新安江模型研究(完整资料).doc

新安江模型
新安江模型的流程图
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、产流计算、水源划分和汇流计算。

变量符号说明：
P，实测降雨（已知）
E，流域蒸散发量（第一步计算已知）
PE，降雨减去蒸发量（产流计算的输入）
R，流域产流量（产流计算的输出）
W，流域时段末土壤平均蓄水量，产流计算的输出
KC，蒸发折算系数
C，深层蒸散发折算系数
WM，流域总蓄水容量
B，抛物线指数
1蒸发量计算
各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层蒸发与蒸散发能力及下层含水量成正比，与下层蓄水容量成反比。

要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于深层蒸散发系数C。

否则，不足部分由下层含水量补给，当下层水量不够补给时，用深层含水量补。

输入：
（1）KC ，蒸发折算系数
（2）上、下、深三层的蓄水容量WUM 、WLM 和WDM
（WM=WUM+WLM+WDM ）
（3）C ，深层蒸散发折算系数
输出：
（1）上、下、深各层的流域蒸散发量EU 、EL 和ED （E=EU+EL+ED ） -- 时段值
（2）上、下、深三层的含水量WU 、WL 和WD （W=WU+WL+WD ） -- 时段值
注：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。

计算公式：
EP=K×E 0（E 0，实测水面蒸发量，划分为时段值），WU 0日模拟合而来。

一阶段：当 P+WU ≧EP 时，EU=EP 、EL=0、ED=0，此时WU(t+1)=P(t)+WU(t)-EU(t) 二阶段：当 P+WU<EP 时， EU=P+WU
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
三阶段：若WL<C×WLM 且 WL<C×(EP -EU) 则
EL=WL ，ED=C×(EP -EU)-WL
E = EU + EL + ED
PE = P - E
注：一阶段上层够蒸；二阶段上层不够下层够蒸；三阶段上下层都不够蒸。

2产流计算
土壤蓄满之前不产流，当土壤湿度饱和时，所有降雨（减去同期蒸发量）都产流。

输入：
PE ，去除蒸发量后的降雨；
f/F ，f 为流域内包气带蓄水容量小于或等于WM’的面积，F 为全流域面积；
W’mm ，流域最大的点蓄水容量；
W’M ，流域内某一点的蓄水容量；
B ，反映流域包气带蓄水容量分布的不均匀性，常数，越小越均匀；B=0是均匀不变 W 0，流域初始土壤含水量
输出：
R ，降雨产生的径流
计算公式：
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
B mm
m W W F f )1(1''--= W’mm 即流域最大的点蓄水容量；W’M 为流域内某一点的蓄水容量；f 为蓄水容量≤W’M 值时的流域面积；F 为流域面积；B 为抛物线指数。

根据上面公式可求得流域平均蓄水容量为 ⎰'+'='-=mm
W mm m B W W F f WM 01
d )1( 与流域初始平均蓄水量0W 相应的纵坐标(A )为])1(1[110+--'=B mm WM
W W A 当0>-=E P PE 时，则产流；否则不产流。

产流时，
当mm
W A PE '<+，则B mm
W A PE WM W WM PE R +'+-++-=10)1( 当mm
W A PE '≥+，则)(0W WM PE R --= 3水源划分
产流量R 进入自由水水库内，分为地面径流RS ，壤中流RSS 和地下径流RG 。

输入：
R ，时段产流量；（产流计算而来）
PE ，去除蒸发量后的降雨；（蒸发量计算而来）
FR0，上一时段的产流面积；
S0，产流面积上的平均自由水深；
SM ，流域的平均自由水容量；
EX ，流域自由水蓄水容量曲线的指数；
KSS ，自由水蓄水容量对壤中流的出流系统；
KG ，自由水蓄水容量对地下水的出流系统。

中间过程变量：
SMMF ，产流面积FR 上最大一点的自由水蓄水容量；
输出：
RS ，时段地面径流；
RSS ，时段壤中流；
RG ，时段地下径流；
S ，产流面积上的平均自由水深。

计算公式：
PE R FR /=
FR FR S t S /00)(⋅=
)1(EX SM SMM +⋅=
])1(1[/1EX FR SMM SMMF --⋅=
)1/(EX SMMF SMF +=
])1(1[11
EX SMF
S SMMF AU +--=
当SMMF AU PE ≥+时，则
))1((SMF t S PE FR RS --+=；FR KSS SMF RSS ⋅⋅=
FR KG SMF RG ⋅⋅=； FR RG RSS SMF t S /)()(+-=
当SSMF AU PE <+<0时，则 ])1()1([1++-
+-+-⋅=EX SMMF AU PE SMF t S SMF PE FR RS )/)1((FR RS t S PE FR KSS RSS --+⋅=
)/)1((FR RS t S PE FR KG RG --+⋅=；
FR RG RSS RS PE t S t S /)()1()(++-+-=
4汇流计算
汇流分为三个阶段进行：坡地汇流阶段、河网汇流阶段和河道汇流。

经过水源划分得到地面径流直接进入河网，成为地面径流对河网的总入流（QS ），壤中流和地下径流分别有消退系数CI 、CG ，分别形成壤中流、地下水对河网的总入流QI 、QG 。

时段河网总入流就是三者时段值之和。

河网汇流计算采用滞后演算法。

输入：
RS ，时段地面径流；
RSS ，时段壤中流（RI ）
U ，单位转换系数，可将径流深转换成流量（F 为流域面积）t F U ∆=
6.3
CI ，深层水消退系数；
CG ，地下径流消退系数；
CS ，河网水流消退系数；
L ，滞后时间。

输出：
Q ，河网汇流结果，流量过程。

计算公式：
（1）地面径流的坡地汇流时间不计，直接进入河网： U t RS t QS ⋅=)()(
（2）表层自由水以KI 侧向出流后成为壤中流，进入河网，但如果土层较厚，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
U t RSS CI t QI CI t QI ⨯⨯-+-⨯=)()1()1()(
（3）地下径流的坡地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
U t RG CG t QG CG t QG ⨯⨯-+-⨯=)()1()1()(
（4）单元面积的河网汇流是指水流有坡面进入河槽后，继续沿河网的汇集过程。

在河网汇流阶段，汇流特性受制于河槽水力学条件，各种水源是一致的。

河网汇流采用滞后演算法，其计算公式为
)()()()(t QG t QI t QS t QT ++=
)()1()1()(L t QT CS t Q CS t Q -⨯-+-⨯=。