新安江流域水文模型课件.pptx
新安江流域水文模型,一、水文模型的分类水文模型的分类大多数人不是十分清楚，不同的书籍叙述的分类也不统一。有些概念常常没有严格区分，以至于读者不能形成关于水文模型的清晰印象。为便于今后阅读文献，有必要对水文模型的分类进行梳理，搞清数学模型、物理模型、数学物理模型、概念性模型、系统模型、水文模型、流域水文模型等概念的区别。,水文模型,数学模型,物理模型,概念性模型,随机模型,确定性模型,实验模型,原型模型,黑箱模型（系统模型）,数学物理模型,线性模型,分散模型,集总模型,非线性模型,时不变模型,时变模型,时不变模型,时不变模型,时变模型,时变模型,时变模型,时不变模型,1.模型：实际上是物理原型的某种近似，人们根据研究需要抽取物理原型的某些特征，采用一定的方法来建立模型，以期在模型上重现或预估物理原型的主要行为，以便对物理现象进行更深入的分析和认识。,2.物理模型：用实物反映客观世界的物理过程。实验模型为实验目的而人为制作的实物模型；物理实验中的实验装置是物理模型（如实验室中使用的下渗模型），水工试验模型是按一定水力比尺缩小物理原型而得的物理模型，室内人工降雨、径流试验装置是物理模型，用电子线路模拟物理现象也是物理模型。原型模型直接利于实物、自然场地或自然现象进行观测、实验；如水文站的测量工作和实验研究工作实际是对河流水文过程进行原型观测或原型实验。,3.数学模型：是根据物理的、生物的和社会的某些规律，遵循一定的原则而建立的数学“系统”，是对物理现象的数值仿真，它从数量上反映物理现象的因果关系，可从量上揭示物理现象的深层规律。由于数学模型不受客观条件限制，容易制作，因而得到广泛应用，特别是在不能建立物理模型的情况下，例如，研究地球大气环流物理系统，建立模型的唯一选择只能是数学模型，即建立大气环流物理方程，然后进行数值仿真，以揭示大气环流运动的客观规律。,3.1 随机模型：指模拟水文现象随机性的模型，包括统计模型和时间序列模型等。统计模型模拟水文现象的统计规律(随机规律)，例如，频率计算、相关分析都是统计模型的例子。随机水文学中所研究的AR(p)、MA(p，q)等模型属于时间序列模型。3.2 确定性模型侧重水文物理现象的成因研究，忽略随机因素。主要模拟水文现象确定性规律的模型。如马斯京根模型、新安江模型等水文模型。,数学物理模型是以数学物理方法对水文现象进行模拟的模型。这种模型是建立在严格的物理的、力学方程基础之上，对水文模型而言，要使用一些物理的、水力学的方程，必须对客观水文物理系统作很多简化才可能建立起模型。因此，这种模型目前在水文生产上尚不能完全付诸实用。,概念性模型是以水文现象的物理概念作基础进行水文过程模拟的，它所模拟的不完全是真的物理实体，而要对物理现象进行概化。例如，概念性模型常把流域的包气带概化成两层或三层，每层看作是均匀的土层，以便有效地模拟流域蒸散发和径流的形成。其中，上层代表疏松的表土层，下层代表较坚实的土层；潜水面以下的地下含水层看作是一个线性水库，以便模拟地下径流。实际上凡是有一定水文物理概念的模型都属于概念性模型，例如马斯京根流量演算方程也是一种概念性模型，它把物理河段概化为均一河段，且河段出流看作水库出流。本课程所要介绍的流域水文模型就是一种概念性模型，是目前水文上最完整，最流行的概念性模型。需要说明的是，许多书籍把以一个流域作为研究对象的系统模型也称为流域水文模型，但一般而言，在不加说明的情况下，流域水文模型总是指概念性模型。,黑箱模型又称系统模型，它是根据系统理论，利用物理系统的输入和输出的数值量推求代表系统特征的系统响应函数，从而对系统的行为进行研究，系统模型由于研究系统输入与输出之间的确定性关系，这实际上也是一种因果关系，所以它属于一种确定性模型。通常建立模型后，模型的应用就是利用系统的输入和系统响应函数推求系统的输出。瞬时单位线（纳西单位线），利用流域的降雨和前期输出与当前输出建立关系的总径流响应模型是系统模型的例子。系统模型根据其建模方程是线性方程或非线性，方程又可分为线性模型和非线性模型两类。每类又视其参数是否随时间变化分为时变模型和非时变模型两种模型。,4.水文数学模型：水文数学模型是根据水文循环中各个环节的物理规律建立起来的“数学系统”。一般文献中指的水文模型实际上是水文数学模型。根据下渗规律、蒸散发规律、河道洪水波运动规律等建立的下渗模型、蒸散发模型、河道洪水演算模型都是水文模型，但是，它们并不是流域水文模型。流域水文模型是以一个流域作为基本的研究单元，以流域的水文循环的整体过程作为模拟对象，将流域水文循环涉及到的降水、蒸发、截留和下渗；产流、汇流，包括地表径流、壤中流、地下径流的产、汇流，以及坡面调蓄和河网调蓄等流域水文循环的环节或子过程有机地融合在一起，构成一个完整、严密的数学系统。因此流域水文模型也是一种水文模型，但是比一般水文模型更完整，结构更复杂，建立模型也更为困难。,概念性模型实际上也有线性模型和非线性模型之分，例如，马斯京根流量演算有线性演算法和非线性演算法两种方法。由于多数情况下概念性模型指的是流域水文模型，而流域水文模型一般是非线性的模型，为简化起见，概念性模型习惯上一般不分线性模型和非线性模型。所谓集总模型和分散模型习惯上也是对流域水文模型而言的，以一个流域作为完整的研究单元，以流域平均降雨和蒸发作输入，以流域出口断面的径流作为模拟的首要目标，这是所谓的集总模型。对一个较大的流域，可以将其划分为更小的流域单元，分别模拟各个流域单元的出流，再通过河系流量演算将各个子流域的出流演算至大流域出口叠加，求得大流域的径流过程，这就是所谓的分散模型。近年出现的分布式模型是新一代的流域水文模型，它将流域划分为许许多多的网格单元，由各网格单元的降雨和蒸发作模型输入，产、汇流也立足于网格单元的水文物理特性，最后求得流域出口的径流过程。,分散式水文模型分块示意图,二、流域水文模型的研制 流域水文模型的研制，需要解决三个问题：1.确定模型的结构模型的结构指模型用以表达流域水文循环的物理描述，由于流域水文物理过程的复杂性，人们目前只能对流域水文物理过程做出一定的概化，在此基础上确定模型的结构。由于不同的人对不同的自然地理区域做出的概化不尽相同，模型的结构就可能不相同。但是，一般都包括流域水文循环的几个主要环节。具体说来，确定模型的结构就是要对具体流域，确定采用几种水源、几层蒸发、是否考虑坡面汇流、是否考虑填洼和植物截留，采用集总模型还是分散模型。模型的结构应具有合理性，即，模型的结构应能正确表述研究流域的主要特征，模型的结构通常用框图表示。,2.确定模型的参数确定出模型的结构后，接下来就要考虑采用什么样函数形式来描述水文物理循环的数量关系；即采用什么样产流计算方式和计算方程（包括蒸发计算，下渗计算，土壤含水量计算），什么样汇流计算方式和计算模型（包括各种水源的坡面汇流和河网汇流）等等。计算函数形式确定后，其函数中的参数就代表了流域的具体特征，通常称这些参数为模型参数。当计算函数是建立在水文物理概念基础之上时，模型的参数就具有一定的物理意义。由于对流域作概化时，为使计算方便可行，目前的流域水文模型还作不到使每个参数都具有物理含义，但使多数模型参数具有物理意义是模型研制的努力方向。,2.确定模型的参数不同的流域，模型参数的取值范围不同，由于许多物理参数的不可测量性（例如，流域的蓄水容量就不能通过测量取得），对具体流域，当应用流域水文模型模拟径流时，只能通过优选获得一组接近最佳的模型参数。优选模型参数通常称为模型参数的率定，这是一个十分重要的工作，需要一定的模型应用经验。,3.确定模型状态变量的计算流程每一个水文循环过程的状态都是由一组变量表达的，它们体现为表达水文物理循环过程的函数中，随时间而变化的变量，这些变量通常称为模型的状态变量。当模型的输入（通常是流域平均的降雨和蒸发能力），模型的结构和参数确定后，模型的状态变量就随模型的输入变化而变化。由于流域水文循环各个子过程在时间上的交织，需正确制定模型状态变量的计算流程，才能使模型正确模拟流域的径流过程。计算流程一般需要保证流域的水量平衡，不正确的计算流程往往导致水量不平衡，这会破坏模型的严谨性。流域水文模型通常较为复杂，一般需要由计算机程序实现，所以模型的计算流程通常由计算机程序的计算流程图表达。,三、新安江模型 1.概述上世纪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，并取名为新安江模型。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。,三、新安江模型 1.概述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。上世纪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。在新安江三水源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。,（1）新安江三水源模型结构新安江三水源模型包括4个计算环节：流域产流计算、水源划分、蒸散发计算、汇流计算。流域的产流计算和蒸散发计算与新安江二水源模型相同，水源划分则完全不同，因此汇流计算也不相同。新安江三水源模型结构示意图见下图。,2.新安江模型的原理与结构,新安江三水源模型流域产流计算新安江模型产流部分的计算是蓄满产流模式；蓄满产流指在流域包气带土湿满足田间持水量以前不产流，所有的降雨都被土壤吸收；而在土湿达到田间持水量之后，所有的降雨（除去同期的蒸散发）都产流。在产流后，流域包气带土壤的下渗能力为稳定下渗率，下渗的水分成为地下径流和壤中流，超蓄的部分成为地面径流。考虑到流域内各点的蓄水容量并不相同，实际产流时常常是在部分面积上产流，新安江模型引入流域蓄水容量分布曲线来刻划流域内各点蓄水容量的不均匀性，把流域内各点的蓄水容量概化成如图所示的一条抛物线（也可概化成其它函数形式）。,其方程为：式中：为产流面积；是点蓄水容量，；是蓄水容量小于等于蓄水量的全部点的面积，；是单元流域面积，；是蓄水容量曲线指数。是流域内点最大蓄水容量，；其与流域平均蓄水容量的关系为:,引入蓄水容量分布曲线后，在降雨过程中，只有在满足了包气带蓄水容量的面积上才可能产生径流，其余面积上不产生径流。扣除蒸发后的有效降雨量 中，未转化为净雨产流量 的水分,流域蓄水容量分布曲线示意图,通过下渗进入流域包气带土层，补充土层蓄水量。引入流域蓄水容分布量曲线后的产流计算式为：当 时为部分面积产流 当 时为全流域面积产流式中：式中：为有效降雨量，；为与流域土壤初始蓄水量相应的前期影响雨量，由下式计算,只需实现给定流域平均最大蓄水容量WM和流域蓄水容量-面积分配曲线指数b便可建立以流域初始土壤蓄水量W0为参数的降雨径流关系。,新安江三水源模型水源划分 不考虑自由水蓄水容量分布不均匀的划分方法 求得的产流量 包括地面径流、壤中流 和地下径流 三部分。新安江三水源模型用一个自由水蓄水库解决水源划分，自由水蓄水库有两个出流孔，底孔为地下径流 出流孔，边孔为壤中流 出流孔。新安江模型考虑了产流面积（）的变化，自由水蓄水库实际只发生在产流面积上，其底宽为产流面积，显然它是随时间变化的。产流量 进入水库即在产流面积上产生 的径流深，也就是自由水蓄水库所增加的蓄水深。当自由水蓄水深 超过其最大值 时，超过部分成为地面径流。壤中流 和地下径流按线性水库出流，其出流系数分别为 和。底孔出,流量 和边孔出流量 分别进入各自的水库，并按线性水库的退水规律流出，分别成为地下水出流 和壤中流出流。模型认为蒸散发在张力水中消耗，自由水蓄水库的水量全部为径流。水源划分示意图见下图。,考虑自由水蓄水容量分布不均匀的划分方法流域自由水蓄水容量实际上也是不均匀的，作为上图表示的水源划分方法的改进，人们引入流域自由水蓄水容量分布曲线来刻化自由水蓄水容量的不均匀性，其线型与流域蓄水容量曲线类似，曲线见下图，曲线方程如下式。,(A),式中：为产流面积；点自由水蓄水容量；自由水蓄水容量小于等于蓄水量的全部点的面积；单元流域面积；自由水蓄水容量曲线指数。流域内点最大自由水蓄水容量；与流域平均自由水蓄水容量的关系为：由于认为在产流面积上才有自由水，因此，产流面积 上的点最大自由水蓄水容量 是随产流面积变,(B),化而变化的，见图所示。对当前时段，已知，则将其代（A）式得上式解出 得：同样，在产流面积 上的自由水平均蓄水容量 与该面积上的点最大自由水蓄水容量 的关系为：在划分水源时，产流面积 上只有在满足了蓄水容量的水库面积上才可能产生地面径流；其余面积上不产生地面径流。进入水库的水分扣除地面径流量,后，剩余的补充水库蓄水量S，这时的水源划分计算式为：a.地面径流出流 当 时为部分面积产流 当 时为全流域面积产流式中：为计算时段初的自由水蓄水库的蓄水量（用产流面积上的平均深度表示）；为计算相应于 的自由水蓄水库前期影响入流量，由下式计算。,（B）,（C）,进入水库的水分扣除地面径流量后，剩余的补充水库蓄水量S：b.壤中流出流：c.地下径流出流：,流域蒸散发计算 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，根据需要采用两层或三层蒸散发模型计算流域蒸发量。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、（）。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：当 则，当 则，式中：是流域降雨量，；是流域蒸散发能力，；是上层土壤蓄水量，；是下层土壤蓄水量，；是下层土壤蓄水容量，；、分别为上层、下层蒸发量，。,三层蒸散发模型的计算式如下：,流域汇流计算 忽略地面径流的坡面汇流阶段，直接将地面径流产流量 转换为流量作为河网地面径流入流。地下径流 和壤中流 坡地汇流均采用线性水库模拟，经线性水库调蓄后得到相应河网入流 与。三种水源的河网入流流量相加就是所谓的河网总入流。河网总入流经流域河网调蓄后得到流域出口断面的流量过程。壤中流坡地汇流计算 地下径流坡地汇流计算,式中：t时段壤中流出流流量，；壤中流消退系数，可假定为；t时段地下径流出流流量，；地下径流消退系数，可假定为；是径流深转换为流量时的单位转换系数，。河网总入流计算式中：时段河网的总入流，；,河网汇流单位线汇流 河网汇流单位线也称时变河网汇流单位线，河网总入流经流域河网调蓄后得到流域出口断面的流量过程。河网汇流单位线的计算式如下：式中：河网消退系数；河网汇流时间，；时刻的河网出流（即 时刻的流域出口断面流量），；,时刻的河网总入流经河网调蓄后，延迟 时间的出流，。是随时间而变化的时变参数，它取决于时刻的河网的总入流量和流域的河槽特性。一般用下式计算：式中：反映流域河槽特性的系数。,预报模型（河网单位线汇流）计算过程示意图,蒸发模型计算：已知初始土壤蓄水量，降雨量P，蒸发能力KE0，计算流域蒸发量E，土壤蓄水减少量W,产流方案计算：已知初始土壤蓄水量，有效降雨PE；计算产流量R，土壤蓄水增量W,由时段降雨量P、蒸发量E0计算有效降雨PE=P-KE0,PE0?,水源划分计算：已知产流量R，计算地面径流Rs，壤中流Ri，地下径流Rg,地面径流Rs乘单位转换系数后转换为时段平均流量，直接进入河网,壤中流，地下径流汇流计算：由线性水库计算其进入河网的流量过程,河网总入流计算：三种流量同时刻值叠加，得河网总入流流量,是,否,河网汇流计算：出口断面流量,3.新安江模型的计算流程,4.新安江三水源模型的参数调试 采用河网汇流单位线的新安江三水源模型共有14个参数，根据参数的功能可分为4类 与蒸散发计算有关的参数：蒸散发折算系数，上层土壤蓄水容量 下层土壤蓄水容量，深层蒸散发系数。与产流计算有关的参数：流域蓄水容量，流域蓄水容量曲线指数，流域不透水面积比值。与水源划分有关的参数：流域自由水蓄水容量，流域自由水蓄水容量曲线指数，自由水蓄水库壤中流出流系数 与自由水蓄水库地下径流出流系数。与汇流有关的参数：壤中流消退系数 和地下径流消退系数；河网汇流单位线参数 和。,壤中流汇流调蓄水库和地下径流汇流调蓄水库与自由水水库是不同的水库，但如果假定二调蓄水库的出流系数与自由水水库对应的径流的出流系数相同，即假定，则参数可减为12个。4类参数相对独立，同类参数有一定相依性。参数初定：根据流域自然地理资料、水文气象资料和前人已经积累的经验初定参数。蒸散发折算系数 可采用汛期连续大雨，流域蓄水量处于蓄满状态后的累计降雨、累计径流、累计蒸发观测资料，用下式估计:,流域蓄水容量、上层土壤蓄水容量、下层土壤蓄水容量 值 一般根据实测的降雨径流资料分析或经验选取后，适当微调即可。流域蓄水容量曲线指数 此值一般在0.20.5之间取值，通常流域越小，该值越小。不透水面积比值 值对模型拟合精度影响很小，一般取00.05。深层蒸散发系数 南方多林地区 左右；北方半干旱地区左右。,流域自由水蓄水容量 一般由经验初定。流域自由水蓄水容量曲线指数 根据经验，常在11.5左右。自由水蓄水库壤中流出流系数 与自由水蓄水库地下径流出流系数 一般来说，约为0.7左右，二者分配比与具体流域有关，只能调试决定。壤中流消退系数 和地下径流消退系数 具体取值与具体流域有关，可调试决定。河网汇流单位线参数 和 和 与具体流域的河网特性有关，可调试决定,参数率定:首先率定第一类参数，主要观察率定期的总水量是否与实测水量相近。其次率定第二类参数，主要观察次洪水的水量是否与实测水量相近。第三类参数的率定，主要观察次洪水的退水段过程的水量是否与实测水量相近。第四类参数的率定，主要观察次洪水的过程线是否拟合良好。参数率定过程中要反复对参数进行多遍调试，直至满足精度要求。,课程设计,目的：“流域水文模型与实时预报”属专业选修课，通过一个完整的流域水文模型模拟和洪水预报软件的制作了解和考察对课程内容的掌握程度。通过课程设计，熟悉流域模型制作所需水文资料的收集和整理，学会用VB开发实时预报软件的基本方法和过程。掌握新安江流域水文模型的原理和方法、掌握模型参数分析和调试的技术。提高分析问题和解决问题的能力，增强计算机应用的动手能力。,课程设计,设计题目：流域径流模拟及软件编制（6人为一组选择流域，整理资料，每人独立完成模拟计算）根据流域的自然地理情况和气候条件,以及洪水流量过程线的分析,可知流域产流规律符合湿润地区的蓄满产流特征。采用三水源新安江流域水文模型进行日径流模拟和洪水预报，用两层或三层蒸发模型计算蒸发。,设计步骤：1资料的收集和整理流域自然地理资料。流域日雨量（78站）、日蒸发、日径流资料。用EXCL录入数据并存为文本文件。计算流域面平均日雨量。,设计步骤：2软件编制建立VB工程，设计软件封面封面上应包括：设计题目、班级、学生姓名。封面要求美观整洁。径流模拟及洪水预报功能界面 界面功能应包括：模型参数调试功能、实测径流和模拟径流过程线、模拟结果评定等显示功能。编制三水源新安江流域水文模型模拟程序 可以采用两层蒸发或三层蒸发模型，同学任选。要求至少一年连续模拟，参数可调，增强通用性。,设计步骤：3模型参数调试人机交互式调试模型参数，使实测径流和模拟径流过程线误差满足要求。4模拟成果评定 按水文情报预报规范要求评定洪峰合格率、洪量合格率、洪峰滞时合格率。5编写设计报告包括模型简介、选择流域及数据简介、程序设计、代码、模拟结果（图、表）等。,教材流域水文模型与实时预报四川大学水电学院自编教材 主要参考资料VB6.0中文版教程新智工作室编，电子工业出版社，2000年VB语言程序设计林桌然编，电子工业出版社，2003年水文情报预报规范水利电力部，水利电力出版社，2000年,提交设计成果：设计报告（电子版和打印版，20页左右）、程序（数据、界面和代码）（电子版）提交时间：2010.12.20号之前，以班为单位,
