栅格型新安江模型的参数估计及应用.

栅格型新安江模型的参数估计及应用姚成;纪益秋;李致家;刘开磊【摘要】Based on the theory of the Xin'anjiang model and one-dimensional diffusion wave model, the grid-based Xin anjiang model (the Grid-Xin' anjiang model) was developed. This model regarded the grid DEM as the computational element, and the generated runoff of each element was divided into three components, the surface runoff, interflow, and groundwater runoff, which were routed using the cell-to-cell diffusion wave flow routing method according to the computational order of each grid cell in the DEM. During the calculation of the runoff generation and runoff concentration, the water exchange between grids and the influence of the river drainage network were taken into consideration. Based on the underlying surface conditions, including the topography, and the types of soil and vegetation in the study basin, a method for parameter estimation of the model was proposed and verified. The model was applied to the Tunxi Basin in Anhui Province for flood simulation and produced favorable results.%根据新安江模型与一维扩散波模型理论,构建了基于栅格的新安江( Grid-Xin' anjiang)模型.该模型以DEM栅格为计算单元,将每个单元的产流量划分为地表径流、壤中流以及地下径流3种水源,最后再根据栅格间的汇流演算次序,利用扩散波汇流方法依次将各种水源演算至流域出口.模型在进行产汇流计算时,考虑了栅格之间的水量交换以及河道排水网络的影响.以流域地貌特征、土壤及植被类型等下垫面条件为基础,研究了模型参数的估计方法,并对其进行了验证.将模型用于安徽省屯溪流域的洪水模拟,取得了良好的应用效果.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(040)001【总页数】6页(P42-47)【关键词】栅格型新安江模型;新安江模型;扩散波模型;参数估计;洪水模拟;屯溪流域【作者】姚成;纪益秋;李致家;刘开磊【作者单位】河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;南通市港闸区幸福街道办事处,江苏南通226012;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】P333.1基于栅格的分布式水文模型是目前水文研究的热点之一.1969年,Freeze等[1]发表的“一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图(FH69蓝图)”被认为是分布式水文模型研究的开始.过去受制于技术的限制,许多流域信息、特征不能及时准确地获得,地理信息无法及时准确地获得和使用,使得分布式水文模型发展缓慢.而数字高程模型(DEM)的出现为分布式水文模型的构建创造了条件,分布式水文模型取得了飞速发展.比较具有代表性的分布式和半分布式流域水文模型有SHE[2],TOPKAPI[3]和TOPMODEL[4]模型等.随着信息、遥感、计算机等技术的发展,基于DEM的分布式水文模型以其充分考虑水文要素和各种参数空间变化的特点正成为水文模型的发展趋势,而新安江模型[5]作为一个半分布式的概念性模型,自研制以来,就得到了广大学者的认同,在中国的洪水预报中也得到了广泛成功的应用,因此研究栅格型新安江模型具有一定的现实意义[6-7].本研究利用DEM,提取了水文模拟与参数估计所需要的流域地貌特征,并根据新安江模型与扩散波模型理论,构建了栅格型新安江(Grid-Xin'anjiang)模型.同时,本文结合土壤类型、植被覆盖及利用等信息,对空间变化模型参数的估计方法进行了一定的研究与验证,并将Grid-Xin'anjiang模型应用于安徽省屯溪流域洪水模拟计算.1 Grid-Xin'anjiang模型原理Grid-Xin'anjiang模型以流域内每个DEM栅格作为计算单元,并假设在栅格单元内的降雨和地貌特征、土壤类型以及植被覆盖等下垫面条件空间分布均匀,模型只考虑各个要素在不同栅格之间的变异性.Grid-Xin'anjiang模型先计算出每个栅格单元的植被冠层截留量、河道降水量和蒸散发量,然后再计算出栅格单元的产流量,并采用自由水蓄水库结构对其进行水源划分,即划分为地表径流、壤中流以及地下径流3种水源,最后再根据栅格间的汇流演算次序,依次将各种水源演算至流域出口.在进行次洪模型计算时,采用一维扩散波模型,且假设在原来的坡地栅格内也存在一个“虚拟河道”,每个栅格单元的壤中流和地下径流直接流入河道,采用河道汇流的计算方法,则栅格间的扩散波汇流演算只包括坡面汇流和河道汇流2种方式.考虑到日径流模拟时对汇流演算精度要求不高且时间步长较大,为了增加模型的运行效率,Grid-Xin'anjiang模型采用简便的线性水库法和滞后演算法进行栅格间汇流计算.1.1 植被冠层截留植被冠层截留是指降雨在植被冠层表面的吸着力、承托力及水分重力、表面张力等作用下储存于其表面的现象[8].在一次降雨过程中,植被冠层对降雨的累积截留量[9]可表示为式中:I cum——植被冠层的累积截留量;f lc——植被覆盖率;P cum——累积降雨量;C vd——植被密度的校正因子;S cmax——植被冠层的截留能力,即植被冠层的最大截留量.1.2 河道降水假设在每一个河道栅格内,降雨分布均匀,河道形状不发生改变,则可以根据栅格单元内河道部分所占的面积比例进行河道降水的计算.河道降水I ch可表示为式中:L ch——河道长度;W ch——河道断面最大过水面积所对应的水面宽;A gr——栅格单元的面积;P——时段降雨量.其中,L ch W ch表示河道所占面积.对于流域内的坡地栅格,即使有“虚拟河道”存在,也不考虑河道降水的影响,即在坡地栅格上I ch=0.1.3 蒸散发将每个栅格单元内的土壤分为上层、下层和深层3层,每一层对应的张力水蓄水容量分别为 W UM,W LM和W DM.在栅格单元实际蒸散发计算时,冠层截留量按蒸散发能力蒸发,当截留水量小于蒸散发能力时,则采用3层蒸散发模型[10].1.4 单元产流及分水源土壤蓄满表示的是土壤含水量达到田间持水量,而不是饱和含水量.新安江模型引进张力水蓄水容量分布曲线来考虑土壤含水量面上分布不均的问题,而在Grid-Xin'anjiang模型中,由流域地貌特征以及土壤、植被等下垫面条件来确定任意一个栅格单元的张力水蓄水容量W M,而在栅格单元内暂不考虑张力水含水量分布不均的问题.将计算时段内栅格单元的实测降雨先扣除相应时段的蒸散发、植被冠层截留、河道降水后,再考虑上游入流是否补足当前单元的土壤含水量,即可得到实际用于产流计算的时段雨量P e.当P e≤0或P e+W0≤W M时,R=0;当 P e+W0＞W M时,R=P e+W0-W M.其中:R为时段产流量;W0为栅格单元实际的张力水含量.在Grid-Xin'anjiang模型中,任意栅格单元内的产流量R均被划分为3种水源:地面径流R s、壤中流R i和地下径流R g.所需参数包括表层土自由水容量S M、表层自由水含量对壤中流的出流系数K i、表层自由水含量对地下水的出流系数K g.1.5 汇流演算Grid-Xin'anjiang模型在进行短时段栅格间扩散波汇流演算时,假设任意栅格单元都由坡地和河道组成,即原来的坡地栅格上也存在一个“虚拟河道”,地下径流与壤中流都直接汇入河道或“虚拟河道”中,因此栅格间的汇流就由坡面汇流及河道汇流组成,均采用扩散波模型.在模型进行产汇流计算时,考虑了栅格间的水量交换问题以及河道排水网络的影响.即:如果当前计算单元的土壤含水量处于未蓄满状态,则上游栅格的入流量首先补充当前栅格的土壤含水量,直至其蓄满为止;如果当前栅格有河道存在,则地表径流的出流量将先按一定的比例汇入河道,然后再汇至下游栅格. Grid-Xin'anjiang模型的坡面水流以及河道水流运动均利用一维扩散波方程组来描述,在进行栅格间汇流演算时,坡面水流运动方程需在每个栅格单元上进行离散,其中的连续性方程为式中:h s——坡面水流的水深;t——时间;A gc——栅格单元的面积;Q s——栅格单元的地表径流流量;Q sout——栅格单元的地表径流出流量;Q sup——上游栅格入流量.本文采用基于两步MacCormack算法[11-12]的二阶显式有限差分格式进行坡面与河道水流扩散波方程组的求解.2 研究流域概况选用湿润地区的屯溪流域作为研究流域.该流域位于安徽省境内皖南山区,流域面积为2692.7 km2.屯溪流域地势西高东低,最大、最小以及平均海拔高程分别为1398m,116m,380m,相对高差较大.该流域雨量充沛,多年平均降雨量约为1800mm,降水在年内年际分配极不均匀,汛期内的降雨量一般占年总雨量的60%以上.屯溪流域内植被良好,主要包括常绿针叶林、落叶阔叶林、混合林、森林地、林地草原、牧草地与作物地,土壤类型主要为黏壤土.本研究采用USGS提供的精度为1km(30″)的DEM高程数据提取了屯溪流域的地形地貌特征.屯溪流域水系及站点分布见图1.图1 屯溪流域水系及站点分布Fig.1 River network and distribution of gauging stations in Tunxi Basin3 Grid-Xin'anjiang模型参数估计3.1 蒸散发参数在湿润流域,平均的上、下层张力水容量一般可以取20mm与60mm,而整个包气带张力水容量常以120mm作为估值[5,10].以此为基础,对与屯溪流域W UM与W LM的估计分别取W UM≈0.167W M;W LM≈0.5W M.参数C与栅格单元的植被覆盖率有关,在植被密集地区可取0.18,因此可令C=0.18f lc,f lc可通过相关公式求得.本研究暂未考虑蒸散发折算系数K在不同栅格单元的高程修正问题,而是认为它在流域内空间分布均匀,因此该参数主要与测量水面蒸发所用的蒸发器有关.对于国内普遍采用的E-601蒸发器而言,可取K≈1.3.2 产流及分水源参数单元产流及分水源计算中W M与S M[13]可表示为式中:W M——栅格单元张力水蓄水容量;S M——栅格单元自由水蓄水容量;θs——饱和含水量;θfc——田间持水量;θwp——凋萎含水量;L a——包气带厚度;L h——腐殖质土层厚度.式(4)与式(5)中的θs,θfc,θwp均可以根据栅格单元的土壤类型通过查土壤参数统计表获取,因此只要知道每个栅格单元的L a与L h即可获得W M与S M在流域的空间分布.在自然界中,影响包气带厚度的因素较多,很难进行直接推求.L a与 L h 可通过与地形指数及土壤类型对应的土壤水分常数进行估算,可假定地形指数大的地方包气带较薄而地形指数小的地方包气带较厚.这与实际情况基本相符.一般而言,在湿润地区地形指数大的地方大多位于河道附近,而这些区域的地下水埋深较浅,包气带相对较薄;相反,地形指数小的地方基本位于流域的上游山坡,远离河道,包气带相对较厚.因此,可以假设流域上地形指数最大的栅格单元对应的张力水蓄水容量最小,而地形指数最小的栅格单元对应的张力水蓄水容量最大.图2为估计的屯溪流域包气带厚度以及腐殖质土厚度的空间分布.图2 屯溪流域土壤厚度分布Fig.2 Distribution of thickness of soil in Tunxi BasinK i与K g这2个参数属于并联参数,其和K i+K g代表的是自由水出流的快慢,应与单元的土壤类型有关,而自由水指的是饱和含水量与田间持水量之间那部分可以在重力作用下自由流动的水,因此可以将θs与θfc作为衡量自由水出流快慢的指标.K i/K g表示的是壤中流与地下径流的比,此比值可以通过θwp来反映[14].具体计算公式为式中:m oc——自由水出流综合影响因子;m r——自由水出流校正系数,根据已有研究成果,在估计模型参数时,可以取m r=1.m oc可直接通过新安江模型分水源中的结构性约束(K i+K g=0.7)[5]选取.具体步骤是:先给m oc赋予一初值,然后根据每个栅格单元的土壤类型由土壤参数统计表和式(6)确定栅格单元对应的K i+K g,再统计出流域内所有栅格K i+K g的均值并与0.7进行比较,由此对m oc进行调整,使其尽量满足该结构性约束.3.3 汇流参数当Grid-Xin'anjiang模型进行扩散波汇流演算时,模型参数的估计主要是基于流域地貌特征以及河道断面信息.其中,坡面汇流的曼宁糙率系数n h根据栅格单元的植被类型由植被参数统计表确定.而每个栅格单元河道(包括虚拟河道)汇流的曼宁糙率系数n c[15]由下式进行计算:式中:A d——栅格单元的上游汇水面积,km2;S oc——河道坡度,可由DEM提取得到;n0——系数,n0可以由流域出口点的糙率及坡度代入式(7)反算出.地表径流汇入河道的比例也是在生成的研究流域水系基础上,采用面积比例法进行计算[7].在判断河道形状时,主要是根据流域内实测站点的断面数据,反演出每一栅格单元的河道形状.以屯溪流域为例,定义某一断面宽度指数α,考虑到随着上游汇水面积的增加,越到流域下游其河道过水断面面积应该越大,且变化比较明显,因此可认为α在流域内应当是变化的,即河道断面的尺寸是空间变化的.根据流域内已有的实测断面资料分析,即可获得α的空间分布.4 应用结果分析屯溪流域具有1982—2001年以及2006年的日降雨资料,有40场洪水的时段降雨资料,屯溪出口站有对应的流量资料.本文将1982—1995年的日资料和对应的次洪资料用于模型参数的率定,剩余资料用于模型参数的检验,对于模型参数估计方法的验证采用率定期资料进行,对于屯溪流域降雨资料的空间插值采用距离平方反比法.采用率定期内的资料对模型估计参数进行验证.其中,日模型模拟的径流深以及洪峰相对误差的合格率分别为100%和79%,平均相对误差水平分别为3.7%和12.6%,确定性系数的均值为0.91.次洪模型模拟的径流深、洪峰相对误差以及峰现时差的合格率分别为91%,48%和83%,平均相对误差水平分别为9.1%,19.9%和2.2h,确定性系数的均值为0.87.图3为应用估计参数模拟的2次洪水过程线比较.图3 Grid-Xin'anjiang次洪模型估计参数模拟结果比较Fig.3 Comparison ofestimated parameters of Grid-Xin'an jiang model for floods由估计参数的模拟结果可以看出,根据土壤、植被及地貌等下垫面条件估计出的Grid-Xin'anjiang日模型参数值较为合理,对于屯溪流域率定期内的日径流模拟精度较高,因此直接将日模型的参数估值用于该流域检验期内的日径流模拟,检验期内模拟的径流深与洪峰相对误差合格率均为91%,平均相对误差水平分别为10.1%和7.0%,确定性系数的均值为0.90.对于Grid-Xin'anjiang次洪模型而言,需要率定检验的主要是扩散波汇流方法中的坡面糙率系数n h,率定方法选择人工试错法.对于次洪模型中其他参数则不再进行率定.通过率定扩散波汇流方法的糙率系数,对于率定期内洪水而言,Grid-Xin'anjiang次洪模型模拟的径流深、洪峰和峰现时间的平均相对误差水平分别为7.7%,7.9%和1.8 h;合格率分别为96%,96%和91%,确定性系数的均值为0.91.对于检验期内洪水而言,Grid-Xin'anjiang次洪模型模拟的径流深、洪峰和峰现时间的平均相对误差水平分别为8.0%,9.7%和2.6h;合格率均为94%,确定性系数的均值为0.90,模拟结果较好.图4为应用率定参数模拟的2次洪水过程线比较.图4 Grid-Xin'anjiang次洪模型率定参数模拟结果比较Fig.4 Com parison of calibrated parameters of Grid-Xin'an jiang model for floods5 结语以新安江蓄满产流模型与一维扩散波汇流模型为基础,构建了适用于湿润流域的分布式Grid-Xin'anjiang模型,并在模型进行产汇流计算时,考虑了栅格间的水量交换问题以及河道排水网络的影响.根据流域的地貌特征、土壤类型及植被覆盖等下垫面特性,对基于物理机制的模型参数估计方法进行了一定的研究与验证.从Grid-Xin'anjiang模型在屯溪流域的应用情况可以看出,模型的应用效果较好,模拟精度较高.为了使Grid-Xin'anjiang模型可以更好地应用于不同类型的流域,还应当加入超渗产流、融雪模型等其他水文过程的计算方法,对于栅格间壤中流与地下径流的汇流演算方法也有待进一步改进.为了使模型更好地用于缺乏资料地区的洪水模拟及预报,还需要进一步加强对模型的应用研究,开展模型在其他流域以及与其他模型应用的对比分析,同时也需要进一步完善模型参数的估计方法.参考文献:【相关文献】[1]FREEZE R,HARLAN R.Blueprint for a physically-based,digitally-simulated hydrologic response model[J].Journal of Hydrology,1969,9:237-258.[2]ABBOTT M,BATHURST J,CUNGE J,et al.An introduction to the European Hydrological System-Système Hydrologique Européen,“SHE”,1:history and philosophy of a physically-based,distributed modelling system[J].Journal of Hydrology,1986,87:45-59. 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一、模型的结构与参数三水源新安江模型的流程图如图1所示.图1 三水源新安江模型流程图图1 中输入为实测雨量P ，实测水面蒸发EM ；输出为流域出口流量Q ，流域蒸散发E.方框内是状态变量，方框外是参数变量。

模型结构及计算方法可分为以下四大部分.1． 蒸散发计算用三个土层的模型，其参数为上层张力水容量UM ，下层张力水容量LM ，深层蒸散发系数C ，蒸散发折算系数K ，所用公式如下：当上层张力水蓄量足够时，上层蒸散发EU 为EM E EU ⨯=当上层已干，而下层蓄量足够时,下层蒸散发EL 为LM WL EM K EL /⨯⨯=当下层蓄量亦不足，要触及深层时，蒸散发ED 为EM K C ED ⨯⨯=2． 产流量计算据蓄满产流概念,参数为包气带张力水容量WM ，张力水蓄水容量曲线的方次B ，不透水面积的比值IM ，所用公式为)1/()1(IM B WM WM -+⨯=))/1(1()1/(1B W M W MM A +--=当0≤⨯-EM K P ，则R=0不然，则当MM A EM K P <+⨯-,B MM A EM K P W M W W M EM K P R ++⨯--⨯++-⨯-=1)/)(1(不然，则W WM EM K P R +-⨯-=式中 R ——产流量；MM ——流域最大点蓄水容量。

3． 分水源计算分三种水源，即地面径流RS 、地下径流RG 和壤中流RI 。

参数为表层土自由水蓄水容量SM ，表层自由水蓄水容量曲线的方次EX ，表层自由水蓄量对地下水的出流系数KG 及对壤中流的出流系数KI,所用公式为SM EX MS ⨯+=)1())/1(1()1/(1EX SM S MS AU +--⨯=)/())((EM K P EM K P IM R FR ⨯-⨯-⨯-=FR KG S RG ⨯⨯=FR KI S RI ⨯⨯=当 0,0=≤⨯-RS EM K P不然，当MS AU EM K P <+⨯-，则FR MS AU EM K P SM S SM EM K P RS EX ⨯+⨯--⨯++-⨯-=+))/)(1((1当MS AU EM K P ≥+⨯-，则FR SM S EM K P RS ⨯-+⨯-=)(4． 汇流计算地下径流用线性水库模拟，其消退系数为CG ，出流进入河网。

ke SC)湖泊科学)，2021,33(2)：581-594DOI10.18307/2021.0223©2021by Jofnal of Lake Sciences新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用**龚f夫1**，陈红兵2,朱芳2,李永凯2,崔明2,李致家1(1:河海大学水文水资源学院#南京210098)(2：宜昌市水文水资源勘测局，宜昌443000)摘要：水文资料匮乏流域的洪水预报(PUBs)是水文科学与工程中一个尚未解决的重大挑战.中国湿润山区中小流域大多是水文资料匮乏的流域，在此地区进行洪水预报的重要手段之一就是水文模型参数的估计•对基于参数物理意义的估算方法(以下简称物理估算法)及两种区域化方法进行了研究，将其用于新安江模型参数的估算及移植•皖南山区的29个中小流域被选作水文资料丰富的测量流域，鄂西山区的3个中小流域被视为水文资料匮乏的目标流域#目的是研究目标流域与测量流域空间位置较远但物理条件相似时，区域化等方法是否可以有效估计模型参数.结果表明，即使目标流域与测量流域空间距离较远，区域化及物理估算法也能一定程度上减少参数估计导致的模型效率损失，且在研究区的最优参数估计方案为单流域物理相似法结合回归法及物理估算法.为长江中下游资料匮乏的山区中小流域提出了可行的新安江模型参数估计方案，为该地区的洪水预报提供指导•关键词：长江中下游;山区中小流域&无资料;新安江模型;参数估计;区域化Applicahon of Xio'njiong Modei io the flow pradiction of ungauged smal i-and medium­sized catchments io the middle and lower raaches of the Yangtze River Basio*Gong Junfu1**,Chen Hongbing2,Zhu Fang2,Li Yongkai2,Cui Ming2&Li Zhijia1(1:College of Hydrologd and Water Resources#Hohai University#Nanjing210098#P.R.China)(2：Hydrologd and Water Resources Surved Bureru of YicCang#YicCang443000#P.R.Rhina)Abstrach:FU w prediction in ungauged basins(PUB)J as impoUant as it J ddicult.PUB J a major unsolved chW U nge in scien­tific and engineeJng hydrology.So far,empiwcal and stochastic methods have mainly been used for PJ pujose.Many smal l catch­ments in humid mountainous areas of Chine are with little os no hydrological data.The principal method of Jood forecasting in this area is the parameter estimation of the hydrological model.Xin'anjiang Model was used to predict Jow in this study,and Xin'anjiang Model parameters were estimated based on tUe physical meaning of Pem and regionabzationi Regression and physical similaJty approach were included in regionalization metUods in this study.The29small basins in mountainous areas in southern Anhui Province were selected for gauged catchments,and three small basins in mountainous regions in westem Hubei Province were treated as ungauged catchments.The main goal of this approach was to research whePes regionalization and oPes methods couad e o e ctoeeayestomatemodeapaameteswhen thespatoaaaocatoon oothegauged catchmentsand theungauged catchmentsweCe far away,but the physical conditions were similes.It is shown that:(1)Xin'anjiang Model has high accuracy in Jow prediction of study areas•(2)Even J the space distance of gauged catchments and ungauged catchments J far,regionalization and physical­based estimation method can also reduce the e/iJency loss caused by parameter es/mabon to some extent.(3)WiP the increase in the number of donor catchments,the etiJency of the physical similaJty approach J reduced.(4)The optimal parameter esti­mation scheme in the study area is Pe ingenious combination of physical similaJty approach(only one donor catchment),regres­sion approach and physical-based estimation method.A feasible parameter estimation scheme of the Xin'anjiang Model J proposed in this study,which provides guidance for Jow forecasting in smal l ungauged catchments in humid mounWinous areas among Pe middle and Uwes reaches of the Yangtze RJeSi*2019-10-10收稿&2020-06-23收修改稿•国家自然科学基金项目(51679061)和国家重点研发计划项目(2018YFC1508103)联合资助.**通信作者;E-mail:gon/junfu321@.ke Sd(湖泊科学)，2021,33(2)Keywords：The middle and Uwes reaches of the Yangtze Rives；smal l and medium catchmenb in the mountainous area;un­gauged；Xin'anjiang Model&parameter estimation&regionalization可靠的洪水预报是防洪决策中的重要依据［1］，是减少甚至避免洪水破坏的第一道防线.在水文学研究及实际工程应用中,相较于水文资料充足的地区，更常见且更有挑战性的是对资料匮乏流域进行洪水预报.国际水文学会（IAHS）曾在20世纪初提出了水文资料匮乏流域的洪水预报（PUBs）10年计划［2］,期间涌现了大量研究成果+ 3A,-资料匮乏流域的洪水预报研究一般被概括为以下两部分［6］:（1）直接针对径流或径流指标进行区域化；！2）针对水文模型参数进行区域化.两者都是基于回归方法或目标流域与测量流域之间的某种距离度量.首先，简单的回归模型显示出较高的应用价值，如Maz/weei等在非洲52个流域建立了径流指标与流域属性的多元线性回归模型，以期通过年平均降雨、流域平均坡度、河网密度和土地覆盖等流域属性估计无资料流域的年平均径流量、基流指数、历时曲线和月平均径流量等径流指标.Marsh—等⑷基于英国土壤类型水文计划（HOST）的土壤数据，使用了一个简单的回归方法较精确地预测了未测量流域的基流指数等径流指标.也有部分研究基于更复杂的回归模型，如Laahe等［10-11］揭示了根据区域特点定制回归模型而不是使用全局模型的好处，其研究表明基于按季节性分组的流域回归模型提供了鲁棒性更强的区域化结果.同样地,地质统计学方法也被用于估计资料匮乏流域的水文变量，比如Sk~ien等阳提出了拓扑克里金法，可以用于解释水动力及地貌特征的空间离散性，该方法避免了输入数据的误差和参数可识别性问题.部分研究［13］认为该方法提供了比回归模型更稳健的估计.另一方面，研究者们越来越认识到，流域空间上的接近不一定导致流域产流模式的相似［14］，当使用更具有水文学意义上的距离量度时，基于距离的方法的估计效果会显著提高［15］-如Mew等［16］将拓扑克里金法与流域特征相结合，提高了该方法的预测性能. Domes等®认为只要保证流域之间的水文相似性，水文模型的参数甚至可以传递数千千米.时至今日，资料匮乏地区的水文预报获得了长足进步，但仍有大量难题无法解决［18］-我国有防洪任务的重点中小河流（汇流面积小于3000km2）有5186条问.近年来，受气候变化影响，由局地强降水造成的中小河流突发性洪水频繁发生，已成为造成人员伤亡的主要灾种.据统计,我国中小流域涝灾害和山洪地质灾害损失约占全国洪涝灾害经济损失的70%~80%，对人民群众的生命财产安全构成了严重的威胁［20］-由于大部分中小河流源短流急，洪水具有历时短、上涨快的特点，加之水文资料短缺，传统的预报方案通常难以对这些地区的洪水做出有效的预报［21］-区域化方法是解决此问题的思路之一，目前针对无资料中小流域的区域化研究较少,姚成等［22］使用区域化方法（空间临近法和回归法）将API模型和新安江模型应用于大别山区及皖南山区的29个中小流域，得到了较高的预报精度.但是在现有的区域化研究中，测量流域与目标流域大多空间分布均匀且空间距离较近.在这些地区,基于空间距离的区域化方法（以下称为空间临近法）由于操作简单且所需资料少而多被使用.同时，基于水文属性距离的区域化方法（以下称为物理相似法）和回归方法也被用来提高预测性能.在自然条件与历史因素的限制下［23］，设立在我国湿润山区中小流域的水文测站分布稀疏,可能导致某一具体区域内的测量流域数量较少.是否可以通过其他资料充足但相隔较远地区的测量流域作为参证流域进行参数估计？为了回答此问题,本研究关注于目标流域与测量流域空间位置较远时,区域化方法是否可以有效估计参数.此时，测量流域与目标流域之间显著的空间差异导致空间临近法无法使用，物理相似法及回归方法是否适用，需要接下来进一步的研究.本研究将皖南山区与鄂西山区分别作为已观测区及未观测区，选用新安江模型进行洪水模拟，并验证区域化方法（物理相似法及回归法）在研究区的适用性-正如PUetc等［24］所言，单独使用参数区域化有诸多弊端，本研究基于新安江模型参数的物理意义先估算出部分参数，剩余参数使用区域化方法（物理相似法及回归法）估计,并比较不同参数估计方案的效果，提出在研究区内最为适用的参数估计方案，为长江中下游资料匮乏的山区中小流域水预供参.1研究区概况及资料来源研究区域为长江中下游地区的32个山区中小流域,其中位于皖南山区的29个流域为有观测资料的测量流域，鄂西山区的3个流域被视为资料匮乏的目标流域，研究区域见图1.各流域面积均不超过1000km2,龚f夫等：新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用583均为自然闭合流域，受水工建筑物的影响较小，流域平均海拔多在400-1000m,其中雾渡河流域平均海拔最高，为1109mi各流域年平均降水量均在1200-1500m叫年平均蒸发量均在600-800m叫年平均气温14-1601研究流域大多地势，密集，平均坡度大在10-30°,密度大多在00~10km/km2.研究区内型和黏土为主，饱和渗透系数大多在3~12mm/h.土地利用（LUCC）以林地为主，大流域林地面积占比70%以上，甚至达到100%i研究区内植被类型为主，大为常绿针叶林、常阔叶林及灌木i图1研究区地理位置FigO Locations of the research catchments降雨、径流及蒸发资料来自当地水文局，时间步长均为1hi29个测量流域均具有至少30年的观测资料.3个目标流域中，有20082017间共11场观水，有20162018年间共5场观水，下仅有2016共2场观测洪水.DEM来自中国科学院地理空间数，分辨率为30m，用取流域地形、地貌属性;土地利用数据来自中国科学院遥感的2010年LUCC图，分辨率为1km，用取流域土地利用属性；数自于HWSD（世界数）的型图，分辨率为1km，用取流域土属.2研究的研究思路大致如下：在量流域进行新安型的校准，得到量流域的新安型校参数集.然流域物理属性的筛选，筛的流域物理属，运用区域化（回归法、物理相似法），将量流域的校准参数转移至目标流域.与此同时，使用参数物理意义的（以下简称物理），参数•最后，将理与区域化结合，针目标流域的参数案，并不同参数案的效果，得到在研究区内最为适用的参数案•本研究的线图图％22新安江模型及物理估算法2.1.1新安江模型新安江模型是赵人俊+25］于1984年前后提岀的概念性模型,在我国湿润及半湿润地区具有较高的预报精度，已到广泛应用+ 26气巴该模型共有16参数,各参数物理意［29］，其中不敏感ke SO.(湖泊科学)，2021,33(2)参数10个(WM、WUM、WLM、B、C、CP、EX、CC、KE、XE$，敏感参数7个(KC、SM、KI(KG)、CG、CS、L)-根据赵人俊等[3°]提岀的客观优选法，不敏感参数不参与率定，直接赋予固定值•敏感参数的率定使用人工优选结合SCE-NA算法[31],这样既可以快速稳定的优选参数，又能有效避免自动优选参数可能不合理的问题•选用洪峰相对误差、峰现时间误差,纳什效率系数(NSE)对参数率定结果进行评价.依据《水文情报预报规范》两，洪峰相对误差在20%以内，峰现时间误差在3h以内为合格-在目标流域，不敏感参数同样直接赋予固定值，敏感参数需要进行估计.在敏感参数中K与KG满足线性约束，只需估计K即可,因此本研究在目标流域需要估计的参数为6个，见表1-在新安江模型的待估计参数中，壤中流岀流系数K和河网水消退系数CS可以基于参数的物理意义进行估算(物理估算法)-表1目标流域待估计参数Tab.1Estimated parameters of ungauged basins参数参数意义参数取值范围KC蒸散发折算系数一般小于1SM自由水容量一般为10〜50mm,在土层较厚、透水性强的流域可取50mm或更大K/壤中流出流系数0〜06之间CG地下水消退系数0〜1之间CS水流系数0〜1之间L河网汇流滞时大于等于0,在山区中小流域一般小于10h276壤中流与地下水出流系数KC与KG土壤质地可以用来推断土壤的性质，进而估算自由蓄水量对壤中流及地下水的岀流系数(新安江模型中的K与KG).K和KG之和决定了自由水的排水速率，赵人俊等认为KI+KG的值可固定为0.5&KI/KG决定了壤中流与地下水岀流的比例，姚成等⑶〕在GXM模型中提岀了针对栅格的K/KG估计公式，将其修改成适用于新安江模型的形式：KC KG=0"K/=1+2(1_九)(1)KG表2不同质地土壤凋萎含水量Tab.2Wilting moisture content of various soil textures 土壤质地/p土壤质地&呷砂土0.04砂质黏壤土0.16壤砂土0.05粉质黏壤土0.24砂0.09黏0.21粉壤土0.15砂质黏0.21粉土0.11粉黏0.28壤土0.14黏0.28式中，m c为自由水岀流校正系数，根据前人的研究成果a35〕，在湿润流域m c可取为1;/为土壤凋萎含水量，以体积含水量表示，可根据土壤质地取值#见表2[36]-2.1.3河网水消退系数CS李致家等⑶〕针对二叉树结构河网，对河链进行编号，链接河源的河链编号记为厂=1，下游河链的编号等于该条河链的上游总链数+1•并根据矩形河道线性蓄泄关系(式！2))#引入一个无量纲时间i+：vQ(ftt=/(ft(2)式中，Q(ft为河链厂的岀流量,”3/s；W(ft)为河链厂的蓄量,m3&v为平均河道流速，”/s；L为平均河链长，”i在资料匮乏地区一般没有实测流速资料，可以使用经验公式估算.RodOguez-tturbe等+38〕基于运动波理论提岀如下流速公式：v=0.665-弓(p/A)(4)龚f夫等：新安江模型在资料匮乏的长江中下游山区中小流域洪水预报应用585tU—2\J丿o.D式中，P为次洪的平均雨强,c m/h；2为流域面积,km2;D为平均河宽,m；S。

《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。

扩散波与马斯京根法在栅格汇流演算中的应用比较姚成;章玉霞;李致家【摘要】以数字高程模型(DEM)为基础,对分布式水文模型中的汇流演算方法进行研究.以皖南山区呈村流域为例,分别采用扩散波模型与马斯京根法进行栅格单元间的汇流过程模拟,对2种汇流演算方法进行应用比较.结果表明,采用2种方法模拟的洪水过程精度基本相当,均能取得较好的应用效果.通过进一步对比分析后发现,两者在描述参数与变量的空间分布、运算效率等方面存在一定的差异.%The flow routing method in the distributed hydrological model was investigated based on the digital elevation model ( DEM). The cell-to-cell diffusion wave and Muskingum routing methods were applied to the flood simulation in the Chengcun watershed, located in the southern mountainous area of Anhui Province. The results show that the performances of the two methods are comparable and can produce desirable simulation results. Further comparison and analysis show that the two methods have differences in representation of the spatial distribution of parameters and variables, as well as their computational efficiency.【期刊名称】《河海大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(041)001【总页数】5页(P6-10)【关键词】分布式水文模型;汇流演算;扩散波;马斯京根法;洪水模拟;呈村流域【作者】姚成;章玉霞;李致家【作者单位】河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098;河海大学水文水资源学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】P338水文模型作为一种研究流域内复杂水文现象的有效工具，在水文学研究领域中一直发挥着重要作用。

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。