(完整版)新安江流域水文模型
6 新安江模型解读
(6 - 3)
大量资料表明，WWM～f/F有如下关系：
f 1 (1 F f 或 1 (1 F
2019/2/24
WWM B ) WWMM WWM B ) WWMM
(6 - 4)
12
则：
WM
1
0
WWMd (f / F)
WWMM 1 B
(6 - 5)
对纵坐标积分 :
A f WWM W (1 )dWWM (1 )dWWM 0 0 F WWMM 1 W 1 B A WWMM 1 - (1 ) (6 - 6) WM A
(6 - 7)
产流计算特点：雨强对产量无影响，产流量取决于P－E与W。
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模型参数：WM与B WM：流域干燥时的缺水量，代表 流域干旱情况，气候因素； B：蓄水容量在流域上的分布不均 匀性，B＝0时分布均匀，愈大愈不均匀， 决定于地形、地质条件。
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11
利用流域蓄水容量曲线计算产流量（右图）：
W：流域原有蓄水量，相应纵标A W分布：(f/F)A左边蓄满，右边未蓄满， 假定按水平分布。 以此时段为基础： 降雨P，蒸散发E，径流量R，损失量L 满足如下水量平衡关系（超蓄产流方程）：
R ( P E ) ( W2 W1 )
EU EL ED
WUM
WLM
C
出流过程
KE XE
径流 R
径流
R
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8
二、二水源新安江模型的微结构 （一）用超蓄产流（即“蓄满产流”）模型计算总径流 R、地表径流RS 及地下径流RG （1）超蓄产流模型概念 超蓄产流模型是目前我国湿润地区的主要产流模型。 “蓄满”，指含气层的土壤含水量达到田间持水量，而非土壤完全 饱和； “超蓄产流”指土壤达到田间持水量以前不产流，所有降雨都被土 壤吸收，成为薄膜水和张力水；而在土壤达到田间持水量以后，所 有降雨（除去同期蒸发）都产流。这时土壤的下渗能力为稳定下渗 率，稳定下渗量FC补充地下水，形成地下径流，而超渗的部分则形 成地表径流。 与“超渗产流”模型的区别： “超蓄产流”模型先计算R，在分成RS、RG； “超渗产流”模型先计算RS、RG，再合成R。
新安江流域水文模型课件
地表径流
地下水
雨水或雪水在地表形成的流动，包括河流 流动和地下水流动。
地下水是存储在地下土壤空隙和岩石裂缝 中的水，它可以通过地下水位变化和泉水 等形式补给地表水。
能量平衡与水量平衡
能量平衡
地球上水的循环过程与能量平衡密切相关。太阳能是推动水 循环的主要能源，它加热地表和大气中的水，形成蒸发和降 水。
当前的研究重点主要是建立能够准确模拟新安江流域水文循环过程的数学模型 ，提高模型的可靠性和精度，同时加强模型参数的率定和验证，提高模型的适 用性和泛化能力。
模型的构建方法
数据采集
通过实地调查和遥感等技术手段，获取新安江流域的水文 、气象、地形、土壤、植被等数据信息。
模型参数率定
通过实测数据对模型参数进行率定，确保模型的准确性和 泛化能力。
模型的参数优化
基于观测数据的参数优化
新安江流域水文模型可以通过比较观测数据和模拟数据进行参数优化。例如，通 过调整蒸发、降雨等参数，使模拟的降雨径流过程更接近实际观测数据。
基于灵敏度分析的参数优化
新安江流域水文模型可以通过灵敏度分析来确定哪些参数对模型结果影响较大， 然后对这些参数进行优化。例如，通过改变土壤湿度、植被覆盖度等参数，观察 模型结果的变化，以确定这些参数对模型结果的影响。
气水文学。
水资源的概念
水资源是指地球上可供人类利用的 水，包括地表水、地下水、土壤水 和大气水。
水循环的意义
水循环是地球上水从海洋到陆地再 回到海洋的循环过程，它对地球气 候、生态系统和人类生活都有重要 影响。
水循环过程
蒸发
降水
海洋和陆地上的水通过太阳辐射能加热后 蒸发到大气中，形成云和降水。
当水蒸气在大气中冷凝后形成云，云中的 水分子聚集在一起形成水滴或冰晶，最终 以雨、雪、雾或冰雹等形式降落到地表。
新安江流域水文模型
第二章新安江流域水文模型60年代初，河海大学(原华东水利学院)水文系赵人授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人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。
2.1新安江两水源模型1．模型结构和参数新安江两水源模型的产流子模型采用蓄满产流模型，蒸发计算采用三层蒸发计算模型。
利用稳定下渗率FC将径流划分为地面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。
第二章 新安江模型
对总径流积分：
PE A
R
A
f ' dW F
PE A
A
W B [1 (1 ) ]dW ' WMM
'
P E A WMM
A 1 B P E A 1 B R P E WM [(1 ) (1 ) ] WMM WMM
P E A WMM
降水变为径流，产流表现为蓄量控制的特点。湿润地区产流的
蓄量控制特点，解决了产流计算在这些地区处理雨强和入渗动 态过程的问题；而降雨径流理论关系的建立，解决了考虑流域 降雨不均匀的分布式产流计算问题。
按照蓄满产流的概念，采用蓄水容量面积分配曲线来考虑
土壤缺水量分布不均匀的问题。所谓蓄水容量面积分配曲线是： 部分产流面积随蓄水容量而变化的累计频率曲线。
2.2 模型结构
为了考虑降水和流域下垫面分布不均匀的影响， 新安江模型的结构设计为分散性的，分为：蒸散发 计算，产流计算，分水源计算和汇流计算四个层次 结构。
新安江模型各层次功能、计算方法和相应参数
2.3 模型计算
1、蒸散发计算
蒸散发计算采用三层模型，其参数有上层张力水蓄水容量
UM，下层张力水蓄水容量 LM，深层张力水蓄水容量 DM，流域平
流实际上常常包括了大部分壤中流在内。国内外学者研究成果
表明，雨止至地面径流终止点之间的历时，实际上比较接近于 壤中流的退水历时，远远大于地面径流的退水历时。所以，稳 定下渗率的界面就不是在地面，而是在上土层和下土层之间。
存在的主要问题： ①用FC划分水源是建立在包气带岩土结构为水平方向空 间分布均匀的基础上，这假定往往与实际情况不符。 ②用FC划分水源没有考虑包气带的调蓄作用，在某些流 域实际计算结果表明，壤中流的坡面调蓄作用有时比地面径 流大得多；直接进入地下水库没有考虑坡面垂向调节作用， 即包气带的调蓄作用；由于地表径流和壤中流的汇流规律和 汇流速度不同，两者合在一起采用同一种方法进行计算，常 会引起汇流的非线性变化。 ③对许多流域资料的分析表明，即使是同一流域，各次 洪水所分析出的也不相同，而且有的时候变化很大，很难进 行地区综合和在时空上外延，应用时任意性大，常造成较大 误差。
新安江流域水文模型.
第二章新安江流域水文模型60年代初，河海大学(原华东水利学院)水文系赵人授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人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。
2.1新安江两水源模型1．模型结构和参数新安江两水源模型的产流子模型采用蓄满产流模型，蒸发计算采用三层蒸发计算模型。
利用稳定下渗率FC将径流划分为地面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。
6 新安江模型PPT课件
80年代初：三水源模型——地面径流、壤中流、地下径流（引入了 萨克拉门托模型与水箱模型中的用线性水库函数划分水源的概念）；
1984～1986年：提出四水源模型——地面径流、壤中流、快速地下 径流、慢速地下径流。
之后，其它改进。
2020/11/30
3
二、模型的总结构
小流域——集总模型
大面积流域——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 域做产汇流计算，可以得到单元流域的出口流量过程。再 进行出口一下的河道洪水演算，并得流域的流量过程。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。
划分单元的目的：处理降雨分布的不均匀性(用面雨 量带来面积均化)；其次是下垫面条件变化(水库等)。因 此:
KKG
地下径 流过程
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二、二水源新安江模型的微结构
（一）用超蓄产流（即“蓄满产流”）模型计算总径流R、地表径流RS 及地下径流RG （1）超蓄产流模型概念 超蓄产流模型是目前我国湿润地区的主要产流模型。
“蓄满”，指含气层的土壤含水量达到田间持水量，而非土壤完全 饱和；
“超蓄产流”指土壤达到田间持水量以前不产流，所有降雨都被土 壤吸收，成为薄膜水和张力水；而在土壤达到田间持水量以后，所 有降雨（除去同期蒸发）都产流。这时土壤的下渗能力为稳定下渗 率，稳定下渗量FC补充地下水，形成地下径流，而超渗的部分则形 成地表径流。
P E FC时:
RG FC(f/F) FC
R
P-E
RS R - RG
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P - E FC时:
RS 0, RG R
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6-新安江模型
G
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N
B
本次降雨形成的径流过程
H
C 直接径流
地下径流
B’ C’
F D’
I
D t(h)
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2、用试算法求fc
RSi
Ri
fi F
f c t i
RS
n 1
RSi
n 1
Ri
n 1
fi F
f c t i
又fi R F PE
得:
n
Ri RS
WWM：流域蓄水容量 WWMM:流域最大蓄水容量 WM：流域平均蓄水容量
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利用流域蓄水容量曲线计算产流量（右图）：
W：流域原有蓄水量，相应纵标A
W分布：(f/F)A左边蓄满，右边未蓄满， 假定按水平分布。
以此时段为基础：
降雨P，蒸散发E，径流量R，损失量L 满足如下水量平衡关系（超蓄产流方程）：
End If
w(1) = w(1) + p(i) - r - e(1)
w(2) = w(2) - e(2)
w(3) = w(3) - e(3)
If w(1) > wm(1) Then
(6 - 5)
A
f
A
WWM
W 0
(1
)dWWM F
0
(1
)dWWM
WWMM
A
WWMM 1-
(1 -
W WM
1
) 1 B
(6 - 6)
c）流域产流计算 P－E>0时，产流，否则不产流 ，产流时：
P E A WWMM时: R P E (WM W) P E A WWMM时:
第二章 新安江模型
EP=KC× EP=KC×Ew 具体计算为： 具体计算为： 当 当 P+WU≧EP时 EU=EP，EL=0， P+WU≧EP时，EU=EP，EL=0，ED=0 P+WU<EP时 P+WU<EP时， EU=P+WU 若 若 WL>C× WL>C×LM WL<C×LM WL<C× EL=(EP-EU)× 则 EL=(EP-EU)×WL/LM ，ED=0 且 WL≧C×(EP-EU) 则 WL≧C×(EP-
蒸散发计算采用三层模型； 蒸散发计算采用三层模型；产流计算 采用蓄满产流理论； 采用蓄满产流理论；用自由水蓄水库结构 将总径流划分为地表径流、 将总径流划分为地表径流、壤中流和地下 径流三种；流域汇流采用线性水库； 径流三种；流域汇流采用线性水库；河道 汇流采用马斯京根分段连续演算或滞后演 算法。 算法。 模型理论 与方法 模型广泛应用于中国湿润和半湿润地 效果良好。 流域水文模型区，效果良好。《流域水文模型-新安江模 型与陕北模型》获国家科技成果一等奖。 型与陕北模型》获国家科技成果一等奖。 有时间请诸位读读 Hillslope Hydro log y 等本学科的几部经典原著，以便对本学科 本学科的几部经典原著， 基本理论有一个全面的、系统的了解。 基本理论有一个全面的、系统的了解。
EL=C×(EP-EU)， EL=C×(EP-EU)，ED=0 若 WL<C× WL<C×LM WL<C×(EP且 WL<C×(EP-EU) 则
EL=WL， (EP-EU)EL=WL，ED=C ×(EP-EU)-WL
2、 产流计算 产流计算中采用蓄满产流。 产流计算中采用蓄满产流。蓄满是指包气带的土壤含水量 达到田间持水量。蓄满产流是指： 达到田间持水量。蓄满产流是指：降水在满足田间持水量以前 不产流，所有的降水都被土壤所吸收； 不产流，所有的降水都被土壤所吸收；降水在满足田间持水量 以后，所有的降水（扣除同期蒸发量）都产流。 以后，所有的降水（扣除同期蒸发量）都产流。其概念就是设 想流域具有一定的蓄水能力，当这种蓄水能力满足以后，全部 想流域具有一定的蓄水能力，当这种蓄水能力满足以后， 降水变为径流，产流表现为蓄量控制的特点。 降水变为径流，产流表现为蓄量控制的特点。湿润地区产流的 蓄量控制特点， 蓄量控制特点，解决了产流计算在这些地区处理雨强和入渗动 态过程的问题；而降雨径流理论关系的建立， 态过程的问题；而降雨径流理论关系的建立，解决了考虑流域 降雨不均匀的分布式产流计算问题。 降雨不均匀的分布式产流计算问题。
水文预报- 新安江模型
O2 = C0 ⋅ I 2 + C1 ⋅ I1 + C2 ⋅ O1
水ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ预报
FR = R / PE
R = FR × PE
FR
第二节 新安江模型
5.2.3 模型计算 模型计算——2、产流计算模块 、 不透水面积占全流域面积的比例——IM 不透水面积占全流域面积的比例 R' = R ×（1－IM）+ PE ×IM － ） 为地表净雨。 且PE ×IM 为地表净雨。
第二节 新安江二水源模型
5.2.3 模型计算 模型计算——3、分水源计算模块 、 （1）PE≤FC， PE/△t= i ≤ fC =FC /△t ， ） ， △ △ RG=R RS=0 （2）PE≥FC， PE/△t= i ≥ fC =FC /△t ， ） ， △ △ RG=R/PE×FC=α×FC × × RS=R-RG
水文预报
CH5 流域水文模型
第二节 新安江二水源模型
5.2.2 模型结构 模型结构——四个模块 四个模块
产流 计算 蒸散发 计算 分水源 计算 汇流 计算
第二节 新安江二水源模型
5.2.3 模型计算 P P≤E 三层蒸发 模型求E 模型求 R=0 蓄满产流 模型求R 模型求 W末=W初+P-E WU末=WU初+P-EU 末 初 WL末=WL初- EL 末 初 WD末=WD初- ED 末 初 △W =PE-R≥0 W末=W初+△W △ 自上而下补给 P>EP E=EU=EP PE=P-E=P-EP
第二节 新安江二水源模型
5.2.3 模型计算 模型计算——4、汇流计算模块 、 （1）坡地汇流 ） 地面净雨——时段单位线法 时段单位线法 地面净雨
新安江水文模型简介
《流域水文模拟》结课报告新安江模型的原理、结构及应用、发展历程The principle, structure, application and development process of Xin anjiang Model作者姓名：孔旭学科、专业：水文学及水资源学号：21506149指导教师：王国利完成日期：2016年8月30日大连理工大学Dalian University of Technology摘要新安江模型是河海大学提出的一个概念性降雨径流模型，具有原创性，是我国为数不多的被国际上广泛认可的水文模型。
新安江水文模型在我国湿润与半湿润地区广为应用，取得了良好的效果。
经过近50年的发展，新安江模型已经从最初的专门从事水库入库洪水预报的单一功能模型发展为适合用于水文预报、水资源管理、水土资源评价、面源污染预测、气候变化和人类活动影响研究的多功能的水文模型；其部分参数已从靠经验率定发展为可以进行物理推求。
总之，新安江模型是一个不断发展的模型体系。
本文主要由三部分构成。
第一部分为新安江模型简介，回顾了新安江模型产生的历史背景和发展历程，介绍了新安江模型的基本原理和结构体系；第二部分讲述了新安江模型参数的物理意义及其率定；第三部分为新安江水文模型在英那河流域防洪规划编制当中的应用。
关键词：水文模型；新安江模型；洪水预报The principle, structure, application and development process of Xinanjiang ModelAbstractXin anjiang Model originally proposed by Hehai University is a conceptual rainfall runoff model and is also one of the few widely recognized international hydrological model in China. Xin anjiang hydrological model was widely used in our humid and semi-humid areas, and achieved good results.After nearly 50 years study, Xin anjiang model has been developed from the single-function of reservoir flood forecasting into multi-purpose model including hydrological forecasting, water resources management, water and soil resources evaluation, non-point source pollution prediction, climate change and human activities versatile hydrological model studies. And part of its parameters can be acquired through physical calculation instead of experience. In short, Xin anjiang model is an evolving model system.This paper consists of three parts. The first part is about the brief introduction of Xin anjiang model, which recalls the historical background and the development, as well as introduces the basic principles and architecture; the second part describes the physical meaning of Xin anjiang model parameters and calibration; the third part is about the application of Xin anjiang model in Ying Na River Basin flood control planning.Key Words: hydrological model; Xin anjiang model; Flood forecasting目 录摘 要 .............................................................. I Abstract .. (II)引 言 (1)1 新安江模型简介 (2)1.1 新安江模型起源 ............................... 错误!未定义书签。
6 新安江模型汇总
2018/11/1
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（2）超蓄产流模型的结构 a）点模型 以含气层缺水量为控制条件，就流域中某点而言：
蓄满前: P E WW2 WW1 蓄满后: P E R 式中: P : 时段降雨量 E : 时段蒸散发量 R : 时段产流量
(6 - 1)
WW1 , WW2 : 时段初末的土壤含水量
21.11
30.51 24.27 84.62
0.0427
0.0632 0.0495 0.2091
0.50
0 7.46 17.61
0.50
0 2.22 5.84
0
0 5.23 11.76
29.57
23.68 76.57 113.20
23
24
20.27
-2.79
138.85
156.00
0.4844
1.0000
c）流域产流计算 P－E>0时，产流，否则不产流 ，产流时：
P E A WWMM 时 : R P E ( WM W ) P E A WWMM 时 : R P - E - (WM - W) - WM1 - (P - E A)/WWMM
1 B
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式(6 1)中 , R RS RG , 即 RG FC RS R - RG P - E - FC FC : 时段稳定下渗量
b）流域蓄水容量曲线（超蓄产流模型的核心）
(6 - 2)
WWM：流域蓄水容量 WWMM:流域最大蓄水容量
WM：流域平均蓄水容量
I
E
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2、用试算法求fc f RS i R i i f c t i F
第四章---新安江流域水文模型教学教材
第四章---新安江流域水文模型第四章新安江流域水文模型4.1 概述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。
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。
4.2 新安江模型的基本原理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。
第二章 新安江模型
2.3 模型计算
1、蒸散发计算 蒸散发计算采用三层模型， 蒸散发计算采用三层模型，其参数有上层张力水蓄水容量 UM， LM， DM， UM，下层张力水蓄水容量 LM，深层张力水蓄水容量 DM，流域平 WM， KC，深层蒸散发系数C 均张力水蓄水容量 WM，蒸散发折算系数 KC，深层蒸散发系数C， 计算公式为： 计算公式为： WM=UM+LM+DM W=WU+WL+WD E=EU+EL+ED 上层 (Upper layer) 下层 (Lower layer) 深层 (Deep layer)
（2）三水源 三水源的水源划分结构应用了山 坡水文学的概念，去掉了FC FC， 坡水文学的概念，去掉了FC，用自由 水蓄水库结构解决水源划分问题。 水蓄水库结构解决水源划分问题。
自由水蓄水库结构考虑了包气带的垂向调蓄作用。 自由水蓄水库结构考虑了包气带的垂向调蓄作用。按蓄满 先进入自由水蓄水库调蓄， 产流模型计算出的总径流量 R，先进入自由水蓄水库调蓄，再 划分水源。从图可见， 划分水源。从图可见，产流面积上自由水蓄水库设置了两个出 一个为旁侧出口，形成壤中流RI 另一个为向下出口， RI； 口，一个为旁侧出口，形成壤中流RI；另一个为向下出口，形 成地下径流RG RG。 成地下径流RG。
对总径流积分： 对总径流积分：
R=
P−E+ A
∫
A
f ' dW = F
P−E+ A
∫
A
W' B [1− (1− ) ]dW' WMM
P−E+ A<W M M
A 1+B P − E + A 1+B R = P − E −WM[(1− ) −(1− ) ] WMM WMM
(完整版)流域水文模型
模型参数
●区别于不同流域水文特征的一类待定参 数。 模型结构确定后，以降雨、蒸发资料作为 输入，以流域出口断面的流量资料作为输 出，则模型参数常常可以用系统分析来率 定。流域上各水文要素模拟量如植物截留、 下渗、流域蓄量、坡面流、表层流、地下 径流等则是系统的状态变量。
• A、概率模型 • B、随机模型
（2）确定性模型
• “黑箱”模型 • 概念性模型 • 整体模型 • 过程模拟模型 • 集中模型 • 分散（块）模型
把全流域作为一 个整体研究，忽略输 入变量与参数的时空 分布的差异。
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数学模型的分类：
（1）随机性模型（非确 定性模型）
• A、概率模型 • B、随机模型
流域水文模型
第一节 概述
• 一、水文模型的定义和分类 • 二、建立水文模型的的步骤 • 三、水文模型的特点及作用
第二节 几种常用的流域水文模型
• 一、新安江流域模型 • 二、萨克拉门托(Sacramento)模型 • 三、水箱(Tank)模型
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一、水文模型的定义和分类
水文模型是模拟水文现象而建立的实体 结构和数据结构。是对实际水文现象过 程的概化。 被模拟的水文现象称为原型，模型是对 原型的概化。 仿造原型制作模型的工作就称之为模拟。 对水文学来说，模型是描述一种现象转 换为另一种现象的工具。
的输入和输出资料。
仅输入为已知的，其
他均为未知——“黑
箱”，该模型又称为
非参数模型。
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数学模型的分类：
（1）随机性模型（非确 定性模型）
• A、概率模型 • B、随机模型
（2）确定性模型
• “黑箱”模型 • 概念性模型 • 整体模型 • 过程模拟模型 • 集中模型 • 分散（块）模型
新安江流域水文模型
新安江模型的基本原理
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。
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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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
FR 1 (1 SMMF)EX SMM
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SMMF [1 (1 FR) EX ]SMM
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新安江模型的结构
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。(上层以蒸散发能力蒸发,直到上层水分耗尽, 才蒸发下层;下层土壤蒸散发量与剩余蒸散发能力(流域蒸散发能力与上层蒸散 发量之差)及下层土壤实际含水量成正比。)
6 新安江模型.
13.47
0
11.96
0
1.51
0
120.00
117.21
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尤其半湿润地区需要考虑
IMP:不透水面积参数（新安江模型新增参数），流域不透水 8）式，其它都不变。
WWMM (6 5) WM (1 IMP ) 1 B (6 - 8) P - E FC时 R RG FC IMP P - E RS R RG
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（2）超蓄产流模型的结构 a）点模型 以含气层缺水量为控制条件，就流域中某点而言：
蓄满前: P E WW2 WW1 蓄满后: P E R 式中: P : 时段降雨量 E : 时段蒸散发量 R : 时段产流量
(6 - 1)
WW1 , WW2 : 时段初末的土壤含水量
EL C ( EP EU ) ，ED 0
WL C WLM
若
且 WL C ( EP EU ) ，则
EL WL ， ED C ( EP EU ) WL
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If w(1) + p(i) > ep(i) Then e(1) = ep(i) e(2) = 0 e(3) = 0 Else e(1) = w(1) + p(i) e(2) = (ep(i) - e(1)) * w(2) / wm(2) If w(2) <= c * wm(2) Then e(2) = c * (ep(i) - e(1)) e(3) = 0 If w(2) >= c * (ep(i) - e(1)) Then e(2) = c * (ep(i) - e(1)) e(3) = 0 Else e(2) = w(2) e(3) = c * (ep(i) - e(1) - e(2)) End If End If End If w(1) = w(1) + p(i) - r - e(1) w(2) = w(2) - e(2) w(3) = w(3) - e(3) If w(1) > wm(1) Then w(2) = w(1) - wm(1) + w(2) w(1) = wm(1) If w(2) > wm(2) Then w(3) = w(3) + w(2) - wm(2) w(2) = wm(2) End If End If
新安江流域水文模型
⑵概念性模型
• 是以水文现象的物理概念作基础进行水文过程模拟的，它所 模拟的不完全是真的物理实体，而要对物理现象进行概化。
• 例如，概念性模型常把流域的包气带概化成两层或三层，每 层看作是均匀的土层，以便有效地模拟流域蒸散发和径流的 形成。其中，上层代表疏松的表土层，下层代表较坚实的土 层；潜水面以下的地下含水层看作是一个线性水库，以便模 拟地下径流。
• 由于数学模型不受客观条件限制，容易制作，因而得到广泛应 用，特别是在不能建立物理模型的情况下，例如，研究地球大 气环流物理系统，建立模型的唯一选择只能是数学模型，即建 立大气环流物理方程，然后进行数值仿真，以揭示大气环流运 动的客观规律。
3.1 随机模型：
• 指模拟水文现象随机性的模型，包括统计模型和时间序列模 型等。统计模型模拟水文现象的统计规律( 随机规律 )，例如， 频率计算、相关分析都是统计模型的例子。随机水文学中所 研究的AR(p) 、MA(p，q)等模型属于时间序列模型。
• 瞬时单位线（纳西单位线），利用流域的降雨和前期输出与 当前输出建立关系的总径流响应模型是系统模型的例子。
• 系统模型根据其建模方程是线性方程或非线性，方程又可分 为线性模型和非线性模型两类。每类又视其参数是否随时间 变化分为时变模型和非时变模型两种模型。
4.水文数学模型：
• 水文数学模型是根据水文循环中各个环节的物理规律建立起 来的“数学系统”。一般文献中指的水文模型实际上是水文 数学模型。
数学模型
水文模型
物理模型
随机模型
确定性模型
实验模型
原型模型
数学物理模型
概念性模型
集总模型
分散模型
时
时时
时
变
不变
第四章 新安江流域水文模型
第四章新安江流域水文模型4.1 概述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。
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。
4.2 新安江模型的基本原理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。
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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
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。(上层 以蒸散发能力蒸发,直到上层水分耗尽,才蒸发下层;下层土壤 蒸散发量与剩余蒸散发能力(流域蒸散发能力与上层蒸散发 量之差)及下层土壤实际含水量成正比。)
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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
河海大学水资源环境学院黄国如
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。
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第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
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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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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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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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的基本原理
河海大学水资源环境学院黄国如
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。
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。
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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第四章 新安江流域水文模型
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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。
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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。
第四章 新安江流域水文Biblioteka 型河海大学水资源环境学院黄国如
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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第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
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第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
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。