第四章 新安江流域水文模型
新安江流域水文模型课件
地表径流
地下水
雨水或雪水在地表形成的流动，包括河流 流动和地下水流动。
地下水是存储在地下土壤空隙和岩石裂缝 中的水，它可以通过地下水位变化和泉水 等形式补给地表水。
能量平衡与水量平衡
能量平衡
地球上水的循环过程与能量平衡密切相关。太阳能是推动水 循环的主要能源，它加热地表和大气中的水，形成蒸发和降 水。
当前的研究重点主要是建立能够准确模拟新安江流域水文循环过程的数学模型 ，提高模型的可靠性和精度，同时加强模型参数的率定和验证，提高模型的适 用性和泛化能力。
模型的构建方法
数据采集
通过实地调查和遥感等技术手段，获取新安江流域的水文 、气象、地形、土壤、植被等数据信息。
模型参数率定
通过实测数据对模型参数进行率定，确保模型的准确性和 泛化能力。
模型的参数优化
基于观测数据的参数优化
新安江流域水文模型可以通过比较观测数据和模拟数据进行参数优化。例如，通 过调整蒸发、降雨等参数，使模拟的降雨径流过程更接近实际观测数据。
基于灵敏度分析的参数优化
新安江流域水文模型可以通过灵敏度分析来确定哪些参数对模型结果影响较大， 然后对这些参数进行优化。例如，通过改变土壤湿度、植被覆盖度等参数，观察 模型结果的变化，以确定这些参数对模型结果的影响。
气水文学。
水资源的概念
水资源是指地球上可供人类利用的 水，包括地表水、地下水、土壤水 和大气水。
水循环的意义
水循环是地球上水从海洋到陆地再 回到海洋的循环过程，它对地球气 候、生态系统和人类生活都有重要 影响。
水循环过程
蒸发
降水
海洋和陆地上的水通过太阳辐射能加热后 蒸发到大气中，形成云和降水。
当水蒸气在大气中冷凝后形成云，云中的 水分子聚集在一起形成水滴或冰晶，最终 以雨、雪、雾或冰雹等形式降落到地表。
集总式水文模型-新安江模型介绍
WM
B
IMP
透水面积
不产流面 积(1-FR)
产流面积 FR
产流量R
不透水面积 产流量RIMP
张力水W 上层WU 下层WL 深层WD
SM 自 EX
地面径流Rs
地面径流总 入流
UH
地面径 流出口
流量
由 水
KS
壤中流Rss
KSS 壤中流出口 流量
输出
S
KG
地下径流Rg KKG地下径流流域 出口流量
总出流Q
作出客观的估计和评价，而且要尽可能地对模型结构加以合理性检查和论证，经过 适当调整后付诸应用
模型参数分类
1、具有明确物理意义的参数 可直接量测或用物理试验和物资料反求。
3、具有一定物理意义的经验参数 可以先根据其物理意义确定参数值的大致范围，然后用实测水
模型计算流程
模型各层次结构功能、计算采用的方法和相应参数
层次 功能 方法
参数
第一层次 第二层次 蒸散发计算 产流计算 三层模型 蓄满产流
KC、UM、 WM、B、 LM产、流C12个参数 IM
第三层次
第四层次
水源划分
汇流计算
二水源 三水源 坡面汇流 河道汇流
稳定 下渗率
自由水 蓄水库
单位线
或线性水库 或滞后演算
C0 C1 C2 1
C0
0.5t Kx 0.5t K Kx
C1
0.5t Kx 0.5t K Kx
0.5t K Kx C2 0.5t K Kx
模型应用例证
• 1、流域概况 • 2、产流方式论证 • 3、选用资料 • 4、流域划分 • 5、产汇流计算 • 6、模型参数率定及检验 • 7、模拟结果 • 8、误差分析
新安江模型参数的分析
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。
新安江模型介绍
新安江模型介绍：三水源新安江模型蒸散发计算采用三层模型；产流计算采用蓄满产流模型；用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流三种；流域汇流计算采用线性水库。
模型结构：模型计算：在新安江模型中，流域蒸散发计算没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为三层，用三层蒸散发模型计算蒸散发量。
参数有流域平均张力水容量WM（mm），上层张力水容量UM(mm)，下层张力水容量LM(mm)，深层张力水容量DM(mm)，蒸散发折算系数KC和深层蒸散发扩散系数C。
具体计算为若P+WU>=EP,则EU=EP,EL=0,ED=0;若P+WU<EP,则EU=P+WU;若WL>C*LM,则WL=(EP-EU)WL/LM,ED=0;若WL<C*LM且WL>=C*(EP-EU),则EL=C*(EP-EU),ED=0;若WL<C*LM且WL<C*(EP-EU),则EL=WL,ED=C*(EP-EU)-WL;水源划分中，本小组采用的是三水源划分。
三水源用自由水蓄水库结构解决水源划分问题，自由水蓄水库结构考虑了包气带的垂向调蓄作用，按蓄满产流模型计算出总径流量R，先进入自由水蓄水库调蓄，再划分水源。
模型参数调整：1蒸散发能力折算系数KCKC是影响产流量计算最为重要和敏感的参数，产流计算中KC控制着水量平衡，因此，对水量计算是最重要的。
KC主要反映流域平均高程与蒸发站高程之间差别的影响和蒸发皿蒸散发于陆面蒸散发间差别的影响。
在实际模拟计算中KC值往往变化很大，最后需经模型调试并验证后确定。
2流域平均张力水容量WM流域平均张力水容量WM表示流域干旱程度，分为UM,LM,DM。
根据经验，南方湿润地区WM约为120~150mm，半湿润地区WM约为150~200mm。
3流域蓄水容量—面积分布曲线指数BB值反映划分单元流域张力水蓄水分布的不均匀程度。
新安江模型ppt课件
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（二）稳定下渗率fc的推求
1、求一场洪水的RS、R、RG （1）据上图求RS （2）根据图求R （3）求RG=R-RS （4）fc=RG/T T为净雨时间
2024/3/24
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Q(m3/s)
A E
G
2024/3/24
N
B
本次降雨形成的径流过程
H
C 直接径流
地下径流
B’ C’
F D’
I
D t(h)
d）地面、地下径流的划分（分水源） 产流面积变化，则：
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例6-1:
超蓄产流模型产流量计算示例 WM＝120mm，B＝0.3，FC＝18mm/d
年.月.日
1978.7.17
18 19 20 21 22
23
24
P－E
A
f/F
R
4.22 9.40 -5.98 60.35 54.24
20.27
4、年内干湿差比较：如洪水计算值偏大，调WUM，WLM 和C，如W在久旱后出现负值，加大WM
不改WUM和WLM
5、 比 较 枯 季 地 下 径 流 ： 如 有 系 统 偏 差 ， 调 FC， 快 慢 调 KKG
6、比较小洪水：可以调IMP和B，湿润区不敏感
7、比较地面径流过程：降雨中心误差造成汇流偏早偏迟， 调KE，仍有误差，调UH和XE
IMP—不透水面积比重,干旱降小雨，有一个小洪水， 此时径流系数就是IMP，也可以在地图上量出
WM—流域平均蓄水容量（指张力水）, 反映流域干旱 程度，久旱下大雨的资料可以分析，雨前为0，雨后 为WM
WUM— 流 域 平 均 上 层 蓄 水 容 量 ， 2 0 mm， 差 5 － 10mm
新安江流域水文模型
2新安江流域水文模型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，配合必然的汇流计算，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，把他们的体会归纳成一个完整的降雨径流流域模型——新安江模型。
模型可用于湿润地域和半湿润地域的湿润季节径流模拟和计算。
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。
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，模型能够模拟地面径流、壤中流、地下径流。
1984至1986年，又提出了四水源新安江模型，能够模拟地面径流、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样应用成效较好，但模拟地下水丰硕地域的日径流进程精度不够理想。
在新安江三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，新安江模型采纳集总模型，当面积较大时，采纳分块模型。
分块模型把流域分成许多块单元流域，对每一个单元流域做产、汇计算，取得单元流域的出口流量进程。
再进行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量进程。
把每一个单元流域的出流进程相加，就求得了流域出口的总出流进程。
划分单元流域的要紧目的是处置降雨散布的不均匀性，因此单元流域应当大小适当，使得每块面积上的降雨散布比较均匀。
并有一定数量的雨量站。
第二尽可能使单元流域与自然流域相一致，以便于分析与处置问题，并便于利用已有的小流域水文资料。
若是流域内有大中型水库，那么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、流计算方式大体相同，以下只讨论一个单元流域的情形。
新安江模型包括4个计算环节：蒸散发计算；流域产流计算；径流划分；汇流计算。
4个计算环节别离概化了流域降雨径流的要紧产、汇流物理进程。
流域蒸散发计算各类水源的蒸散发计算模型都可采纳两层蒸发模型或两层蒸发模型，一样依如实际情形选用。
6-新安江模型
G
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N
B
本次降雨形成的径流过程
H
C 直接径流
地下径流
B’ C’
F D’
I
D t(h)
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2、用试算法求fc
RSi
Ri
fi F
f c t i
RS
n 1
RSi
n 1
Ri
n 1
fi F
f c t i
又fi R F PE
得:
n
Ri RS
WWM：流域蓄水容量 WWMM:流域最大蓄水容量 WM：流域平均蓄水容量
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利用流域蓄水容量曲线计算产流量（右图）：
W：流域原有蓄水量，相应纵标A
W分布：(f/F)A左边蓄满，右边未蓄满， 假定按水平分布。
以此时段为基础：
降雨P，蒸散发E，径流量R，损失量L 满足如下水量平衡关系（超蓄产流方程）：
End If
w(1) = w(1) + p(i) - r - e(1)
w(2) = w(2) - e(2)
w(3) = w(3) - e(3)
If w(1) > wm(1) Then
(6 - 5)
A
f
A
WWM
W 0
(1
)dWWM F
0
(1
)dWWM
WWMM
A
WWMM 1-
(1 -
W WM
1
) 1 B
(6 - 6)
c）流域产流计算 P－E>0时，产流，否则不产流 ，产流时：
P E A WWMM时: R P E (WM W) P E A WWMM时:
新安江模型报告.PPT
KKSS表征壤中流水库的调蓄作用。它使本时段的出流有所折扣，又 使上一时段的存蓄对本时段有所补充。
TRG(t)=TRG(t-1)*KKG+RG(t)*(1-KKG)*U TR(t)=TRS(t)+TRSS(t)+TRG(t)
21
L新O安G江O模型
RunModle 运行新安江模型
▪ 水源划分——三水源划分的算法实现 三、0<PE+AU<SMMF
RS={PE-SMF+S+SMF*pow[1-(PE+AU)/SMMF， EX+1]}*FR;（引入曲线方次）
RSS=(PE+S-RS/FR)*KSS*FR（此时并不是全部蓄 满，收入为PE+S，支出为溢流部分，二者相减方能得 到当前自由水蓄水量）
RG=(PE+S-RS/FR)KG*FR S=S+PE-(RS+RSS+RG)/FR（仍为自由水蓄水量壤中流和地下径流，只不过蓄水量不是满的）
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L新O安G江O模型
RunModle 运行新安江模型
▪ 土壤含水量的更新计算
?为<：上层蓄水 能力已足够
全部在上层存蓄
上层土壤含水+ 蒸散发剩余-产流
_?_ 上层蓄水能力
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L新O安G江O模型
RunModle 运行新安江模型
▪ 产流计算——蓄水容量曲线
最大点蓄水容量
由于产流计算要根据蓄满产
流原理，故必须了解蓄水容
量。但流域内各点的蓄水容
量并不相等，故概化为如图
的曲线。
如果连最大点蓄水容量都已不 能继续存蓄，则全流域产流； 反之，则并非全流域产流，就 需要引入抛物线指数B来概化 考虑了。
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与流域初始平均蓄水量W0 相应的纵坐标A(
)为 A
Wmm[1
(1
W0 WM
1
) B1 ]
当 PE P E 0 时，则产流；否则不产流。产流时，
当 PE
A Wmm ，则 R
PE
WM
W0
WM (1
PE A)1B Wmm
当 PE A Wmm ，则 R PE (WM W0 )
由于产流面积FR上自由水的蓄水容量还不能认为是均匀分 布的，即SM为常数不太合适，要考虑SM的面积分布。这 实际上就是饱和坡面流的产流面积不断变化的问题。
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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的结构
河海大学水资源环境学院黄国如
水源划分
模仿张力水分布不均匀的处理方式，把自由水蓄
水能力在产流面积上的分布也用一条抛物线来表
新安江模型按泰森多边形法分块，以一个雨量站为中 心划一块。这种分法便于考虑降雨分布不均，不考虑 其它的分布不均。
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第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
新安江模型的流程图见图。图中输入为实测降雨P 和实测蒸散发能力EM，输出为流域出口断面流量Q 和流域蒸散发量E。方框内是状态变量，方框外是常 数常量。模型主要由四部分组成，即蒸散发计算、产 流量计算、水源划分和汇流计算。－Fra bibliotek002.12－
第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的结构
河海大学水资源环境学院黄国如
产流量计算 产流量计算系根据蓄满产流理论得出的。所谓蓄满 ，是指包气带的含水量达到田间持水量。在土壤湿度 未达到田间持水量时不产流，所有降雨都被土壤吸收 ，成为张力水。而当土壤湿度达到田间持水量后，所 有降雨(减去同期蒸发)都产流。作产流计算时，模型 的输入为PE，参数包括流域平均蓄水容量WM和抛物 线指数B；输出为流域产流量R及流域时段末土壤平 均蓄水量W。
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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的基本原理
河海大学水资源环境学院黄国如
概念性模型的结构应该反映客观水文规律，参数应该代表流域的水 文特征，把模型设计成为分散性的，主要是为了考虑降雨分布不均 的影响，其次也便于考虑下垫面条件的不同及其变化。降雨分布不 均，不但对汇流产生明显的影响，而且对产流也产生明显的影响。 如果采用集总性模型，应用面平均雨量来进行计算，误差可能很大 ，而且是系统性的。
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
新安江模型的结构
产流量计算
一般说来，流域内各点的蓄水容量并不相同，新安
江三水源模型把流域内各点的蓄水容量概化成一条抛
物线，即
f 1 (1 Wm )B
F
Wmm
式中：Wmm 为流域内最大的点蓄水容量；Wm 为流域内某一点 的蓄水容量；f 为蓄水容量 Wm 值时的流域面积；F 为流域 面积；B 为抛物线指数。
若WL C WLM ，则
EL (EP EU ) WL WLM
，ED 0
若WL C WLM 且WL C (EP EU) ，则
EL C (EP EU) ，ED 0 若WL C WLM 且WL C (EP EU) ，则
EL WL ，ED C (EP EU) WL
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第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
新安江模型的结构
蒸散发计算 新安江三水源模型中的蒸散发计算采用的是三层蒸发计算 模式，输入的是蒸发器实测水面蒸发和流域蒸散发能力的 折算系数K，模型的参数是上、下、深三层的蓄水容量WUM 、WLM、WDM(WM=WUM+WLM+WDM )和深层蒸散发系数K。输出 的 是 上 、 下 、 深 各 层 的 流 域 蒸 散 发 量 EU、EL 和 ED(E=EU+EL+ED )。计算中包括三个时变参量，即各层土壤 含水量WU、WL和WD(W=WU+WL+WD)。以上的WM、E、W分别表 示总的流域蓄水容量、蒸散发量、土壤含水量
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第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
世界上第一个流域水文模型－Stanford模型出现在20世纪60年代， 目前全世界已提出数以百计的流域水文模型。主要包括由美国天气 局V. T. Sitten提出的API模型、N. H. Crawford和R. K. Linsley提出的 斯坦福模型以及R. J. C. Bernash等提出的萨克拉门托模型，日本国 立防灾科学研究中心菅原正已教授提出的水箱模型，丹麦技术大学 提出的NAM模型，以及原华东水利学院赵人俊教授提出的新安江 模型。这些概念性水文模型对流域的降雨径流过程进行了较为细致 的模拟。由于这些模型具有较好的结构形式和良好的模拟预报精度 ，因此在洪水实时预报中得到广泛地应用。本文主要介绍国内应用 最为广泛的新安江三水源模型。
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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的结构
河海大学水资源环境学院黄国如
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
当 P E WU EP 时，
蒸散发计算
EU EP ，EL 0 ，ED 0
当 P E WU EP 时，
EU P E WU
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第四章 新安江流域水文模型
水源划分
新安江模型的结构
河海大学水资源环境学院黄国如
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
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新安江模型的结构
水源划分
底孔出流量RG和边孔出流量RSS分别进入各自的水库 ，并按线性水库的退水规律流出，分别成为地下水总入 流TRG和壤中流总入流TRSS。并认为地面径流的坡地汇 流时间可以忽略不计。所以地面径流可认为与地面径流 的总入流相同。
流域水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统 模型。在水文预报中，概念性模型和系统模型应用 较多，此处主要介绍概念性流域水文模型。
概念性流域水文模型属于数学模型，它与物理模型相比，具有许多 优点：一是它的所有条件均可由原型观测资料直接给出，不受比尺 的限制，即数学模型无相似律问题；二是它的边界条件及其它条件 可严格控制，也可随时按实际需要改变；三是它的通用型较强，只 要研制出一种适用的应用软件，就可用来解决不同的实际问题；四 是它具有理想的抗干扰性能，只要条件不变，重复模拟可以得到相 同的结果，不会因人、因地而异；五是它的研制费用相对较低。因 此，流域水文模型的研制和应用受到水文学家和水文工作者的普普 遍重视。
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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的结构
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水源划分
三水源新安江模型用自由水蓄水库结构以解决水源划分问 题。按蓄满产流模型求出的产流量R，先进入自由水蓄量， 再划分水源。此水库有两个出口，一个底孔形成地下径流 RG，一个边孔形成壤中流RSS，其出流规律均按线性水库 出流。由于新安江模型考虑了产流面积FR问题，所以这个 自由水蓄水库只发生在产流面积上，其底宽FR是变化的， 产流量R进入水库即在产流面积FR上，使得自由水蓄水库 增加蓄水深，当自由水蓄水深S超过其最大值SM时，超过 部分成为地面径流RS。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。
河海大学水资源环境学院黄国如
新安江模型的结构－水源划分
流域自由水蓄水容量曲线
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第四章 新安江流域水文模型
新安江模型的结构
河海大学水资源环境学院黄国如
水源划分
产流面积上的平均蓄水容量深(SFM)为
SMF SMMF 1 EX
S 在自由水蓄水容量曲线上S 相应的纵坐标U为
AU SMMF[1 (1
第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
第四章 新安江流域水文模型
1 概述 2 新安江模型的基本原理 3 新安江模型的结构
蒸散发计算 产流量计算 水源划分 汇流计算
4 新安江模型的参数
模型参数的物理意义 模型参数的率定
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
新安江模型的结构－产流量计算
流域蓄水容量曲线
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
新安江模型的结构－产流量计算
据此可求得流域平均蓄水容量为
WM
Wm m 0
(1
f F
)dWm
Wmm B 1
示
FS 1 (1 SMF )EX
FR
SMMF
式中：SMF 为产流面积 FR 上某一点的自由水容量；SMMF 为产流面积 FR 上最大一点的自由水蓄水容量； FS 为自由水蓄水能力 SMF 值的 流域面积； FR 为产流面积；EX 为流域自由水蓄水容量曲线的指数。
－2002.12－
第四章 新安江流域水文模型
S
1
)1EX ]
SMF)
S为流域自由水蓄水容量曲线上的自由水在产流面积 上的平均蓄水深；AU 为S 对应的纵坐标。
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第四章 新安江流域水文模型
河海大学水资源环境学院黄国如
水源划分
新安江模型的结构
显然，SMMF和SMF都是产流面积FR的函数，而产流面积是变量 ，故此无法确定。这里假定SMMF与产流面积FR及全流域上最 大一点的自由水蓄水容量SMM的关系仍为抛物线分布
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