常用水文预报模型介绍

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值 Wʹ :流域最大的Wʹ mm m F :全流域面积 f :流域内张力水蓄水容量≤某一
Wʹ 值的面积 m

计算公式:



PE = P - E >0时才产流 PE + A ≥ Wʹ mm
PE + A < Wʹ mm

水源划分方法



自由水蓄水库结构划分。自由水蓄水库有两个出口,一个 底孔形成地下径流RG,一个边孔形成壤中流RI,其出流
三 阶 段
Ⅲ Ⅱ
若WL<C×WLM 且 WL<C×(EP-EU) 则
EL=WL,ED=C×(EP-EU)-WL
Ⅰ上够蒸;Ⅱ上不够下够;Ⅲ上下都不够蒸深

蓄满产流模式



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(补充张力水,用于蒸发);降水在满足田间持水量以 后,所有的降水(扣除同期蒸发量,变为自由水)都产流。 输入:降雨量与蒸发量之差PE 参数:流域平均张力水蓄水容量WM
WM率定范围:湿润地区100~150mm、半湿润地区150~
200mm,也可直接给定,不用率定(湿润120,半湿润170)。 WUM一般5~20mm,植被很好20mm,植被很差5mm。对 蒸发量计算进而对产流量计算有些影响,系统中WUMx 为WUM 占WM的比例,视具体情况选定率定范围,一般选0.10~0.15。




联立两式求解,可得到马斯京根流量演算公式:
O2 C0 I 2 C1 I1 C2O1
0.5t Kx C 0 K Kx 0.5t 0.5t Kx C1 K Kx 0.5t K Kx 0.5t C 2 K Kx 0.5t




在无区间入流情况下,河段某一时段的水量平衡方程为:
河段蓄水量与流量关系的槽蓄方程,一般可概括为:W=f(I,Q) 马法采用下式表示槽蓄方程:
W K [ xI (1 x )O ] KQ
式中:K为蓄量参数,蓄量流量关系曲线(槽蓄曲线)的坡度; x称为流量比重因子,表示上、下断面流量在槽蓄量中的相对 权重,一定程度上反映了楔蓄对流量演算的作用,如果槽蓄作 用大,则x大,反之x小;Q’为示储流量。
80年代中期,改进提出了三水源新安江模型
模 型


模 型
四 层 结 构
结 构
蒸散发计算采用三层模型
产流计算采用蓄满产流理论 径流划分采用自由水蓄水库 汇流计算采用线性水库
特别说明:河道汇流采用马斯京根分段连续演算或滞后
演算法,但它一般不作为新安江模型的主体
蒸 散 发 计 算
三层蒸发模式
输入:蒸发皿实测水面蒸发E0 流域蒸散发能力折算系数K 参数:上下深三层张力水蓄水容量WUM、WLM、WDM
,具有较为明显的区域性规律。此参数控制着总的水量平衡, 对蒸散发计算进而对产流量计算的影响最为重要和敏感。包括 蒸发皿到真实水面蒸发、水面蒸发到土壤蒸发能力、蒸发观测 地点到流域平均蒸发能力的折算。
若采用E601型蒸发皿测的蒸发E,则可作为EP的初始值,
K则需要根据高程适当修订,一般随高程增加而减小。由于蒸 发观测站多在流域出口断面,因此其取值范围0.8~1.0之间。
(和为流域平均张力水蓄水容量WM)
深层蒸散发系数C 输出:三层蒸散发量EU、EL、ED(和为流域蒸散发E) 三层张力水容量WU、WL、WD(和为张力水W)
蒸 散 发 计 算
计算公式:
EP=K×E0 Ⅰ
当 P+WU≧EP时,EU=EP、EL=0、ED=0
当 P+WU<EP时, EU=P+WU 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




(12、13)CS、L:河网蓄水消退系数、滞后时间,滞后演算
法参数,反映洪水过程的坦化和平移程度,取决于河网地貌条
件。 (14、15)X、KK:河道汇流分段马法参数流量比重因子和 传播时间,取决于河道特征和水利条件,X反映坦化, KK反映 平移。由于实际应用中都令KK=Δt(即计算时段长),所以系统
式中:C0、C1和C2为马斯京根洪水演算方法的演算系数,都 是K、x和∆t的函数,且C0+C1+C2 =1。
参数物理意义及范围
(1)K
W K [ xI (1 x )O ] KQ
马法假定K和x都是常数,这就要求河段蓄量W与示储流 量Q’成单一线性关系,这只有Q’等于该槽蓄量的恒定流流量 Q0时才满足,所以示储流量Q’的物理意义就是恒定流流量Q0。 K=dW/dQ’,即槽蓄曲线的坡度,而dW/dQ’=dW/dQ0,即
K等于相应蓄量W下恒定流状态的河段传播时间τ0,这才是K
的物理意义。在洪水演算中,K主要体现洪水过程的平移。
参数物理意义及范围
(1)K 马法要求流量在计算时段Δt内沿河长呈直线变化。若时 段小于河道传播时间,则会出现计算时段末洪水波的峰、谷位 于河段中间,这就要求Δt ≥ K;而马法又要求计算断面的流量 在时段内接近直线变化,这又要求Δt ≤ K。为了避免出现负出 流等不合理现象,保证上、下断面的流量在计算时段内呈线性 变化和在任何时刻流量在时段内沿程呈线性变化,一般要求 ∆t=K。在系统中率定时,直接取K值为∆t即可。
参数物理意义及范围
(2)x 在实际工作中,一般使用
W K [ xI (1 x )O ] KQ
在洪水演算中,x主要体现洪水过程的坦化。x值越小表明 河段槽蓄作用越大,演算出的过程线坦化程度越大。例如,对 水库而言,槽蓄作用大,入流量I不起作用,过程线坦化程度
其率定一般需要至少4年以上资料,且应先固定其余参数,
单独率定此参数,目标函数设置为多年水量平衡计算。




(2)WM:流域平均张力水蓄水容量,为气候参数,反映流 域干旱程度。 WM=WUM+WLM+WDM。利用久旱以后下大雨 的资料,在雨前可认为蓄水量为0,雨后可认为已蓄满,则此次 洪水的总损失量就是WM。
规律均按线性水库出流。
输入:产流量R 参数:自由水蓄水容量SM
地下水出流系数KG
壤中流出流系数KI 输出:地面径流RS 壤中流RI 地下径流RG




由于产流面积是不断变化的,而且在产流面积上自由水蓄水容 量分布也是不均匀的。因此,采用类似流域张力水蓄水容量面积 分布曲线的流域自由水蓄水容量面积分配曲线来考虑上述不均匀 性。所谓流域自由水蓄水容量面积分配曲线是指:部分产流面积 随自由水蓄水容量而变化的累计频率曲线
成TRS;底孔出流量RG和边孔出流
量RI分别进入各自的水库,并按线 性水库的退水规律流出(消退系数 CG和CI),分别成为地下水对河网 总入流TRG和壤中流总入流TRI 河网汇流:采用线性水库或滞后演算法




(1)K:流域蒸散发能力折算系数,是指流域蒸散发能力与
实测水面蒸发值之比。大体上反映气候和自然地理条件的影响




(6)SM:流域平均自由水蓄水容量,反映表层土(即腐植 土层)的蓄水能力,植被越好土层越厚,值越大。但受降雨资 料时段均化影响明显,时段越短SM越大,因为时段越短越不容 易产生地表径流。其不但决定了地表径流的多少,影响洪峰形 态,且对地表径流与地下径流的比重起决定作用。 SM小,自由水蓄水能力就小,则溢出多,即RS多,且多蓄 于浅层,则产生RI多,产生RG少;SM大,蓄水能力就大,溢 出就少,即RS少,蓄水除浅层外还能到深层,能产生较多RG, 而RI变化不大。日模率定范围10~20,次模20~50。 (7)EX:自由水蓄水容量面积分布曲线指数,反映流域自由 水蓄水分布的不均匀程度,大体反映了饱和坡面流产流面积的 发展过程。其值一般取1.0~1.5,由于不敏感且变幅不大,可取 定值1.5。
水利部水文情报预报中心 2011年11月3日




三水源新安江模型 马斯京根洪水演算法 降雨径流经验相关法
三水源新安江模型
模 型


1963年,提出了湿润地区以蓄满产流为主的观点 1973年,设计了国内第一个完整的流域水文模型——新
安江流域水文模型
1978年,国外出版了《山坡水文学》
Sʹ :流域各点的自由水蓄水容量值
MS:流域最大的Sʹ Fr :流域产流面积 Fs :流域内自由水蓄水容量≤某一 Sʹ 值的面积

计算公式:



R + AU >0时才出流 R+ AU ≥ MS
R + AU < MS




流域汇流计算包括坡地和河网两个汇流阶段
坡地汇流:划分的RS,认为可忽
略坡面汇流时间,直接进入河网形
参数物理意义及范围
(2)x 马法在建立槽蓄曲线时,引入x(流量比重系数),而特 征河长法(存在一个河长,使W、Q成单值关系)引入l(特 征河长。 经分析推导,可得:
x分两部分: ①x1 为水面 曲线形状,反映楔蓄大小 (一般天然河道其值为 1/2);②L/l,为河段L按 l分成的段数 ,反映河段 调蓄能力。
WLM、WDM影响很小,WLM一般60~90mm。WLMx率定
范围0.60~0.90(WLMx 为WLM占(WM-WUM)的比例)。




(3)B:张力水蓄水容量面积分布曲线指数,为地形地质参 数,反映流域张力水蓄水分布的不均匀程度,一般0.1~0.5。流 域内地形地貌地质情况差异越大,值越大;流域越大,值越大 。很小流域(几km2)值为0.1左右,中等流域(100~1000km2)的为 0.2~0.3左右,较大面积(数千km2)的值为0.4左右。 (4)C:深层蒸散发系数,取决于深根植物覆盖面积占流域 面积的比例。植被根系越发达深层蒸发越大。一般经验,江南 湿润地区值约在0.15~0.20,而在华北半湿润地区则在0.08~ 0.12左右。 (5)IM:为不透水面积占全流域面积之比。干旱期降一场小 雨,所产生的小洪水认为完全是不透水面积上产生的,其径流 系数即IM。天然流域0.01~0.02,城市区、水面沼泽区较大。
不率定KK,而率定参数MP(马法Biblioteka Baidu段演算的河段数)。


蓄满产流、一个水库、两条曲线、三种水源
马斯京根洪水演算法
方 法


马斯京根法(Muskingum)是美国人麦卡锡(G. T. McCarthy)
于1938年提出,因最早应用于美国马斯京根河而得名,是一种 经典的的河道汇流计算方法。该法将圣维南方程组中的连续方 程简化为水量平衡方程,把动力方程简化为马斯京根法的槽蓄 方程,并联立求解而得到演算方程。经过几十年的应用和发展 ,已形成了许多不同的应用形式,下面介绍主要的演算形式。
流域张力水蓄水容量面积分布曲线指数B
输出:流域产流量R 流域土壤含水量(张力水含量)W




根据蓄满产流的概念,采用张力水蓄水容量面积分布曲线 来考虑土壤缺水量分布的不均匀问题。所谓张力水蓄水容量面 积分布曲线是:部分产流面积随张力水蓄水容量而变化的累计 频率曲线。
Wʹ :流域各点的张力水蓄水容量 m




(8、9)KG、KI:自由水蓄水库对地下径流和壤中流的出流 系数,是并联的。KG反映基岩和深层土壤的渗透性,KI反映表 层土的渗透性。KG+KI代表自由水出流的快慢,KG/KI代表地下 径流与壤中流之比(RG/RI),对具体流域一般都为固定值。 一般雨止到洪水消退历时为3天,则[1-(KG+KI)]3≈0可得KG +KI=0.7。若KG+KI =0.8,表示历时为2天。当历时超过3天时, 表示深层壤中流在起作用,则不需要调整KG+KI值,而用壤中 流消退系数CI来处理。 上述为日模(24h),若转换为次模(一天分为D个时段) ,则公式为:




(10)CI:深层壤中流水库消退系数,控制壤中流退水形态
,决定洪水尾部退水的快慢。如无深层壤中流时,CI趋于零。
当深层壤中流很丰富时, CI趋于0.9,相当汇流时间约为10天。 其作用是弥补KG+KI =0.7的不足,对整个洪水过程的影响
,远不如SM、KG/KI明显。
(11)CG:地下水库消退系数,反映地下水退水的快慢。可 根据枯季地下径流的退水规律推求, CG =Qt+△t/Qt。如以日为时 段长,则 CG=0.950~0.998,相当于退水历时20~500天。 上述为日模(24h),若转换为次模(一天分为D个时段) ,则公式为:
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