新安江流域水文模型
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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。
《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。
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。
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。