新安江模型原理

1、新安江模型基本原理1.1 新安江模型原理原華東水利學(xué)院（現(xiàn)為河海大學(xué)）的趙人俊教授于1963年初次提出濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主的觀點，主要根據(jù)是次洪的降雨徑流關(guān)系與雨強無關(guān)，而只有用蓄滿產(chǎn)流概念才能解釋這一現(xiàn)象。上個世紀(jì)70年代國外對產(chǎn)流問題展開了理論研究，最有代表性的著作是1978年出版的山坡水文學(xué)，它的結(jié)論與趙人俊教授的觀點基本一致：傳統(tǒng)的超滲流概念只適用于干旱地區(qū)，而在濕潤地區(qū)，地面徑流的機制是飽和坡面流、壤中流的作用很明顯。20世紀(jì)70年代初建立的新安江模型采用蓄滿概念是正確的。但對于濕潤地區(qū)，由于沒有劃出壤中流，導(dǎo)致匯流的非線性程度偏高，效果不好。80年代初引進了山坡水文學(xué)的概念，提出

2、三水源的新安江模型。新安江三水源單元面積出流地下流RGCG地下總?cè)肓鱍G模型流程圖見下圖1.1輸出KE,1WXE出流Q圖1.1三水源新安江模型流程圖新安江水文模型按照三層蒸散發(fā)模式計算流域蒸散發(fā)，按蓄滿產(chǎn)流概念計算降雨產(chǎn)生的總徑流量，采用流域蓄水曲線考慮下墊面不均勻?qū)Ξa(chǎn)流面積變化的影響。在徑流成分劃分方面，對三水源情況，按“山坡水文學(xué)”產(chǎn)流理論用一個具有有限容積和測孔、孔底的自由水蓄水庫把總徑流劃分為飽和地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流。在匯流計算方面，單元面積的地面徑流匯流一般采用單位線法，壤中水徑流和地下水徑流的匯流則采用線性水庫法。河網(wǎng)匯流一般采用分段連續(xù)演算的Muskingum法或滯時

3、演算法，但它一般不作為新安江模型的主體。模型中主要參數(shù)如表1.1所示表1.1新安江（三水源）模型參數(shù)的定義參數(shù)含義K蒸散發(fā)能力折算系數(shù)WM流域蓄水容量UM上層蓄水谷重LM下層蓄水谷重C深層蒸散發(fā)系數(shù)IM不透水面積占全流域面積之比B蓄水容量曲線指數(shù)SM流域自由水蓄水容量EX自由水蓄水容量曲線指數(shù)KI壤中水徑流出流系數(shù)KG地下水徑流出流系數(shù)CS地面徑流消退系數(shù)CI壤中水徑流消退系數(shù)CG地下水徑流消退系數(shù)N子河段數(shù)KE子河段洪水波傳播時間XE子河段流量比重因子概念性模型的結(jié)構(gòu)反應(yīng)客觀水文規(guī)律，參數(shù)應(yīng)該代表流域的水文特征，把模型設(shè)計為分散性的，主要是為了考慮降雨分布不均的影響，其次也便于考慮下墊面條件

4、的不同及其變化。降雨分布不均，不但對匯流產(chǎn)生明顯的影響，而且對產(chǎn)流也會產(chǎn)生明顯的影響。如果采用集總性模型，應(yīng)用面平均雨量來進行計算，誤差可能很大，而且是系統(tǒng)性的。新安江水文模型是分散性模型，可用于濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)的濕潤季節(jié)。當(dāng)流域面積較小時，新安江模型采用集總模型，當(dāng)面積較大時，采用分塊模型。它把全流域分為許多塊單元流域，對每個單元流域作產(chǎn)匯流計算，得出單元流域的出口流量過程。再進行出口以下的河道洪水演算，求出流域出口的流量過程。把每個單元流域的出流過程相加，就求得了流域的總出流過程。新安江模型按泰森多邊形法分塊，以一個雨量站為中心劃一塊，這種分法便于考慮降雨分布不均。新安江模型主要由四部

5、分組成，即蒸散發(fā)計算、產(chǎn)流量計算、水源劃分和匯流計算。徑流劃分為直接徑流和地下徑流，產(chǎn)流計算用蓄滿產(chǎn)流方法，流域蒸發(fā)采用二層或三層蒸發(fā)，水源劃分采用穩(wěn)定下滲法，直接徑流坡面匯流用單位線法，地下徑流坡面匯流采用線性水庫。輸入為實測降雨和實測蒸散發(fā)能力，輸出為流域出口斷面流量和流域蒸散發(fā)量。1.2 新安江模型結(jié)構(gòu)1.2.1 蒸散發(fā)計算新安江三水源模型中的蒸散發(fā)計算采用的是三層蒸發(fā)計算模式，其參數(shù)為上層張力水容量UM,下層張力水容量LM,深層蒸散發(fā)系數(shù)C,蒸散發(fā)折算系數(shù)K,所用公式如下。當(dāng)上層張力水蓄量足夠時，上層蒸散發(fā)EU為：當(dāng)上層已干，而下層蓄量足夠時，下層蒸散發(fā)EL為:EL=KxEMXWL/L

6、M當(dāng)下層蓄量也不足，要觸及深層是，蒸散發(fā)ED為:EI)=CXKXEM1.2.2 產(chǎn)流量計算產(chǎn)流量計算是根據(jù)蓄滿產(chǎn)流理論得出的。所謂蓄滿，是指包氣帶的含水量達(dá)到田間持水量。在土壤濕度未達(dá)到田間持水量時不產(chǎn)流，所有降雨都被土壤吸收，成為張力水。而當(dāng)土壤濕度達(dá)到田間持水量后，所有降雨(減去同期蒸發(fā))都產(chǎn)流。產(chǎn)流計算中參數(shù)為包氣帶張力水容量WM,張力水蓄水容量曲線的方次B,不透水面積的比值IM,所用公式為：MM=WMX(1+8)/(1IM)A=MMx(1-(1陰WM2創(chuàng))R=0,P-KxEMW0JR=P-KEM-WMW+WMx(1-+1+,P-KXEM+AMMR=P-KxEMWMrW,其它式中，R為產(chǎn)

7、流量；MM為流域最大點蓄水容量。1.2.3 水源劃分三水源新安江模型分水源計算中，共分為三種水源即地面徑流RS地下徑流RG和壤中流RI。參數(shù)為表層土自由水蓄水容量SM,表層自由水蓄水容量曲線的方次EX,表層自由水蓄量對地下水的出流系數(shù)KG及對壤中流的出流系數(shù)KI,所用公式為：MS=(1+EX)XSMAU=MSx(1-(1-SjSM尸%ER=(HrMx(P-KXKXEM)RG=SXKG、XFRRI=SXKIXFR產(chǎn)一女XEMW0RS=OfP-KXEM-SM+S+SM(P-KXEMV1+EXxFR,I+AUI/MS/)PKXEM十4UMS其它RS=(PK乂EMSSM)XFR,1.2.4 匯流計算流

8、域匯流計算包括坡地和河網(wǎng)兩個匯流階段。坡地匯流是指水體在坡面的匯集過程，水流不但發(fā)生了水平運動，而且還有垂向運動。在流域的坡面上，地面徑流的調(diào)蓄作用不大，地下徑流受到較大的調(diào)蓄，壤中流所受調(diào)蓄介于兩者之間。河網(wǎng)匯流是指水流由坡面進入河槽后，繼續(xù)沿河網(wǎng)的匯集過程。在河網(wǎng)匯流階段，匯流特性受制于河槽水力學(xué)條件，各種水源是一致的。新安江三水源模型中的河網(wǎng)匯流，僅指各單元面積上的水體從進入河槽匯至單元出口的過程，而不包括單元出口到流域出口處的河網(wǎng)匯流階段。1.2.4.1 坡地匯流計算新安江三水源模型中把經(jīng)過水源劃分得到的地面徑流RS直接進入河網(wǎng)，成為地面對河網(wǎng)的總?cè)肓鱍S。壤中流RI流入壤中流水庫，經(jīng)

9、過壤中流蓄水庫的消退(壤中流水庫的消退系數(shù)為CI),成為壤中流對河網(wǎng)總?cè)肓鱍I。地下徑流RG進入地下蓄水庫，經(jīng)過地下蓄水庫的消退(地下蓄水庫的消退系數(shù)為CG),成為地下水對河網(wǎng)的總?cè)肓鱍G。計算公式為：Q5Q)=RSQ)XUQI(t)=QI(t-l)xCI+RI(t)x(1-CT)xt；QGQ)=qg-1)xCG+RGQ)x(1-CG)xUQQQ)=QS(t)+Q/+QG(F為流域面積；At為時段長)，QQ為河網(wǎng)總?cè)肓?m3/s)式中，U為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，可將徑流深轉(zhuǎn)化為流量，即從mm轉(zhuǎn)化為m3/s,F1.2.4.2 河網(wǎng)匯流計算新安江三水源模型中用無因次單位線模擬水體從進入河槽到單元出口的河網(wǎng)

10、匯流。在本流域或鄰近流域，找一個有資料的、面積與單元流域大體相近的流域，分析出地面徑流單位線，就可作為初值應(yīng)用。計算公式為：Q=Eotk&)xqq(+i)=1式中，Q為單元出口處t時刻的流量值；UH為無因次時段單位線；N為單位線的歷時時段數(shù)。由于單位線確定較為困難，經(jīng)常采用滯后演算法進行單元面積的河網(wǎng)匯流計算。即：Q=(75x(2(i-l)+QCS)xQQ(l-L)式中，CS為河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)；L為滯后時間。而對于單元面積以下的河道匯流，采用Muskingum法計算，單元河段的參數(shù)為XE與KE。流域匯流計算的輸入是單元上的地面徑流RS、壤中流RI、地下徑流RG及計算開始時刻的單元面積上壤中流流

11、量和地下徑流流量值。輸出為單元出口的流量過程二新安江模型的參數(shù)2.1 模型參數(shù)物理意義新安江模型的參數(shù)一般具有明確的物理意義，可以分為四類：蒸散發(fā)參數(shù)、產(chǎn)流量參數(shù)、水源劃分參數(shù)和匯流參數(shù)。2.1.1 蒸散發(fā)參數(shù)（K、UM、LM、C）K為蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與實測水面蒸發(fā)值之比。此參數(shù)控制著總水量平衡，因此對水量計算是十分重要的。UM為上層蓄水容量，它包括植物截留量。在植被與土壤比較發(fā)育的流域，約為20mm；在植被與土壤頗差的流域，約為56mm。LM為下層蓄水容量。可取6090mm。C為深層蒸散發(fā)系數(shù)。它決定于深根植物占流域面積的比數(shù)，同時也與UM+LM的值有關(guān)，此值越大，深層

12、蒸散發(fā)越困難。一般經(jīng)驗，在江南濕潤地區(qū)C值約為0.15-0.20,而在華北半濕潤地區(qū)則在0.090.12左右。2.1.2 產(chǎn)流量參數(shù)（WM、B、IM）WM為流域蓄水容量，是流域干旱程度的指標(biāo)。根據(jù)久旱以后下大雨的資料，如在雨前，可認(rèn)為蓄水量為0,雨后可認(rèn)為已蓄滿，則此次洪水的總損失量就是WM,可從實測資料中求得。若無資料，則只能根據(jù)久旱后的幾次降雨，用估計的方法求出。WM一般分為上層UM、下層LM和深層DM。在南方約為120mm，北方半濕潤地區(qū)約為180mm。B為蓄水容量曲線的方次。它反映流域上蓄水容量分布的不均勻性。一般經(jīng)驗，流域越大，各種地質(zhì)地形配置越多樣，B值也越大。在山丘區(qū)，很小面積（

13、幾平方公里）的B為0.1左右，中等面積（300平方公里以內(nèi)）的B為0.20.3左右，較大面積（數(shù)千平方公里）的B值為0.30.4左右。但需說明，B值與UM有關(guān)，相互并不完全獨立。同流域蓄水容量曲線，如WM加大，B就相應(yīng)減少，反之亦然。IM為不透水面積占全流域面積之比。如有詳細(xì)地圖，可以量出，但一般不可能，可找干旱期降小雨的資料來分析，這時有一很小洪水，完全是不透水面積上產(chǎn)生的。求出此洪水的徑流系數(shù)，就是IM。2.1.3 水源劃分參數(shù)（SM、EX、KI、KG）SM為流域平均自由水蓄水容量，本參數(shù)受降雨資料時段均化的影響，當(dāng)用日為時段長時，一般流域的SM值約為1050mm。當(dāng)所取時段長較小時，SM

14、要加大。這個參數(shù)對地面徑流的多少起著決定性作用，因此很重要。EX為自由水蓄水容量曲線指數(shù)，它表示自由水容量分布不均勻性。通常EX取值在11.5之間。KI為自由水蓄水庫對壤中流的出流系數(shù)，KG為自由水蓄水庫對地下徑流出流系數(shù)，這兩個出流系數(shù)是并聯(lián)的，具和代表著自由水出流的快慢。一般來說，KI+KG=0.7,相當(dāng)于從雨止到壤中流止的時間為3天。如果退水歷時為2天，則KI+KG=0.8。但有的流域退水歷時遠(yuǎn)大于3天，表示深層壤中流起了作用，應(yīng)由參數(shù)CI來處理。2.1.4 匯流參數(shù)（CI、CG、CS;N、XE、KE）CI為壤中流水庫的消退系數(shù)。如無深層壤中流時，CI趨于00當(dāng)深層壤中流很豐富時，CI趨于0.9,相當(dāng)