常用洪水預(yù)報(bào)模型介紹

常用洪水預(yù)報(bào)模型介紹第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容三水源新安江模型馬斯京根洪水演算法降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日三水源新安江模型第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日1963年，提出了濕潤(rùn)地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主的觀點(diǎn)1973年，設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)完整的流域水文模型——新安江流域水文模型1978年，國(guó)外出版了《山坡水文學(xué)》80年代中期，改進(jìn)提出了三水源新安江模型模型簡(jiǎn)介第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日模型結(jié)構(gòu)第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日模型結(jié)構(gòu)蒸散發(fā)計(jì)算采用三層模型產(chǎn)流計(jì)算采用蓄滿產(chǎn)流理論徑流劃分采用自由水蓄水庫(kù)匯流計(jì)算采用線性水庫(kù)四層結(jié)構(gòu)特別說明：河道匯流采用馬斯京根分段連續(xù)演算或滯后演算法，但它一般不作為新安江模型的主體第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日蒸散發(fā)計(jì)算三層蒸發(fā)模式

輸入：蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)E0流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)K參數(shù)：上下深三層張力水蓄水容量WUM、WLM、WDM

（和為流域平均張力水蓄水容量WM）深層蒸散發(fā)系數(shù)C

輸出：三層蒸散發(fā)量EU、EL、ED（和為流域蒸散發(fā)E）

三層張力水容量WU、WL、WD（和為張力水W）第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日蒸散發(fā)計(jì)算計(jì)算公式：Ⅰ三階段ⅡⅢⅠ上夠蒸；Ⅱ上不夠下夠；Ⅲ上下都不夠蒸深EP=K×E0當(dāng)

P+WU≧EP時(shí)，EU=EP、EL=0、ED=0當(dāng)

P+WU<EP時(shí)，

EU=P+WU

若WL>C×WLM則

EL=(EP-EU)×WL/WLM、ED=0

若WL<C×WLM且

WL≧C×(EP-EU)則

EL=C×(EP-EU)，ED=0

若WL<C×WLM且WL<C×(EP-EU)則

EL=WL，ED=C×(EP-EU)-WL第八頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)流計(jì)算蓄滿產(chǎn)流模式降水在滿足田間持水量以前不產(chǎn)流，所有的降水都被土壤所吸收（補(bǔ)充張力水，用于蒸發(fā)）；降水在滿足田間持水量以后，所有的降水（扣除同期蒸發(fā)量，變?yōu)樽杂伤┒籍a(chǎn)流。輸入：降雨量與蒸發(fā)量之差PE

參數(shù)：流域平均張力水蓄水容量WM

流域張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)B

輸出：流域產(chǎn)流量R

流域土壤含水量（張力水含量）W第九頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)流計(jì)算根據(jù)蓄滿產(chǎn)流的概念，采用張力水蓄水容量面積分布曲線來考慮土壤缺水量分布的不均勻問題。所謂張力水蓄水容量面積分布曲線是：部分產(chǎn)流面積隨張力水蓄水容量而變化的累計(jì)頻率曲線。W?m：流域各點(diǎn)的張力水蓄水容量值W?mm：流域最大的W?mF：全流域面積f：流域內(nèi)張力水蓄水容量≤某一W?m值的面積第十頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日產(chǎn)流計(jì)算計(jì)算公式：PE=P-E>0時(shí)才產(chǎn)流PE+A≥W?mmPE+A<W?mm第十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日水源劃分水源劃分方法自由水蓄水庫(kù)結(jié)構(gòu)劃分。自由水蓄水庫(kù)有兩個(gè)出口，一個(gè)底孔形成地下徑流RG，一個(gè)邊孔形成壤中流RI，其出流規(guī)律均按線性水庫(kù)出流。輸入：產(chǎn)流量R

參數(shù)：自由水蓄水容量SM

地下水出流系數(shù)KG

壤中流出流系數(shù)KI

輸出：地面徑流RS

壤中流RI

地下徑流RG

第十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日由于產(chǎn)流面積是不斷變化的，而且在產(chǎn)流面積上自由水蓄水容量分布也是不均勻的。因此，采用類似流域張力水蓄水容量面積分布曲線的流域自由水蓄水容量面積分配曲線來考慮上述不均勻性。所謂流域自由水蓄水容量面積分配曲線是指：部分產(chǎn)流面積隨自由水蓄水容量而變化的累計(jì)頻率曲線水源劃分S?

：流域各點(diǎn)的自由水蓄水容量值MS：流域最大的S?Fr：流域產(chǎn)流面積Fs：流域內(nèi)自由水蓄水容量≤某一S?值的面積第十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日水源劃分計(jì)算公式：R+AU>0時(shí)才出流R+AU≥MSR+AU<MS第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日匯流計(jì)算流域匯流計(jì)算包括坡地和河網(wǎng)兩個(gè)匯流階段坡地匯流：劃分的RS，認(rèn)為可忽略坡面匯流時(shí)間，直接進(jìn)入河網(wǎng)形成TRS；底孔出流量RG和邊孔出流量RI分別進(jìn)入各自的水庫(kù)，并按線性水庫(kù)的退水規(guī)律流出（消退系數(shù)CG和CI），分別成為地下水對(duì)河網(wǎng)總?cè)肓鱐RG和壤中流總?cè)肓鱐RI河網(wǎng)匯流：采用線性水庫(kù)或滯后演算法第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)意義（1）K：流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與實(shí)測(cè)水面蒸發(fā)值之比。大體上反映氣候和自然地理?xiàng)l件的影響，具有較為明顯的區(qū)域性規(guī)律。此參數(shù)控制著總的水量平衡，對(duì)蒸散發(fā)計(jì)算進(jìn)而對(duì)產(chǎn)流量計(jì)算的影響最為重要和敏感。包括蒸發(fā)皿到真實(shí)水面蒸發(fā)、水面蒸發(fā)到土壤蒸發(fā)能力、蒸發(fā)觀測(cè)地點(diǎn)到流域平均蒸發(fā)能力的折算。

若采用E601型蒸發(fā)皿測(cè)的蒸發(fā)E，則可作為EP的初始值，K則需要根據(jù)高程適當(dāng)修訂，一般隨高程增加而減小。由于蒸發(fā)觀測(cè)站多在流域出口斷面，因此其取值范圍0.8～1.0之間。

其率定一般需要至少4年以上資料，且應(yīng)先固定其余參數(shù)，單獨(dú)率定此參數(shù)，目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為多年水量平衡計(jì)算。第十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)意義（2）WM：流域平均張力水蓄水容量，為氣候參數(shù)，反映流域干旱程度。WM=WUM+WLM+WDM。利用久旱以后下大雨的資料，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。

WM率定范圍：濕潤(rùn)地區(qū)100～150mm、半濕潤(rùn)地區(qū)150～200mm，也可直接給定，不用率定（濕潤(rùn)120，半濕潤(rùn)170）。

WUM一般5～20mm，植被很好20mm，植被很差5mm。對(duì)蒸發(fā)量計(jì)算進(jìn)而對(duì)產(chǎn)流量計(jì)算有些影響，系統(tǒng)中WUMx為WUM占WM的比例，視具體情況選定率定范圍，一般選0.10～0.15。

WLM、WDM影響很小，WLM一般60～90mm。WLMx率定范圍0.60～0.90（WLMx為WLM占（WM-WUM）的比例）。第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)意義（3）B：張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，為地形地質(zhì)參數(shù)，反映流域張力水蓄水分布的不均勻程度，一般0.1～0.5。流域內(nèi)地形地貌地質(zhì)情況差異越大，值越大；流域越大，值越大。很小流域(幾km2)值為0.1左右，中等流域(100～1000km2)的為0.2～0.3左右，較大面積(數(shù)千km2)的值為0.4左右。（4）C：深層蒸散發(fā)系數(shù)，取決于深根植物覆蓋面積占流域面積的比例。植被根系越發(fā)達(dá)深層蒸發(fā)越大。一般經(jīng)驗(yàn)，江南濕潤(rùn)地區(qū)值約在0.15～0.20，而在華北半濕潤(rùn)地區(qū)則在0.08～0.12左右。（5）IM：為不透水面積占全流域面積之比。干旱期降一場(chǎng)小雨，所產(chǎn)生的小洪水認(rèn)為完全是不透水面積上產(chǎn)生的，其徑流系數(shù)即IM。天然流域0.01～0.02，城市區(qū)、水面沼澤區(qū)較大。第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)意義

（6）SM：流域平均自由水蓄水容量，反映表層土（即腐植土層）的蓄水能力，植被越好土層越厚，值越大。但受降雨資料時(shí)段均化影響明顯，時(shí)段越短SM越大，因?yàn)闀r(shí)段越短越不容易產(chǎn)生地表徑流。其不但決定了地表徑流的多少，影響洪峰形態(tài)，且對(duì)地表徑流與地下徑流的比重起決定作用。

SM小，自由水蓄水能力就小，則溢出多，即RS多，且多蓄于淺層，則產(chǎn)生RI多，產(chǎn)生RG少；SM大，蓄水能力就大，溢出就少，即RS少，蓄水除淺層外還能到深層，能產(chǎn)生較多RG，而RI變化不大。日模率定范圍10～20，次模20～50。（7）EX：自由水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，反映流域自由水蓄水分布的不均勻程度，大體反映了飽和坡面流產(chǎn)流面積的發(fā)展過程。其值一般取1.0～1.5，由于不敏感且變幅不大，可取定值1.5。

第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)意義（8、9）KG、KI：自由水蓄水庫(kù)對(duì)地下徑流和壤中流的出流系數(shù)，是并聯(lián)的。KG反映基巖和深層土壤的滲透性，KI反映表層土的滲透性。KG+KI代表自由水出流的快慢，KG/KI代表地下徑流與壤中流之比（RG/RI），對(duì)具體流域一般都為固定值。

一般雨止到洪水消退歷時(shí)為3天，則[1-(KG+KI)]3≈0可得KG+KI=0.7。若KG+KI=0.8，表示歷時(shí)為2天。當(dāng)歷時(shí)超過3天時(shí)，表示深層壤中流在起作用，則不需要調(diào)整KG+KI值，而用壤中流消退系數(shù)CI來處理。

上述為日模（24h），若轉(zhuǎn)換為次模（一天分為D個(gè)時(shí)段），則公式為：第二十頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)意義（10）CI：深層壤中流水庫(kù)消退系數(shù)，控制壤中流退水形態(tài)，決定洪水尾部退水的快慢。如無深層壤中流時(shí)，CI趨于零。當(dāng)深層壤中流很豐富時(shí)，CI趨于0.9，相當(dāng)匯流時(shí)間約為10天。

其作用是彌補(bǔ)KG+KI=0.7的不足，對(duì)整個(gè)洪水過程的影響，遠(yuǎn)不如SM、KG/KI明顯。

（11）CG：地下水庫(kù)消退系數(shù)，反映地下水退水的快慢?？筛鶕?jù)枯季地下徑流的退水規(guī)律推求，CG=Qt+△t/Qt。如以日為時(shí)段長(zhǎng)，則CG=0.950～0.998，相當(dāng)于退水歷時(shí)20～500天。上述為日模（24h），若轉(zhuǎn)換為次模（一天分為D個(gè)時(shí)段），則公式為：

第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)意義（12、13）CS、L：河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)、滯后時(shí)間，滯后演算法參數(shù)，反映洪水過程的坦化和平移程度，取決于河網(wǎng)地貌條件。

（14、15）X、KK：河道匯流分段馬法參數(shù)流量比重因子和傳播時(shí)間，取決于河道特征和水利條件，X反映坦化，KK反映平移。由于實(shí)際應(yīng)用中都令KK=Δt（即計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)），所以系統(tǒng)不率定KK，而率定參數(shù)MP（馬法分段演算的河段數(shù)）。

第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日小結(jié)蓄滿產(chǎn)流、一個(gè)水庫(kù)、兩條曲線、三種水源

第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日馬斯京根洪水演算法第二十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日方法簡(jiǎn)介馬斯京根法(Muskingum)是美國(guó)人麥卡錫(G.T.McCarthy)于1938年提出，因最早應(yīng)用于美國(guó)馬斯京根河而得名，是一種經(jīng)典的的河道匯流計(jì)算方法。該法將圣維南方程組中的連續(xù)方程簡(jiǎn)化為水量平衡方程，把動(dòng)力方程簡(jiǎn)化為馬斯京根法的槽蓄方程，并聯(lián)立求解而得到演算方程。經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，已形成了許多不同的應(yīng)用形式，下面介紹主要的演算形式。

第二十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日基本原理在無區(qū)間入流情況下，河段某一時(shí)段的水量平衡方程為：河段蓄水量與流量關(guān)系的槽蓄方程，一般可概括為：W=f(I,Q)馬法采用下式表示槽蓄方程：式中：K為蓄量參數(shù)，蓄量流量關(guān)系曲線（槽蓄曲線）的坡度；x稱為流量比重因子，表示上、下斷面流量在槽蓄量中的相對(duì)權(quán)重，一定程度上反映了楔蓄對(duì)流量演算的作用，如果槽蓄作用大，則x大，反之x??；Q’為示儲(chǔ)流量。第二十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日基本原理聯(lián)立兩式求解，可得到馬斯京根流量演算公式：式中：C0、C1和C2為馬斯京根洪水演算方法的演算系數(shù)，都是K、x和?t的函數(shù)，且C0+C1+C2=1。第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)物理意義及范圍

馬法假定K和x都是常數(shù)，這就要求河段蓄量W與示儲(chǔ)流量Q’成單一線性關(guān)系，這只有Q’等于該槽蓄量的恒定流流量Q0時(shí)才滿足，所以示儲(chǔ)流量Q’的物理意義就是恒定流流量Q0。

K=dW/dQ’，即槽蓄曲線的坡度，而dW/dQ’=dW/dQ0，即K等于相應(yīng)蓄量W下恒定流狀態(tài)的河段傳播時(shí)間τ0，這才是K的物理意義。在洪水演算中，K主要體現(xiàn)洪水過程的平移。（1）K第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)物理意義及范圍馬法要求流量在計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)沿河長(zhǎng)呈直線變化。若時(shí)段小于河道傳播時(shí)間，則會(huì)出現(xiàn)計(jì)算時(shí)段末洪水波的峰、谷位于河段中間，這就要求Δt≥K；而馬法又要求計(jì)算斷面的流量在時(shí)段內(nèi)接近直線變化，這又要求Δt≤K。為了避免出現(xiàn)負(fù)出流等不合理現(xiàn)象，保證上、下斷面的流量在計(jì)算時(shí)段內(nèi)呈線性變化和在任何時(shí)刻流量在時(shí)段內(nèi)沿程呈線性變化，一般要求?t=K。在系統(tǒng)中率定時(shí)，直接取K值為?t即可。（1）K第二十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日參數(shù)物理意義及范圍馬法在建立槽蓄曲線時(shí)，引入x（流量比重系數(shù)），而特征河長(zhǎng)法（存在一個(gè)河長(zhǎng)，使W、Q成單值關(guān)系）引入l（特征河長(zhǎng)。經(jīng)分析推導(dǎo)，可得：x分兩部分：①x1為水面曲線形狀，反映楔蓄大小（一般天然河道其值為1/2）；②L/l，為河段L按l分成的段數(shù)，反映河段調(diào)蓄能力。（2）x第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日在洪水演算中，x主要體現(xiàn)洪水過程的坦化。x值越小表明河段槽蓄作用越大，演算出的過程線坦化程度越大。例如，對(duì)水庫(kù)而言，槽蓄作用大，入流量I不起作用，過程線坦化程度很大，則x≈0；若河段上、下斷面流量相等，即河段沒有槽蓄，則過程線沒有坦化，x=0.5；絕大多數(shù)河流x=0～0.5之間，在河網(wǎng)區(qū)或坡度很緩的河段會(huì)出現(xiàn)L<l，則x<0。率定時(shí)，一般選0～0.5。參數(shù)物理意義及范圍（2）x

在實(shí)際工作中，一般使用第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日特殊情況處理方式

馬法要求?t=K，對(duì)傳播時(shí)間較長(zhǎng)的長(zhǎng)河段就必須采用較大的?t，這對(duì)馬法的應(yīng)用帶來了限制，解決的辦法就是分段連續(xù)演算。1962年趙人俊教授提出了馬斯京根分段連續(xù)演算法。將演算河段分成N個(gè)子河段后，每個(gè)子河段參數(shù)KL、xL與未分河段時(shí)的參數(shù)K、x的關(guān)系為另外，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于河段區(qū)間有支流匯入的情況，處理方式有兩種：先和后演法和先演后和法。第三十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法第三十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，2022年，8月28日方法簡(jiǎn)介通常所說的API模型（前期雨量指數(shù)模型AntecedentPrecipitationIndexModel），其實(shí)用的表達(dá)形式就是傳統(tǒng)的降雨徑流相關(guān)圖，又稱之為降雨徑流經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法。上世紀(jì)70年代