓄满产流模型求出的产流量R，先进入自由水蓄量， 再划分水源。此水库有两个出口，一个底孔形成地下径流 RG，一个边孔形成壤中流RSS，其出流规律均按线性水库 出流。由于新安江模型考虑了产流面积FR问题，所以这个 自由水蓄水库只发生在产流面积上，其底宽FR是变化的， 产流量R进入水库即在产流面积FR上，使得自由水蓄水库 增加蓄水深，当自由水蓄水深S超过其最大值SM时，超过 部分成为地面径流RS。模型认为，蒸散发在张力水中消耗 ，自由水蓄水库的水量全部为径流。
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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的基本原理
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新安江模型是分散性模型，可用于湿润地区与半湿润地区的湿润季 节。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。它把全流域分为许多块单元流域，对每个单元流 域作产汇流计算，得出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，就求得了流域的总出流过程。
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水源划分
新安江模型的结构
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新安江模型的结构
水源划分
底孔出流量RG和边孔出流量RSS分别进入各自的水库 ，并按线性水库的退水规律流出，分别成为地下水总入 流TRG和壤中流总入流TRSS。并认为地面径流的坡地汇 流时间可以忽略不计。所以地面径流可认为与地面径流 的总入流相同。
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新安江模型的结构
产流量计算
一般说来，流域内各点的蓄水容量并不相同，新安
江三水源模型把流域内各点的蓄水容量概化成一条抛
物线，即
f 1 (1 Wm )B
F
Wmm
式中：Wmm 为流域内最大的点蓄水容量；Wm 为流域内某一点 的蓄水容量；f 为蓄水容量 Wm 值时的流域面积；F 为流域 面积；B 为抛物线指数。
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新安江模型的基本原理
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概念性模型的结构应该反映客观水文规律，参数应该代表流域的水 文特征，把模型设计成为分散性的，主要是为了考虑降雨分布不均 的影响，其次也便于考虑下垫面条件的不同及其变化。降雨分布不 均，不但对汇流产生明显的影响，而且对产流也产生明显的影响。 如果采用集总性模型，应用面平均雨量来进行计算，误差可能很大 ，而且是系统性的。
示
FS 1 (1 SMF )EX
FR
SMMF
式中：SMF 为产流面积 FR 上某一点的自由水容量；SMMF 为产流面积 FR 上最大一点的自由水蓄水容量； FS 为自由水蓄水能力 SMF 值的 流域面积； FR 为产流面积；EX 为流域自由水蓄水容量曲线的指数。
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S
1
)1EX ]
SMF)
S为流域自由水蓄水容量曲线上的自由水在产流面积 上的平均蓄水深；AU 为S 对应的纵坐标。
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水源划分
新安江模型的结构
显然，SMMF和SMF都是产流面积FR的函数，而产流面积是变量 ，故此无法确定。这里假定SMMF与产流面积FR及全流域上最 大一点的自由水蓄水容量SMM的关系仍为抛物线分布
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第四章 新安江流域水文模型
1 概述 2 新安江模型的基本原理 3 新安江模型的结构
蒸散发计算 产流量计算 水源划分 汇流计算
4 新安江模型的参数
模型参数的物理意义 模型参数的率定
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新安江模型按泰森多边形法分块，以一个雨量站为中 心划一块。这种分法便于考虑降雨分布不均，不考虑 其它的分布不均。
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新安江模型的流程图见图。图中输入为实测降雨P 和实测蒸散发能力EM，输出为流域出口断面流量Q 和流域蒸散发量E。方框内是状态变量，方框外是常 数常量。模型主要由四部分组成，即蒸散发计算、产 流量计算、水源划分和汇流计算。
若WL C WLM ，则
EL (EP EU ) WL WLM
，ED 0
若WL C WLM 且WL C (EP EU) ，则
EL C (EP EU) ，ED 0 若WL C WLM 且WL C (EP EU) ，则
EL WL ，ED C (EP EU) WL
由于产流面积FR上自由水的蓄水容量还不能认为是均匀分 布的，即SM为常数不太合适，要考虑SM的面积分布。这 实际上就是饱和坡面流的产流面积不断变化的问题。
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新安江模型的结构
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水源划分
模仿张力水分布不均匀的处理方式，把自由水蓄
水能力在产流面积上的分布也用一条抛物线来表
与流域初始平均蓄水量W0 相应的纵坐标A(
)为 A
Wmm[1
(1
W0 WM
1
) B1 ]
当 PE P E 0 时，则产流；否则不产流。产流时，
当 PE
A Wmm ，则 R
PE
WM
W0
WM (1
PE A)1B Wmm
当 PE A Wmm ，则 R PE (WM W0 )
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当 P E WU EP 时，
蒸散发计算
EU EP ，EL 0 ，ED 0
当 P E WU EP 时，
EU P E WU
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新安江模型的结构
蒸散发计算 新安江三水源模型中的蒸散发计算采用的是三层蒸发计算 模式，输入的是蒸发器实测水面蒸发和流域蒸散发能力的 折算系数K，模型的参数是上、下、深三层的蓄水容量WUM 、WLM、WDM(WM=WUM+WLM+WDM )和深层蒸散发系数K。输出 的 是 上 、 下 、 深 各 层 的 流 域 蒸 散 发 量 EU、EL 和 ED(E=EU+EL+ED )。计算中包括三个时变参量，即各层土壤 含水量WU、WL和WD(W=WU+WL+WD)。以上的WM、E、W分别表 示总的流域蓄水容量、蒸散发量、土壤含水量
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新安江模型的基本原理
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原华东水利学院的赵人俊教授于1963年初次提出湿润地区以蓄满产 流为主的观点，主要根据是次洪的降雨径流关系与雨强无关，而只 有用蓄满产流概念才能解释这一现象。上个世纪70年代国外对产流 问题展开了理论研究，最有代表性的著作是1978年出版的《山坡水 文学》，它的结论与赵人俊先生的观点基本一致：传统的超渗产流 概念只适用于干旱地区，而在湿润地区，地面径流的机制是饱和坡 面流，壤中流的作用很明显。20世纪70年代初建立的新安江模型采 用蓄满概念是正确的。但对于湿润地区，由于没有划出壤中流，导 致汇流的非线性程度偏高，效果不好。80年代初引进吸收了山坡水 文学的概念，提出三水源的新安江模型。
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流域蓄水容量曲线
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新安江模型的结构－产流量计算
据此可求得流域平均蓄水容量为
WM
Wm m 0
(1
f F
)dWm
Wmm B 1
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世界上第一个流域水文模型－Stanford模型出现在20世纪60年代， 目前全世界已提出数以百计的流域水文模型。主要包括由美国天气 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等提出的萨克拉门托模型，日本国 立防灾科学研究中心菅原正已教授提出的水箱模型，丹麦技术大学 提出的NAM模型，以及原华东水利学院赵人俊教授提出的新安江 模型。这些概念性水文模型对流域的降雨径流过程进行了较为细致 的模拟。由于这些模型具有较好的结构形式和良好的模拟预报精度 ，因此在洪水实时预报中得到广泛地应用。本文主要介绍国内应用 最为广泛的新安江三水源模型。
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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的基本原理
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该模型按照三层蒸散发模式计算流域蒸散发，按蓄满产流概念计算 降雨产生的总径流量，采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流 面积变化的影响。在径流成分划分方面，对三水源情况，按“山坡 水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水 库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。在汇 流计算方面，单元面积的地面径流汇流一般采用单位线法，壤中水 径流和地下水径流的汇流则采用线性水库法。河网汇流一般采用分 段连续演算的Muskingum法或滞时－演算法，但它一般不作为新安 江模型的主体。
1
FR 1 (1 SMMF)EX SMMF [1 (1 FR) EX ]SMM
SMM
SMM SM (1 EX )
流域的平均自由水容量SM和抛物线指数EX对于一
个流域来说是固定的，属于模型率定的参数。已
知SM和EX，就可以得到SMMF。
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第四章 新安江流域水文模型
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新安江模型的结构
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蒸散发计算原理
各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层 含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发， 下层蒸发与蒸散发能力及下层含水量成正比，与下层蓄水 容量成反比。要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之 比不小于深层蒸散发系数。否则，不足部分由下层含水量 补给,当下层水量不够补给时，用深层含水量补充。