The Comparison Between Winbtopmc And Xin’Anjiang
Model
Xin Penglei
Graduate student，College of water resources and environment，Hohai University，Nanjing
（210098)
Abstract
The Xin’anjiang model is used widely and perfected in China during the last thirty years, and WinBTOMC model is refers to the Blockwise application of TOPMODEL, which needs more high resolution hydrologic data and seems have a better performance. This study compared these two models on a same semi-arid basin, and the result is: the Xin’anjaing model performed much better than the WinBTOPMC model on yearly data while the WinBTOPMC model performs well on monthly metrological data.
Key w ords：Xin’anjiang Model，WinBTOPMC model，distributed
1. Introduction
Xin’anjiang model[1] is used widely and perfectly in china for the last thirty years, however, as a conceptual model, it seems can’t catch up with the world now. Nowadays, there are more and more high resolution digital data available and more and more distributed hydrologic models are flourishing. May be it is high time we modify the Xin’anjiang mdoel to a distributed one.
The WinBTOPMC model[2] is refers to the Blockwise application of TOPMODEL, using Muskingham-Cunge flow routing, and because of its sub-division block, it overcome a commonly accepted maximum basin area of 1500 km2 for TOPMODEL applications.
This study tried to find out the merit of this WinBTOPMC comparing with the Xin’anjiang model on a semi-arid watershed－the Dongwan basin which located in the south of the Yellow river in China. It is a middle larged watershed with an area about 2700 quare kilometers and the terrain of the region is moderately sloping with soils. The annual average precipitation of the region is 500-800mm which varies greatly among different years, the greatest annual precipitation would be 3 times than that of others. There are 11 precipitation gauging stations and 3 discharge gauging stations.
However, the result is not perfect as expected, The Xin’anjiang model performed better on the yearly data; otherwise, the WinBTOPMC model performed well on monthly data.
2. Xin’Anjiang Model
The main feature of Xin’anjiang Model is the concept of runoff formation on repletion of storage, which means that runoff is not produced until the soil moisture content of the aeration zone reaches field capacity, and then the runoff equals the rainfall excess without further loss.
2.1The Model structure
The basin is divided into several blocks. The outflow from each block is first simulated and then routed down the channels to the mail basin outlet. Based on the concept of runoff formation on the repletion of storage, the simulation of outflow from each block is consisted of four major parts:
(a)the evapotranspiration which generates the deficit of soil storage which is divided into three layers: upper, lower and deep;
(b)the runoff production which produces the runoff according to the rainfall and soil storage deficit;
(c)the runoff separation which divides the above so determined into three components: surface, interflow and groundwater;
(d) the flow routing which transfers the local runoff to the outlet of each block forming the outflow of the block.
2.2The Model performance
Xin’anjiang Model performs well in this basin,
which can be illustrated by the following figures. The blue line shows the observed flood hydrograph, the yellow line shows the discharge from the upper stream, the black line shows the calculated discharge.
Fig.1 The flood hydrograph of 1995
Fig.2 The flood hydrograph of 1996
Fig.3
The flood hydrograph of 1997
Fig.4 The flood hydrograph of 1998
Fig.5 The flood hydrograph of 1999
Fig.6 The flood hydrograph of 2000
From the figures above, we can see that the simulation results are good, all of the Nash coefficients are greater than 80%.
3. Winbtopmodel
WinBTOPMC refers to the Blockwise application of TOPMODEL, using
Muskingham-Cunge flow routing. The two primary extensions made in WinBTOPMC are: (a) Overcoming a commonly accepted maximum basin area of 1500 km 2 for TOPMODEL applications by representing large basins as a collection of "blocks" or sub-basins.
(b) Inclusion of Muskingham-Cunge flow routing, since the timing of discharge delivery to the outlet becomes increasingly important for large basin sizes.
The Model structure:
WinBTOPMC retains the assumption of spatial lumping of the water table over a modelled area. However, on the assumption that this lumping is an important factor in limiting the maximum application area for TOPMODEL, the water table is only lumped at the block (sub-basin) scale, rather than the scale of the entire basin. Therefore, for n blocks there will be n equations describing the relationship between local values of the saturation deficit and topographic index and block-average values of saturation deficit,
topographic index and m, of the form:
where i is the block number of the location (x,y).
Fig.7 The vertical profile of each grid The vertical profile of each grid cell is conceptualised as a three zone system: a root zone of fixed capacity that directly receives precipitation and is subject to evapotranspiration, an unsaturated zone that receives all "overflow" from the root zone, and a saturated zone (water table) that receives water from the unsaturated
zone at a rate given by:
where K 0 is the vertical unsaturated conductivity,
conventionally assumed to be equal to the saturated transmissivity T 0, and S uz is the unsaturated zone storage. Overland flow q of occurs if the saturation deficit minus the unsaturated zone storage is less than zero.
In addition, WinBTOPMC permits grid-by-grid spatial variability in soil and land cover properties, as well as climatic forcing (i.e. precipitation and potential evapotranspiration).
4. Data Preparation
Data required include land cover classification; Digital Elevation Model; soil map and other meteorogical datas.
4.1 Digital elevation model
The DEM dataset are obtained from https://www.doczj.com/doc/679580639.html,/mgg/topo/globe.html with a horizontal grid spacing of 30 arc seconds. See figure 8.
4.2 Land cover map (Matched with IGBP land cover classification scheme)
Downloaded the GLOBAL LAND COVER CHARACTERIZATION from:
https://www.doczj.com/doc/679580639.html,/landdaac/glcc/glcc.ht ml
See figure 9.
4.3 soil map(figure 10.)
4.4 NDVI (Pathfinder AVHRR Land Data)
From the web: ftp://https://www.doczj.com/doc/679580639.html,/data/avhrr
Fig.8 DEM
Fig.9 Land cover map
Fig.10 Soil map
4.5 Monthly metrological data
Monthly metrological data are mainly used for calculating the evaporation on the basin. Include Mean daily temperature, Mean diurnal temperature range, vapor pressure, cloud cover, wind speed. : Source form CRU Climatic Datasets (UEA/CRU) and Extra terrestrial Radiation and Possible duration of sunshine : calculate by equation.
5. Parameterization
The specific parameters used by
WinBTOPMC are as follows:
(a) Saturated transmissivity, T 0 , which describes
the potential rate of lateral flow for a completely saturated soil profile for a given hydraulic
gradient.
This parameter is obtained through calibration. That is reclassifying the soil classification in order to reduce the numbers of classes and then
calibrate this parameter.
(b) A decay coefficient, m , which describes how actual transmissivity decreases when the soil is not completely saturated. And this parameter is obtained by try and error.
(c) Manning's roughness parameter, n , which is required by the Muskingham-Cunge flow routing algorithm. And this parameter is obtained by try and error.
(d) Rooting depth, S r,max , which is used to represent the vegetation rooting depth, but also integrates the interception capacity of the canopy. And here also calibrate the S r,max for each land cover classes.
6. Results
6.1 Parameter resoults
T Able1 Basin characters
BasinID m N0 alpha SDbar 0 0.03 0.03 0.01 0.2 1 0.02 0.005 0.01 0.15 2 0.01 0.005 0.01 0.13 3 0.01 0.01 0.01 0.2
T Able2 Maximum Storage in the Root zone
ID Landcover Area (%)
Sramx
4 DBF 33.07
5 M F 5.04 0.5
6 CS 14.06 8 WS 11.49 9 S 0.19 10 G 0.01 0.1 12 C 21.55 14 C/N 14.59
0.1
T Able3 Soil Transmisivity
Soil_Type T0
Clay 110 Sand 200 Silt 150
6.2 Flood hydrographs
Fig.11 The flood hydrograph of 1997
Fig.12 The flood hydrograph of 1998
Fig.13 The flood hydrograph of 1999
Fig.14 The flood hydrograph of 2000
Fig.15 The flood hydrograph of 1995
Fig.16 The flood hydrograph of 1996
The first 4 floods are used for calibration, the last 3 for validation. From the figures above, we can see that the simulation results are good but not perfect as Xin’anjiang model.
However, the fig.17 and 18 provide us a good detail performance in calibration months.
And the validation month are also very good! (Figure 19-20)
Fig.17 the flood hydrolograph of AUG. 1998
Fig.18 the flood hydrolograph of jul. 2000
Fig.19 the flood hydrolograph of aug. 1995
Fig.20 the flood hydrolograph of sep. 1996 Acknowledgement
It is my great pleasure to have been participated in the 21st Century COE Virtual Academy 2006(VA) of University of Yamanashi, in the past 4 months, I learned a lot from the program, and put them into practice. This work would not have been possible without the help of the BTOPMC-TEAM; I’d like to express my great thanks to them, for their impatience and great help in many aspects, thanks!
References
[1]: ZHAO R J. The Xinanjiang Model applied in China[J].Journal of Hydrology, 1992,135(4):371-381. [2]:
http://coeinav.cec.yamanashi.ac.jp/inavi/scripts/inredir.dll.
Author introduction ：
Xin Penglei (1982-)，female ，born in Shan Dong province ，Graduate student ，Study on flood
forecasting.
生态环境 2006, 15(6): 1391-1396 https://www.doczj.com/doc/679580639.html, Ecology and Environment E-mail: editor@https://www.doczj.com/doc/679580639.html, 基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX-SW-446） 作者简介：赵少华（1980－），男，博士研究生，主要研究方向为农业生态及遥感水文生态。Tel: +86-311-85814806; E-mail: zshyytt@https://www.doczj.com/doc/679580639.html, *通讯作者 遥感水文耦合模型的研究进展 赵少华1, 2，邱国玉1，杨永辉2 *，吴 晓1，尹 靖1 1. 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室//北京师范大学资源学院，北京 100875； 2. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心//河北省节水农业重点实验室，河北 石家庄 050021 摘要：遥感水文的耦合模型在目前生态环境领域，特别是在水资源的应用和管理中其作用日益重要，具有大流域尺度上快速应用、实时动态监测等优点。结合国内外近年来取得的研究成果，文章综述了遥感水文耦合模型的研究进展。首先介绍了遥感技术在水文学中的应用，讨论了它的分类发展概况，接着介绍了几种主要的遥感水文耦合模型及其应用实例，包括SCS （Soil Conservation Services ）模型、SiB2（Simple Biosphere Model version 2）简化生物圈模型、SRM （Snowmelt Runoff Model ）融雪径流模型以及SWAT （Soil and Water Assessment Tool ）模型，最后展望了遥感水文耦合模型未来的发展趋势，指出尺度问题上的时空变异性仍是其发展的关键，与GIS （Geographic information system ）及其他空间技术的相结合是其未来发展的重要方向，从而为水文学、水资源的预测评价等研究提供参考。 关键词：遥感；水文；径流；流域 中图分类号：P338.9 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）06-1391-06 水文模型是以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型，通过电子计算机快速分析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水体的存在、循环和分布，以及物理和化学特性[1]。通过对各种参数的计算，水文模型可以对河流、流域、径流以及水体等进行监测预报、水资源调度等。然而随着社会的发展和科学技术的不断进步，对水文模型的功能要求也越来越多，也越来越高，从单纯的流域某控制断面的洪水预报到全流域的洪水、水资源调度，导致模型的框架结构越来越复杂。地理信息技术和遥感技术的发展更是大力促进了水文模型的应用和发展。对于遥感在水文模拟中的应用，Schultz [2]举出了利用多光谱Landsat 卫星数据估算模型参数、利用NOAA 红外卫星数据作为模型的输入量来计算历史的月径流量以及应用雷达测雨数据于分布式模型中来实时预报洪水的三个例子。水文模型需要大量的空间数据，通过遥感技术可以为其提供DEM （数字高程模型）、土地覆盖/利用、降雨、地表温度、土壤特性、LAI （叶面积指数）和蒸散发等资料[3-5]。 遥感水文的耦合模型是流域水文模型发展的一个重要方向，有广阔的发展前景。简单来说，遥感水文耦合模型就是与遥感信息相结合的水文模型，模型中可以直接或间接地应用遥感资料，通过遥感水文耦合模型可以在更大范围内更准确地估算流域的水文概况、水体变化监测、洪水过程监测 预报等。然而目前国内外对遥感水文耦合模型的研究还不多，还没有对该方面的研究做系统深入的报道，本文正是基于此目的，综述了近年来遥感水文耦合的模型在国内外取得的研究成果，分别讨论了它的分类发展概况、几种主要的遥感水文耦合模型及未来的发展趋势，以期为水资源、水文学的预测评价研究等提供参考。 1 遥感技术在水文学中的应用 遥感技术在水文学中的应用大致可分为两个方面：一是直接运用：如降雨量变化的估算[6]、水体（湖泊、湿地等）面积变化的推算[7-10]、冰川和积雪的融化状态监测以及洪水过程的动态监测等（其中监测洪水过程的动态最具有代表性）。如Zhang 等[11]在长江的汉口段流域上，提出利用高分辨率的QuickBird 2 卫星影像资料估算河流流量的方法，该法通过与河流宽度－水位及遥测水位－流量关系曲线耦合来测量河流水面宽度变化，从而准确评估其流量。二是间接运用：利用遥感资料推求有关水文过程中的参数和变量。通常是利用一些统计模型和概念性水文模型、经验公式等，结合遥感资料来获取诸如径流、水质（如全氮TN 、全磷TP 、悬浮物SS 、化学需氧量COD 、生物需氧量BOD 等）、 土壤水分等水文变量[12] ，如对径流的估算，可通过估算降雨、截流、蒸散发和土壤蓄水量等参数来进行[13]。对于全球或区域尺度上的蒸发估算，遥感技术不仅具有对大面积地面特征信息同时快捷获得
基金项目 作者简介山西运城人教授 主要从事水文预报研究 基于的和分布式水文模型的应用比较 李致家 水资源环境学院江苏南京 摘要本文采用 对 建了基于 并将个模型应用 于黄河支流洛河卢氏以上流域的水文模型的参数率定和模拟比较 以探讨 个模型都能很好地进行水文过程模拟 其中基于 更好的效果 新安江模型 自世纪后半叶许多水文模型被提出并应用于实际 利用地理信息和遥感技术考虑流域空间变异性的分布式水 赵人俊 改进作者曾在产流机制基础上提出了一个基于 栅格和地形的分布式物理模型 模型 本文将 最后将 模型 如图所示将流域划分成栅格图中流域有模型以 基础提取水系划分子流域 进行单个栅格产流计算再以流向为基础生成河网采用 产流计算 将单元汇流带内的栅格通过土壤缺水量建立联模型的部分产流理论
单元汇流带示意 式中是单元栅格的地 形指数 关系 黏 壤 式中 和 指在沙 植被及根系截留计算 认为同类土地覆盖参数 在单元栅格上时段的降水量 植物截留 蒸散发计算 在 植被及根系截留层蒸散 蒸散发先发生在植被及根系截留层当植被及根系截留层的水分蒸发完毕 式中上上时段的植被及根系截 是单元栅格上的植被及根系截留层最大截流量 式中上 上 土壤水流计算 式中?
图 ? 汇流计算 由 格演算次序矩阵 采用 如图 栅格水流都流入 由 得 则 出流量 为 之及自身产流量 其中 基于子流域的模型和基于子流域的新安江模型 图? 新安江模型计算流程模型结构 将模型和新安江 模型与构建了两个分布式水文模 型 分别采用 入流进行河网演算得到流域出口断面的流量 图 基于子流域的等流时线汇流法基于子 的面积 或面积 设时刻子流域出口断面的流 量为 时刻子流域的平均产流量为 的水流才对出口断面的 时刻流量 由于至时刻的产流量对出口断面 时刻流量 从而通过积分可以得到将子流域根据平均水流路径划分成个汇流区第个汇流区累计以上汇流区的面积和占流域总 面积百分比为 个汇流区距离出口的平均水流路径为 个汇流区的平均水流速度为
东南大学交通学院 桥涵水文资料整理 指导老师：许崇法 姓名：郭赵元 学号：21710131
目录 第一章新安江模型 (3) 1.1 新安江模型简介 (3) 1.2 新安江模型的基本原理 (3) 1.3 新安江模型结构 (4) 第二章陕北模型 (6) 2.1陕北模型简介 (6) 2.2 陕北模型结构 ............... .. (7) 2.3 模型评述 (8)
第一章新安江模型 1.1新安江模型简介 新安江模型始建于 1973 年，采用蓄满产流的概念，以土壤含水量达到田间持水量后才产流，是个分布式的概念性模型，30 多年来在我国湿润与半湿润地区有广泛应用，并发展改进为三水源的以及其他多水源的模型。 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。 1.2新安江模型的基本原理 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。 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。 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。 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。
新安江模型评述 宫兴龙1 （1.东北农业大学水利学院、黑龙江、哈尔滨 150030） 摘要： 针对目前对新安江模型构建的机理和使用条件不是十分清楚的情况 （目的）， 本文从新安江模型的面雨量算法的适用性、蓄水容量曲线的选取、产流机制、产流方法、汇流机理和汇流方法等六方面对新安江模型进行深入的分析。 （方法） 对目前新安江模型使用情况进行汇总和归纳出新安江使用情况。 （方法） 文章介绍了近年来新安江模型在结构、理论方法及应用等方面取得的进展，认为新安江模型是一个不断发展的模型理论体系。 （结论） 本文可以为应用新安江模型给提供参考，也为评述水文模型提供了方法。 （意义） 关键词：新安江模型；产流；汇流；模型应用 英文名称 GONG xinglong1 （1．School of Water Conservancy and Construction Northeast Agricultural University，Haerbin，150030）Abstract: Key words: 1.引言 1973年，河海大学赵人俊教授领导的研究组在编制新安江入库 1作者简介(小5黑)：姓名（出生年份-），性别，××省××市（县）人，职务，学历。主要从事××××方面研究。E-mail：
洪水预报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的特点，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，以下简称新安江模型。最初研制的是二水源新安江模型，80年代中期，借鉴山坡水文学的概念和国内外产汇流理论的研究成果，提出了三水源新安江模型。 （简要叙述一下模型的构建过程） 新安江被水文学家和学者广泛的应用和改进[1]。 （说明模型应用比较广泛、模型非常重 要或模型对学科有指导意义等） 虽然新安江模型被广泛的使用，但很多学者在应用时新安江模型时，对该模型构建的机理和使用条件认识不是十分清楚，在应用常常出现效果不好情况，针对这种情况本文对新安江模型构建和使用情况进行了一个深入的分析。 （发现模型构建上问题或使用问题， 本文采用什么方法进行处理， 得到的结果是什么样子） 2.蒸散发 新安江模型计算蒸散发是通过由水面蒸发推求流域蒸散发。 常用的水面蒸发有热量平衡法、空气动力学法、混合法、水量平衡法和经验公式法。 由于一个流域的水面蒸发应用公式法计算蒸发比较困难，传统的求水面蒸发是利用仪器进行观测，举例（）， 站点设置要求 3.面雨量计算 由点雨量推求面雨量传统方法，泰森多边形法、算术平均、等雨量线法、距离倒数法等，雨量站设定的要求。 现代方法——降雨空间分布的测定——雷达测雨， 一般新安江模型采用泰森多边形，泰森多边形对雨量站要求？ 如果选取算术平均对雨量站要求？ 4.产流 产流机制有蓄满产流和超渗产流等两类。传统的新安江模型使用蓄
用中国洪水预报系统率定丰良河洪水参数 摘要：利用水利部“948”项目“交互式洪水预报系统”（也称“中国洪水预报系统”）平台，使用三水源新安江模型，对丰良河的棠荆水文站小流域洪水进行参数率定，并对率定结果进行分析，确定适合该小流域洪水特征的参数，增加模型洪水计算的拟合度。得到较好的洪水预报方案。 关键词：小流域，中国洪水预报系统，丰良河，棠荆，参数 引言 应用新安江三水源模型对洪水预报方案进行参数率定，是目前使用较多的一种洪水预报方案制作方法。但对小流域的洪水预报方案往往结果不太理想。主要原因是小流域洪水特征是陡涨陡落，汇流时间快，预见期短，而且一般小流域水文站点稀少，雨量站点也相对不足，从而导致小流域的洪水预报能力相对薄弱。笔者使用“948”项目的“中国洪水预报系统”软件，率定丰良河棠荆站的洪水预报方案，并对率定的参数进行分析、修改和评价。 丰良河是韩江一级支流，发源于兴宁市铁牛牯，于青溪流入丰顺境内，于黄金望楼汇白溪，于高园汇龙溪，流经广洋，在站口汇入韩江。流域集水面积899km2，河长75km，平均坡降0.286％。流域内的白溪和龙溪两条支流的集水面积超过100km2，流域内水力资源丰富，理论蕴藏量4.96万kw。在下游广洋、站口河段两岸，土地低洼、加上受韩江顶托影响，常遭洪涝灾害威胁。建国后经裁弯取顺，在黄金万亩洪泛区兴建了防洪治涝工程，大大改善了农业生产和人们生活条件。 棠荆站地处丰良河中段，位于丰顺县丰良镇，东经116°12′48″，北纬23°58′18″（该站位置见图1）。集水面积267km2，河流全长75km，源头至棠荆站测验断面长33km。是韩江中下游产汇流分析研究的代表站，用于研究粤东莲花山以南高山降水和丰良河各水文要素的特征关系，为二类精度水文站。 图1 棠荆站在流域中的位置示意图 丰良河源头至棠荆站测验断面的汇流时间约4小时，棠荆站至丰良河出口传播时间约6
新安江模型程序C++代码 以下是类的声明： class XinanjiangModel { private: // FORCING double *m_pP; // 降水数据 double *m_pEm; // 水面蒸发数据 // long m_nSteps; // 模型要运行的步长(一共m_nSteps步) long steps; // OUTPUT double *m_pR; // 流域内每一步长的产流量(径流深度) double *m_pRs; // 每一步长的地表径流深(毫米) double *m_pRi; // 每一步长的壤中流深（毫米） double *m_pRg; // 每一步长的地下径流深(毫米) double *m_pE; // 每一步长的蒸发(毫米) double *m_pQrs; // 流域出口地表径流量 double *m_pQri; // 流域出口壤中流径流流量 double *m_pQrg; // 流域出口地下径流量 double *m_pQ; // 流域出口的总流量 double m_U; // for 24h. U=A(km^2)/3.6/delta_t // SOIL double *m_pW; // 流域内土壤湿度 double *m_pWu; // 流域内上层土壤湿度 double *m_pWl; // 流域内下层土壤适度 double *m_pWd; // 流域内深层土壤湿度 double m_Wum; // 流域内上层土壤蓄水容量 double m_Wlm; // 流域内下层土壤蓄水容量
double m_Wdm; // 流域内深层土壤蓄水容量，WDM=WM-WUM-WLM // EVAPORATION double *m_pEu; // 上层土壤蒸发量（毫米） double *m_pEl; // 下层土壤蒸发量（毫米） double *m_pEd; // 深层土壤蒸发量（毫米） //runoff double *RF; // PARAMETER double m_Kc; // 流域蒸散发能力与实测蒸散发值的比 double m_IM; // 不透水面积占全流域面积之比 double m_B; // 蓄水容量曲线的方次，小流域（几平方公里）B0.1左右 // 中等面积（平方公里以内）.2~0.3，较大面积.3~0.4 double m_WM; // 流域平均蓄水容量（毫米）(WM=WUM+WLM+WDM) double m_C; // 流域内深层土壤蒸发系数，江南湿润地区：0.15-0.2， //华北半湿润地区：.09-0.12 double m_SM; //自由水蓄水容量 double m_EX; //自由水蓄水容量～面积分布曲线指数 double m_KG; //地下水日出流系数 double m_KI; //壤中流日出流系数 double m_CG; //地下水消退系数 double m_CI; //壤中流消退系数 double *m_UH; // 单元流域上地面径流的单位线 double m_WMM; // 流域内最大蓄水容量 double m_Area; // 流域面积 int m_DeltaT; // 每一步长的小时数 int m_PD; // 给定数据，用以判断是否时行河道汇流计算 public: XinanjiangModel(void); ~XinanjiangModel(void); // 初始化模型
新安江模型介绍： 三水源新安江模型蒸散发计算采用三层模型；产流计算采用蓄满产流模型；用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流三种；流域汇流计算采用线性水库。模型结构： 模型计算： 在新安江模型中，流域蒸散发计算没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为三层，用三层蒸散发模型计算蒸散发量。参数有流域平均张力水容量WM（mm），上层张力水容量UM(mm)，下层张力水容量LM(mm)，深层张力水容量DM(mm)，蒸散发折算系数KC和深层蒸散发扩散系数C。 具体计算为 若P+WU>=EP,则EU=EP,EL=0,ED=0; 若P+WU Dim P(25), EI(25), PE(25), A(25), AU(25), FR(25), W(25), WU(25), WL(25), WD(25), E(25), EU(25), EL(25), ED(25), R2(25), R3(25), RS(25), RG(25), RSS(25), RIMP(25), QR(25), QRG(25), QRSS(25), QRSP(25), S(25), UH(3), q(3) As Single Dim N, m, K, B, C, D, EX, SM, SSM, MP, KG, KSS, KKSS, KGD, KSSD, KKGD, KKG, WM, WWMM, WUM, WLM, WDM, DT, UN, QRSS0, QRG0, F, i, j As Single Private Sub Command1_Click() Static ik As Integer ik = ik + 1 Command1.Caption = "您还需计算" & 7 - ik & " 次" If ik = 7 Then Command1.Enabled = False Set xlbook = GetObject(App.Path & "\" & "xaj.xls") xlbook.application.Visible = True: xlbook.windows(1).Visible = True Set xlsheet1 = xlbook.worksheets("sheet1") Set xlsheet2 = xlbook.worksheets("sheet2") K = xlsheet1.Cells(3, 1) C = xlsheet1.Cells(3, 2) B = xlsheet1.Cells(3, 3) SM = xlsheet1.Cells(3, 5) WUM = xlsheet1.Cells(3, 6) WLM = xlsheet1.Cells(3, 7) WDM = xlsheet1.Cells(3, 8) EX = xlsheet1.Cells(3, 9) KG = xlsheet1.Cells(3, 10) KSS = xlsheet1.Cells(3, 11) KKG = xlsheet1.Cells(3, 12) KKSS = xlsheet1.Cells(3, 13) DT = xlsheet1.Cells(3, 14) UH(1) = xlsheet1.Cells(3, 15) UH(2) = xlsheet1.Cells(3, 16) UH(3) = xlsheet1.Cells(3, 17) WU(0) = xlsheet1.Cells(3, 18) WL(0) = xlsheet1.Cells(3, 19) WD(0) = xlsheet1.Cells(3, 20) FR(0) = xlsheet1.Cells(3, 21) S(0) = xlsheet1.Cells(3, 22) QRSS(0) = xlsheet1.Cells(3, 23) QRG(0) = xlsheet1.Cells(3, 24) F = xlsheet1.Cells(3, 25) MP = 0: RS(0) = 0: W(0) = 150 WM = (WUM + WLM + WDM) WWMM = WM * (1 + B) SSM = SM * (1 + EX) KSSD = (1 - (1 - (KG + KSS)) ^ (DT / 24)) / (1 + KG / KSS) 新安江模型的应用 张利茹 河海大学水文水资源学院，南京（210098） 摘要：新安江降雨径流模型应用在梁辉水库上，采用2002年至2006年五年的降雨和蒸发资料对该流域进行日模和次模的模拟，得出的结果还比较满意。为了找出新安江模型的敏感性参数，本文在其他研究人员的基础上，选出公认的比较敏感的参数，把它们的值分别变成初始值的80%、90%和110%（CG除外）后进行模拟计算，得出的结果证实了学者们的说法。 关键词：新安江模型，梁辉水库，敏感性分析 1. 新安江模型简介 新安江模型始建于1973年，采用蓄满产流的概念，以土壤含水量达到田间持水量后才产流，是个分布式的概念性模型，30多年来在我国湿润与半湿润地区有广泛应用，并发展改进为三水源的以及其他多水源的模型【1】。几十年来，很多专家和学者都致力于新安江模型的应用和发展上，发表了数以百计篇文章(像赵仁俊，1992；程等人，2002)，但很少有用一个实际例子来研究新安江模型参数的敏感性问题的，实际上，新安江模型参数的命感性分析会有助于该模型的更广泛的应用，例如，对于无资料的地区或是资料不全的地区，参数的敏感性分析将显得更加有用。 2. 新安江模型结构 新安江模型是分散性的模型，常按泰森多边形法把全流域分成许多单元流域，产流部分采用蓄满产流模型，另增加了流域不透水面积占全流域面积之比的参数IMP。蒸发部分采用三水源蒸散发模式。河道洪水演算采用马斯京根法。地面径流的汇流采用经验单位线，并假定每个单元流域上的无因次单位线相同，简化结构。地下径流的汇流采用线性水库。对每一个单元流域作汇流计算，求得单元流域出口流量过程。再进行出口以下的河道洪水演算，得出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[2]。新安江模型流程图如图1。 基于概念型降雨径流蓄满产流的新安江模型，其参数可大致划分为四种类型，如下述：（1）蒸散发。此部分的参数包括K、C、WUM、WLM。 K：流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。它反映蒸发皿蒸发量与流域蒸发能力的差别，也反映蒸发皿蒸发量对全流域（高程差）的代表性问题，对具体流域来说，以优选为宜，即选模拟径流误差最小时的K值。夏天其值一般取1.3～1.5，冬天一般取1.0。 C：深层蒸散发系数。它决定于深根植物占流域面积的比值，同时也与WUM+WLM 新安江模型基本原理 1.1 新安江模型原理 原华东水利学院（现为河海大学）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》，它的结论与赵人俊教授的观点基本一 致：传统的超渗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 年代初引进了山坡水文学的概念，提出三水源的新安江模型。新安江三水源 模型流程图见下图 1.1。 图 1.1 三水源新安江模型流程图 新安江水文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、孔底的自由水蓄水库把总径流划分为饱和地面径流、 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 UH 或L ， CS 单元 面积 出流 KE XE IM WM B UM S KG LM C 不透水面积产流 RB 壤中总 入流QI CG 地下流 RG SM EX 一新安江模型基本原理 1.1新安江模型原理 原华东水利学院（现为河海大学）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》，它的结论与赵人俊教授的观点基本一致：传统的超渗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年代初引进了山坡水文学的概念，提出三水源的新安江模型。新安江三水源模型流程图见下图1.1。 图1.1 三水源新安江模型流程图 新安江水文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、孔底的自由水蓄水库把总径流划分为饱和地面径流、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。模型中主要参数如表1.1所示。 表1.1 新安江（三水源）模型参数的定义 参数含义 K蒸散发能力折算系数 WM流域蓄水容量 UM上层蓄水容量 LM下层蓄水容量 C深层蒸散发系数 IM不透水面积占全流域面积之比 B蓄水容量曲线指数 SM流域自由水蓄水容量 EX自由水蓄水容量曲线指数 KI壤中水径流出流系数 KG地下水径流出流系数 CS地面径流消退系数 CI壤中水径流消退系数 CG地下水径流消退系数 N子河段数 KE子河段洪水波传播时间 XE子河段流量比重因子概念性模型的结构反应客观水文规律，参数应该代表流域的水文特征，把模型设计为分散性的，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 2009年 笔试：1.简述新安江模型的水源划分模块2.稳定下渗率和超渗产流中的下渗率的区别3.影响迁移转化的因素有哪三类？4.一个关于发电站保证出力的计算题5.三性检验是什么？ 1.在实测径流量过程线分划径流对径流产汇流有什么作用？ 2.新安江二水源和三水源分别以什么方法划分 3.兴利库容计算 4.年调节水电站保证出力计算步骤 5.水体自净三个方面，并举例 6.水质。1.2.3维模型区别，各模型主要考虑因素 7.近年来某些地区经常发生百年一遇洪水，你的见解 （首先解释百年一遇意思，然后这是小概率事件，如果经常发生要质疑还是不是百年一遇，最后谈谈环境变化人为因素的影响） 8.水体耗氧主要表现在 9.水库特征水位及承担下，防洪任务时如何确定设计洪水位 面试中文题：1.S-P模型的三个假设条件是什么？2.水库的特征水位有哪些？从低到高按顺序说出3.谈谈对重力坝的了解（优缺点）4.径流的影响因素有哪些？5.武大水利水电学院主要研究哪三块内容？6.概率和频率的区别 面试口语：1.自我介绍2.谈谈对中国环境问题的了解3.谈谈对南水北调工程的了解4.对武大及武大本专业的认识6.对三峡的了解5.对广东水资源的了解，对广东情况的了解（咸潮） 2010年3 笔试： 1．近年来某些地区经常发生百年一遇的洪水，你的见解。 2．建立水文模型时，需获得大量流量雨量及蒸发的实测资料，试问这些资料对产汇流模块的具体作用是什么？ 3．简述新安江二、三水源划分模块。 4．逆时序法求兴利库容。 5．水库特征水位是什么？在水库下游有防洪要求时，如何确定设计供水位？ 6．水体耗氧主要表现在？ 7．水质一、二、三维模型区别？ 8．水体自净三个方面。 9．已知水电站的保证出力，求水电站在日负荷图中的工作位置。 口试： 1.你想在5年或10年后成为一个什么样的人？ 2.高铁的利弊？ 3.你最喜欢的运动？ 4.你最喜欢的电影/最不喜欢的电影？ 5.你为什么选择现在这个专业？ 6.你认为水利工作者必须具备的品质：责任心/勤奋……？ 7.你在课余时间做些什么？ 新安江模型 新安江模型的流程图 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、产流计算、水源划分和汇流计算。 变量符号说明： P，实测降雨（已知） E，流域蒸散发量（第一步计算已知） PE，降雨减去蒸发量（产流计算的输入） R，流域产流量（产流计算的输出） W，流域时段末土壤平均蓄水量，产流计算的输出 KC，蒸发折算系数 C，深层蒸散发折算系数 WM，流域总蓄水容量 B，抛物线指数 1蒸发量计算 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C。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。 输入： （1）KC ，蒸发折算系数 （2）上、下、深三层的蓄水容量WUM 、WLM 和WDM （WM=WUM+WLM+WDM ） （3）C ，深层蒸散发折算系数 输出： （1）上、下、深各层的流域蒸散发量EU 、EL 和ED （E=EU+EL+ED ） -- 时段值 （2）上、下、深三层的含水量WU 、WL 和WD （W=WU+WL+WD ） -- 时段值 注：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。 计算公式： EP=K×E 0（E 0，实测水面蒸发量，划分为时段值），WU 0日模拟合而来。 一阶段：当 P+WU ≧EP 时，EU=EP 、EL=0、ED=0，此时WU(t+1)=P(t)+WU(t)-EU(t) 二阶段：当 P+WU 第八章新安江模型 8.1 概述 新安江模型是由原华东水利学院（现为河海大学）赵人俊教授等（赵人俊，1984）提出来的。从降雨径流经验相关图研究开始（华东水利学院水文系，1962），投入了水文预报教研室的十余位教师、研究生和上百的本科生前后经历了约20年才形成了蓄满产流概念、理论及其二水源新安江模型。之后提出三水源新安江模型（赵人俊，1984），并开始在水情预报和遥测自动化的实时洪水预报系统中开始大量应用，通过对模型的结构、考虑的因素不断改进和完善，发展至今已形成了理论上具有一定系统性、结构较为完善、应用效果较好的流域水文模型，并被联合国教科文组织列为国际推广模型而广为国内外水文学家所了解和应用。 新安江模型研究概括起来可以分为二水源新安江模型、三水源新安江模型和新安江模型改进研究三个阶段。 8.2 二水源新安江模型 二水源新安江模型包括直接径流和地下径流，产流计算用蓄满产流方法，流域蒸发采用二层或三层蒸发，水源划分用的是稳定下渗法，直接径流坡面汇流用单位线法，地下径流坡面汇流用线性水库，河道汇流采用马斯京根分河段演算法。 8.2.1 前期研究 降雨径流相关图是径流估计最早使用的方法之一。考虑前期气候指数的降雨径流相关 图是蓄满产流概念形成的基础，见图8-1。图中P为降雨量,R为径流深, ,0 a P为前期气候指 数。在实际应用中，要计算一次降雨所产生的洪水径流总量，为配合汇流计算，还需求出逐时段的净雨量。利用上述相关图推求时段净雨量的具体步骤如下。 （1）求本次降雨开始时的 ,0 a P; （2）按逐时段累积降雨量在关系图上查得累积径流量; （3）由相邻时段的累积径流量之差得时段净雨量。 第37卷第2期 2017年4月 水文 JOURNAL OF CHINA HYDROLOGY Vol.37 No.2 Apr., 2017水文模型参数多目标率定及最优非劣解优选周建中\卢韦伟\孙娜\叶磊2袁张海荣\陈璐1 (1.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北武汉430074;2.大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116024) 摘要:针对概念性水文模型参数众多、相互制约，且多目标参数优化率定最优参数求解困难、易受决策者 主观因素影响的问题，采用多目标优化算法对水文模型参数进行率定，得到模型参数最优非劣解集，在此基 础上，引入最小最大后悔值决策理论，并结合Pareto支配基本理论，提出了一种多目标最优非劣解选取准 则。以柘溪流域为研究对象，采用三目标MOSCDE优化率定新安江模型的参数，并与单目标SCE-UA优化 结果进行对比分析。结果表明，提出的非劣解选取方法可以有效从大规模非劣解集中筛选出最优非劣解，大大缩短参数率定耗时。 关键词：水文模型参数率定；多目标优化;参数最优非劣解优选;最小最大后悔值决策 中图分类号:P333 文献标识码：A文章编号=1000-0852(2017)02-0001-07 1引言 如何提高水文模型预报精度一直是水文领域的重 难点问题之一。水文模型参数优化率定通过最大程度 降低水文模型参数不确定性，从而达到提高水文模型预 报精度的目的。水文模型参数优化率定对提升水文模型 整体预报性能和水文预报精度有着极大的推动作用。 早期水文模型参数优化率定采用遗传算法[1-2]、粒 子群算法[3'SCE-UA[5-6]等单目标算法来分别确定水 文模型的各参数。然而，大量水文模型参数率定的理 论研究和实践应用表明：单目标函数仅反映了水文过 程的某一特性，无法全面刻画水文过程的动力特性和 参数间的相互作用关系，且单目标算法易陷入局部最 优[7]。因此，水文学者将多目标优化理论引入水文模型 参数率定中，并围绕水文模型参数多目标优化率定 开展了大量研究工作。Yapo等[8]提出多目标优化算法 MOCOM-UA，并通过实例分析检验了 MOCOM-UA算 法的正确性和可靠性;Vrugt等[9]在单目标SCE-UA算 法的基础上，提出了多目标优化算法MOSCEM-UA，并成功验证了该算法的有效性;Tang等网将SPEA2、着-NSGAII和MOSCEM-UA等常用的多目标优化算法 应用于水文模型参数优化率定中，并比较其计算性能，研究结果表明SPEA2和着-NSGA-II算法的性能优于MOSCEM-UA算法;张文明等[11]将存档群体和拥挤距 离机制引入粒子群算法，从而建立了基于粒子群算法 的多目标算法，通过与单目标优化结果的对比，检验 了该算法的优越性;郭俊等[12]运用经典多目标优化算 法NSGA-II对水文模型参数多目标优化率定，并提出 目标组合优化结果比较方法，研究结果表明该方法可 有效分析不同目标组合对优化结果的影响。 上述研究工作主要集中于多目标优化算法本身 的设计和改进。然而，水文模型多目标参数优化率定 不仅要解决多目标建模及其模型求解的难题，如何针 对生成的参数非劣解集优选最优参数是水文模型参 数多目标优化普适性应用的技术瓶颈。针对这一问 题，本文在水文模型参数多目标优化应用研究的基础 上，基于Pareto支配以及最小最大后悔值决策理论，提出一种最优非劣解准则，用以确定非劣解集的最优 非劣解，该方法可显著缩短问题求解时间，对多目标 参数优化率定的推广应用具有主要价值。以柘溪流域 新安江模型多目标参数率定为例，旨在快速、准确的 优选最优非劣解，为柘溪流域水文预报提出更为全面 的决策参考依据。 2水文模型参数多目标优化率定 水文模型参数多目标优化率定是选取多个目标 收稿日期：2016-07-09 基金项目：国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目（91547208);国家自然科学基金项目（51579017);水利部公益性行业科研专项经费 项目（201401014-2) 作者简介:周建中（1959-)，男，湖北武汉人，教授，博导，研究方向为水电能源及其复杂系统分析的先进理论与方法。E-mail:jz.zhou@https://www.doczj.com/doc/679580639.html, 通讯作者:卢韦伟（1991-)，女，湖北仙桃人，硕士研究生，研究方向为水文预报与水文分析计算。E-mail:luweiwei@https://www.doczj.com/doc/679580639.html,en--------------------------- 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。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。 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。当新安江模型VB代码
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第四章___新安江流域水文模型
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