ch6流域水文模型解析ppt课件.ppt
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1、第六章 流域水文模型,Contents,1 流域水文模型的概念,1、水文模型概述思考:什么是流域水文模型,其作用是什么?,流域水文模型的物理基础,河道汇流,地下水汇流,流域汇流,流域产流,1 流域水文模型的概念,早期的水文分析计算大多采用一些经验相关的方法,如:相应水位(或流量)法、降雨径流相关图法、单位线法等。20世纪50年代后期先后有流量综合与水库调节、斯坦福等模型出现。这些模型从定量上分析了流域出口断面流量过程形成的全部过程。60年代先后涌现出了大量的多参数、复杂的概念性降雨径流模型,比较著名的有萨克拉门托、水箱等模型。河海大学1973年研制的新安江模型是一个分散参数的概念性降雨径流模型
2、,在我国湿润与半湿润地区广为应用,并取得好的效果。,1 流域水文模型的概念,2、水文模型分类(1)按模型构建的基础分类,1 流域水文模型的概念,思考:上述三类模型的优缺点比较。 物理机制、计算复杂度、应用难易、通用性、预测和外延能力(2)按对流域水文过程描述的离散程度分类,1 流域水文模型的概念,比较各类模型,哪种模型更优?从水文模拟和所需资料角度考虑。3、模型研究与发展 从经验相关到模型研究期 思考: 哪些是经验相关方法?,2 新安江模型概述,1973年,河海大学赵仁俊教授领导的研究组在编制新安江洪水预报方案时,汇集当时在产汇流理论方面的研究成果,并结合大流域洪水预报的特点,设计了国内第一个
3、完整的流域水文模型新安江流域水文模型。水源:由二水源发展为三水源。产流计算:蓄满产流汇流计算:线性水库河道汇流:马斯京根分段连续演算或滞后演算法,2 新安江模型概述,小流域集总模型大流域分块模型 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流计算,可以得到单元流域的出口流量过程。再进行出口一下的河道洪水演算,并得流域的流量过程。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。 划分单元的目的:处理降雨分布的不均匀性 因此,单元流域面积要适中,使得在每块面积上降雨比较均匀,并有一定数目的雨量站;其次,尽可能是单元流域与自然流域相一致;若流域中有大中型水库,则水库以上的集水面
4、积即可作为一个单元流域。,2 新安江模型二水源模型结构,2 新安江模型三水源模型结构,2 新安江模型不同水源模型区别,二水源模型由于没有考虑壤中流作用,故在壤中流丰富流域常常得不到好的模拟结果。 三水源模型认为,土壤中水有张力水(田间持水量以下的水)和自由水(田间持水量以上的水)之分。二水源模型只考虑了张力水的调蓄作用,没有考虑自由水的调蓄作用。因此,新三模型中增加了一个自由水蓄水库,把总径流划分成三种水源:地面径流、壤中流、地下径流,代替新二模型中用FC划分水源的办法。,2 新安江模型模型计算,蒸散发计算 蒸散发计算采用三个土层的模型,其参数有上层张力水容量UM,下层张力水容量LM,深层张力
5、水容量DM,流域平均张力水容量WM,蒸散发折算系数KC,深层蒸散发系数C,计算公式为: WM=UM+LM+DM W=WU+WL+WD E=EU+EL+ED EP=KC EM,2 新安江模型蒸散发计算,EU, WU,WUM,EL, WL,WLM,ED, WD,WDM,上土层蒸发量:EU=EP,下土层蒸发量:EL=EP.WL/WLM,深土层蒸发量:ED=C.EP,土壤蒸发量:E=EU+EL+ED (notes:同时刻相加),2 新安江模型蒸散发计算,1)当WU+P=EP, EU=Ep,EL=0,ED=0;,2)当WU+P=C.WLM, EU=WU+P,EL=(EP-EU)*WL/WLM,ED=0;
6、,3)当WU+PEP, C.(EP-EU)=WLC.WLM, EU=WU+P,EL=C*(EP-EU),ED=0;,4)当WU+PEP, WLC.(EP-EU), EU=WU+P,EL=WL,ED=C*(EP-EU)-EL.,2 新安江模型产流计算,根据蓄满产流的概念,参数有流域平均张力水容量WM,张力水蓄水容量曲线的方次B,不透水面积占全流域面积的比值IM。张力水蓄水容量曲线与降雨径流关系见下图。,2 新安江模型产流计算,计算公式为:,2 新安江模型产流计算,当P-E0,则产流,否则不产流,产流量计算方法为: 若P-E+AWMM 则 R=P-E-WM+W+WM 若P-E+AWMM 则,2 新
7、安江模型分水源计算,将水源分为地面径流RS,壤中流RI和地下径流RG。参数有表层土自由水蓄水容量SM,表层土自由水蓄水容量曲线的方次EX,表层土自由水蓄水量对地下水的出流系数KG及对壤中流的出流系数KI。按蓄满产流模型计算出的产流量R,先进入自由水蓄水库,再划分水源。自由水蓄水库结构见下图。,2 新安江模型分水源计算,R+SSM:,R+S=SM:,2 新安江模型分水源计算,Sm,2 新安江模型分水源计算,MS=SM(1+EX),RG=KGSFRRI=KISFR若S+P-ESM 则若S+P-ESM 则 RS=(S+P-E-SM)FR,2 新安江模型汇流计算,(1)地面径流的坡地汇流 地面径流的坡
8、地汇流时间不计,直接进入河网,计算公式为: QS(I)=RS(I)U (2) 壤中流汇流 表层自由水以KI侧向出流后成为表层壤中流,进入河网。但如土层较厚,表层自由水尚可渗入深层土,经过深层土的调蓄作用,才进入河网。深层自由水用线性水库模拟,其消退系数为CI,计算公式为: QI(I)=CIQI(I-1)+(1-CI)RI(I)U,2 新安江模型汇流计算,(3) 地下径流汇流 地下径流汇流用线性水库模拟,其消退系数为CG,出流进入河网。表层自由水以KG向下出流后,再向地下水库汇流的时间不另计,包括在CG之内,计算公式为: QG(I)=CGQG(I-1)+(1-CG)RG(I)U(4) 单元面积河
9、网汇流 单元面积的河网汇流用滞后演算法,参数有滞后量L与消退系数CS,计算公式为: Q(I)=CSQ(I-1)+(1-CS)QT(I-L) QT(I)=QS(I)+QI(I)+QG(I),2 新安江模型汇流计算,(5) 单元面积以下的河道汇流 单元面积以下的河道汇流用马斯京根分段演算法,即: 合解上述两式得: Q2=C0I2+C1I1+C2O1,模型参数的物理意义及初值的确定,模型参数的率定,本节主要内容,2 新安江模型模型参数,2 新安江模型模型参数,Um上层张力水容量Lm 下层张力水容量Dm 深层张力水容量 B 张力水蓄水容量曲线方次Im 不透水面积比例K 蒸发能力折算系数C 深层蒸散发系
10、数Sm 表土自由水蓄水容量Ex 表土自由水蓄水容量曲线方次Kg 自由水蓄水水库对地下水的出流系数Ki 自由水蓄水水库对壤中流的出流系数Ci 壤中流的消退系数Cg 地下水库的消退系数Cs 河网蓄水量的消退系数Ke、Xe 马斯京根法单元河段的两个参数,2.1 模型参数的物理意义及初值的确定,前面已述,新安江模型的参数可风分为蒸散发、产流计算、分水源计算和汇流计算,可根据其物理意义来确定初值。 (1)蒸散发能力折算系数KC KC控制着水量平衡,对产流量计算起着重要作用。可根据实测资料来直接推求,如图所示。,因为根据条件W2=W1=Wm,所以 所以有: (2)流域平均张力水缺水量WM WM表示流域的干
11、旱程度,WM=UM+LM+DM 100mm 北方半湿润地区 WM= 170mm 南方地区,2.1 模型参数的物理意义及初值的确定,5mm 缺林地 UM= 20mm 多林地 LM=6090mm,根据实验,在此范围内蒸散发大约与土湿成正比。 DM=WM-UM-LM WM可用实测资料来分析。选择前期特别干旱,本次降雨足够大,大得可使全流域蓄满的洪水进行分析。根据水量平衡:,2.2 模型参数的物理意义及初值的确定,因为前期特别干旱,所以有 ,雨后 全流域蓄满, 所以,(3) 张力水蓄水容量曲线方次B B值决定张力水蓄水条件的不均匀分布,通常与流域面积有关。 0.1 A1000Km2,2.2 模型参数的
12、物理意义及初值的确定,(4) 深层蒸发系数C 此值决定深根植物的覆盖面积,根据现有经验 0.18 南方多林地区 C= 0.09 北方半湿润地区 (5) 不透水面积占全流域面积的比例IM 0.010.02 天然流域 IM= 可以很大 城镇地区,2.2 模型参数的物理意义及初值的确定,(6)表层土自由水容量SM 表土层是腐植土,SM 的作用相当于二水源模型中的稳定下渗率FC。SM受降雨资料时段长均化影响很大,当以日为时段长时 10mm 或更小 土层很薄的山区 SM= 50mm 或更大 土深林茂透水性强 1020mm 一般流域,2.2 模型参数的物理意义及初值的确定,当所采用时段减小时,SM要加大。
13、SM这个参数对地面径流的多少起决定性作用,是一个重要参数。SM大则RS小,RG大;反之SM小则RS大,RG小。 (7)表层自由水蓄水容量曲线指数EX EX决定于表层自由水蓄水条件的不均匀分布。在山坡水文学中,它决定了饱和坡面流产流面积的发展过程。由于缺乏定性分析,所以定量有困难,EX=1.0 1.5。,2.2 模型参数的物理意义及初值的确定,(8) KG,KI KG与KI是表层自由水蓄水库对地下水与壤中流的出流系数,是并联的。KG+KI代表出流的快慢,KG/KI代表地下径流与壤中流之比,对一个特定流域他们都是常数。 0.7 雨止到壤中流止的时间为三天 KG+KI= 0.8 雨止到壤中流止的时间
14、为二天,2.2 模型参数的物理意义及初值的确定,KG的大小决定于基岩与深土的渗透性;KI的大小决定于表土层的渗透性。KG/KI=RG/RI,Q,t,RS,RI,RG,2.2 模型参数的物理意义及初值的确定,(9)深层壤中流消退系数CI 0 无深层壤中流 CI= 0.9 深层壤中流丰富,相当于退水历时十天。 (10)地下水消退系数CG 用无雨期退水流量确定。CG=Q t+t/Qt 由槽蓄方程和退水段水量平衡方程 W=KQ (1) -Qdt=dW (2),2.2 模型参数的物理意义及初值的确定,联解(1)、(2)式得Q t+t=Qt 令CG= 则 CG=Q t+t/Qt (11)河网蓄水消退系数C
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