1、流域水文模拟结课报告新安江模型的原理、结构及应用、发展历程The principle, structure, application and development process of Xin anjiang Model作 者 姓 名： 孔 旭学科、 专业： 水文学及水资源学 号： 21506149指 导 教 师： 王国利完 成 日 期： 2016 年 8 月 30 日大连理工大学Dalian University of Technology流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告- I -摘 要新安江模型是河海大学提出的一个概念性降雨径流模型，具有原创性，是我国为数不多的被国际上广泛认可的水
2、文模型。新安江水文模型在我国湿润与半湿润地区广为应用，取得了良好的效果。经过近 50 年的发展，新安江模型已经从最初的专门从事水库入库洪水预报的单一功能模型发展为适合用于水文预报、水资源管理、水土资源评价、面源污染预测、气候变化和人类活动影响研究的多功能的水文模型；其部分参数已从靠经验率定发展为可以进行物理推求。总之，新安江模型是一个不断发展的模型体系。本文主要由三部分构成。第一部分为新安江模型简介，回顾了新安江模型产生的历史背景和发展历程，介绍了新安江模型的基本原理和结构体系；第二部分讲述了新安江模型参数的物理意义及其率定；第三部分为新安江水文模型在英那河流域防洪规划编制当中的应用。关键词：
3、水文模型；新安江模型；洪水预报流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告- II -The principle, structure, application and development process of Xin anjiang ModelAbstractXin anjiang Model originally proposed by Hehai University is a conceptual rainfall runoff model and is also one of the few widely recognized international hydrological mo
4、del in China. Xin anjiang hydrological model was widely used in our humid and semi-humid areas, and achieved good results.After nearly 50 years study, Xin anjiang model has been developed from the single-function of reservoir flood forecasting into multi-purpose model including hydrological forecast
5、ing, water resources management, water and soil resources evaluation, non-point source pollution prediction, climate change and human activities versatile hydrological model studies. And part of its parameters can be acquired through physical calculation instead of experience. In short, Xin anjiang
6、model is an evolving model system.This paper consists of three parts. The first part is about the brief introduction of Xin anjiang model, which recalls the historical background and the development, as well as introduces the basic principles and architecture; the second part describes the physical
7、meaning of Xin anjiang model parameters and calibration; the third part is about the application of Xin anjiang model in Ying Na River Basin flood control planning.Key Words: hydrological model; Xin anjiang model; Flood forecasting流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告- III -目 录摘 要 IAbstract II引 言 11 新安江模型简介 .21.1 新安江
8、模型起源 .21.2 新安江模型发展历程 .31.3 新安江模型基本原理 .41.4 新安江模型结构 .61.4.1 蒸散发计算 .61.4.2 产流量计算 .81.4.3 水源划分 .91.4.4 汇流计算 122 新安江模型的参数 142.1 模型参数物理意义 142.1.1 蒸散发参数（ K、 WUM、 L、 C） .142.1.2 产流量参数（ 、 B、 IP） 142.1.3 水源划分参数（ S、 EX、 S、 KG） .142.1.4 汇流参数（ 、 、 、 ） .152.2 模型参数率定 152.2.1 日模型 .152.2.2 次模型 .163 新安江模型的应用 173.1 流
9、域概况 173.2 流域洪水预报方案编制 183.2.1 模型参数优选 183.2.2 产流模拟计算 193.2.3 汇流模拟计算 19结 论 .22参 考 文 献 23流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告1引 言2015 年是新安江流域水文模型走向世界 35 周年纪念。新安江模型的研制成功并被广泛使用，是中国在 20 世纪对世界水文科学做出的重要贡献之一 1。现在，新安江模型不仅在国内广泛使用，成为中国最具影响力的流域水文模型，而且受到世界气象组织的推荐，纳入其水文业务综合系统（HOMS）的分件，向世界各国介绍，美国国家天气局也在采用，爱尔兰国立大学 Galway 学院还将其作为研究生教材
10、内容 2。我国是历史悠久的文明古国，幅员辽阔，山丘遍布，河流众多，降雨地区差异很大，在年内和年际的变化也很大，再加上暴雨强度大，洪涝及干旱灾害频繁发生。我国人口众多，而且大多分布在各大流域的中下游。这些地区的地面高程多在江河洪水位以下，主要靠堤防保护安全，而这些堤防的防洪标准并不高，加之我国的一些河流的上中游地区水土流失严重，河水含沙量高，造成下游河床的淤积，更加重了洪涝危害 3。国内外的实践经验告诉我们，减免洪水灾害损失有两类措施：一类是工程性措施，即通过修建水库、闸坝、堤防、分蓄洪区等手段来减少洪水灾害损失；另一类是非工程性措施，即通过改变灾害的影响来达到减少灾害损失的目的，洪水预报工作就
11、是最主要的非工程性措施之一 4。洪水预报技术从经验性阶段走向近代科学阶段开始在 20世纪 30 年代，经验方法虽然操作简单，但缺少数理根据，逻辑不够准确，随着计算机技术的发展及系统理论在洪水预报中的应用，洪水预报技术开始得到了迅速发展，便随之产生了流域降雨径流模型的概念 5。英那河地处北方半湿润地区，具有大陆性季风型气候特点。英那河降水的一个显著特点是在时空上分布极不均匀，主要集中在夏季，68 月降水占全年降水量的6575。由于降水分布不均，该地区洪涝及干旱灾害很严重。因此研究该地区的洪水预报对该地区的防汛抗旱工作、水资源的合理利用与保护、水利工程建设与管理及工农业生产与人民生活等方面有着重要
12、的意义，同时对半湿润地区的洪水预报工作也有着积极的指导作用。流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告21 新安江模型简介20 世纪 60 年代，在美国斯坦福大学诞生了世界上第一个真正意义上的流域水文模型Stanford 模型，实现了计算机科学与经典水文学的结合 6。之后流域水文模型进入一个蓬勃发展的时期，发展至今，全世界已有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
13、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 7。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。20 世纪 70 年代初，因中国自主设计、自主施工、自主管理的第一座大型水力发电站新安江水电站开展洪水预报调度、保障防洪安全、提高发电效率之急需，以赵人俊为首的水文学家和工程师，在上述研究成果基础上，整合成体现“流域分单元、蒸散发分层次、产流分水源、汇流分阶段”的产流和汇流计算方法，并通过程序设计在计算机上得到实现，获得了令人满意的精度及防洪发电调度效果
14、，成为当时国内水利科学领域一项具有重大影响的科学研究成果。至 20 世纪 70 年代，虽然在国外流域水文模型的应用已经比较普遍，但在中国由于“文化大革命”的原因，流域水文模型却鲜为人知。中国改革开放伊始，水文学术界面临两大重要任务：一是为即将在英国牛津召开的国际水文预报学术讨论会撰写论文；二是为世界气象组织以及联合国教科文组织即将在河海大学举办的国际洪水预报讲习班编写教材。这两大任务为中国水文学术走向世界无疑提供了重要机会。为了与国际接轨，很有必要将中国所取得的上述水文学术成就整合成一个流域水文模型而推向世界。通过对当时国际上给流域水文模型命名的情况分析，发现流域水文模型的命名无非是下列四种方
15、式之一：一是以发明人命名模型，如 Nash 模型、Dooge 模型等；二是以发明者所在的工作单位命名模型，如 Stanford 模型、HEC 模型等；三是以首先应用的流域或河流命名模型，如 Sacramento 模型等；四是以模型结构特征命名模型，如水箱（Tank）模型等。因此，当时赵人俊教授毅然选择上述第三种命名方式将模型命名为“新安江流域水文模型”（下称“新安江模型”），并通过 1980 年在牛津召开的国际水文预报学术讨论会推向世界。最初的新安江模型为两水源地表径流、地下径流；到 80 年代初期，模型制作者将萨克拉门托模型与水箱模型中的用线性水库函数划分水源的概念引入新安江模型，流 域 水
16、 文 模 拟 结 课 报 告3提出了新安江三水源模型地面径流、壤中流、地下径流；在 19841986 年，又提出了新安江四水源模型地面径流、壤中流、快速地下径流和慢速地下径流。新安江模型愈来愈复杂，是为了提高模拟精度和提高参数的稳定性 8。在壤中流较多的流域，把地表径流分成地面径流和壤中流两种水源分别进行模拟，将使汇流的非线性有所改善。应用新安江三水源模型模拟地下水丰富地区的日径流过程精度不够理想、月径流合格率较低，根据地下水丰富地区慢速地下水比重较大的特点，乃在新安江三水源模型中增加了慢速地下水结构，成为新安江四水源模型。在随后的实际应用中，新安江模型在理论和结构等方面得以完善和发展，并在
17、20 世纪 80 年代趋于成熟，形成了一个比较完整的、适合我国湿润和半湿润地区应用的降雨径流模型。在传统模型应用中，由于缺乏对物理量空间分布的定量描述和模型中间物理变量的验证，所有参数基本上都要由流域出口断面的径流过程来率定。这种定量研究的不足，影响了人们对流域产汇流基本规律的认识，也阻碍了对新安江模型理论的进一步深入研究。此外，模型在实际应用中，参数依赖率定，这制约了模型的推广使用，尤其是在广大的无资料地区。20 年来，随着地理信息的丰富和易于获取，新安江模型的发展有三个特点 9：（1）架构形式趋于多样性。这里模型的架构主要指模型计算单元的划分。为了适应高分辨率 GIS 和 RS 数据输入的
18、需要，许多学者将新安江模型应用于栅格之上，栅格的尺度则从 50m*50m，1km*1km 至 50km*50km 不等。近年来，栅格型水文模型是最为常见的分布式模型架构形式，许多概念性模型都有栅格化的趋势，如 HBV。考虑到新安江模型特殊的建模理念，即采用统计曲线的方式描述水文变量的空间变异。讨论不同网格尺度上，张力水蓄水容量曲线空间分布的规律，发现网格间的变异随网格尺度变小而增大，网格内部变异则随网格尺度变大而变大，不能忽视较小的网格尺度上的空间变异，对于所选流域，200m 的网格被认为是应用新安江模型蓄水容量曲线的合理尺度。（2）产汇流模型物理化明显。得益于快速发展的地形处理能力，网格水流
19、方向及水系可以方便的定义，这为建立有物理基础的流域产汇流模型提供了技术保障。例如，井立阳等提出了由流域下垫面地理特征值定量推求模型参数的方法，从而解决了新安江模型在无资料区应用的限制。郭方等认为新安江模型的流域蓄水容量曲线与Topmodel， 地形指数 ln(a/tan)累积频率分布曲线都反映了流域土壤饱和缺水量的分布情况，实质具有相同的物理意义，并建议采用地形指数分布曲线推求新安江模型蓄水容量曲线的参数 B 值，从而避免了对参数 B 的率定。随后，熊立华等、石朋等分别给出了通过地形指数计算流域单点蓄水容量的方法。Chen 等则将此方法成功应用于新流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告4安江模
20、型，并用于实际流域月径流模拟。在河道汇流方面，如采用圣维南方程组进行河道汇流演算；在坡面汇流方面，如采用 Muskingum Cunge 算法，或者采用基于栅格单元系统的运动波方程描述。（3）应用的范围得到延伸。近年来，通过扩展蒸散发、产污等模块，新安江模型被应用于生态环境领域。如 Li 等基于 MODIS-LAI 数据，通过在新安江模型中增加Penman-Monteith 公式，预测了植被影响下的径流响应；Yuan 等则将双源蒸散发模型与新安江模型耦合，用于评价植被对水文过程的影响；Su 等通过增加土壤侵蚀模块，将新安江模型用于预测降雨侵蚀的研究中；Zhao 等把新安江模型应用于土地利用评价
21、。其他的应用领域，比如与区域陆面模式耦合，用于大尺度的气候变化和人类活动影响研究等，如苏凤阁等应用新安江模型蓄水容量曲线概念改进了 AVIM 陆面过程模式对产流描述的不足。陆桂华等则建立了中尺度大气模式 MC2 和新安江模型单向耦合模型系统，用于提高洪水预报预见期。2 新安江模型基本原理2.1 新安江模型原理原华东水利学院（现为河海大学）的赵人俊教授于 1963 年初次提出湿润地区以蓄满产流为主的观点，主要根据是次洪的降雨径流关系与雨强无关，而只有用蓄满产流概念才能解释这一现象。上个世纪 70 年代国外对产流问题展开了理论研究，最有代表性的著作是 1978 年出版的山坡水文学，它的结论与赵人俊
22、先生的观点基本一致：传统的超渗产流概念只适用于干旱地区，而在湿润地区，地面径流的机制是饱和坡面流，壤中流的作用很明显 10。20 世纪 70 年代初建立的新安江模型采用蓄满概念是正确的。但对于湿润地区，由于没有划出壤中流，导致汇流的非线性程度偏高，效果不好。80 年代初引进吸收了山坡水文学的概念，提出三水源的新安江模型 11。新安江三水源模型流程图见下图 2.1。流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告5图 2.1 新安江三水源模型Fig.2.1 Xin anjiang model with three runoff components新安江水文模型按照三层蒸散发模式计算流域蒸散发，按蓄满产流
23、概念计算降雨产生的总径流量，采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。在径流成分划分方面，对三水源情况，按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。在汇流计算方面，单元面积的地面径流汇流一般采用单位线法，壤中水径流和地下水径流的汇流则采用线性水库法。河网汇流一般采用分段连续演算的 Muskingum 法或滞时演算法，但它一般不作为新安江模型的主体。模型中主要参数如下表 2.1 所示。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
24、次也便于考虑下垫面条件的不同及其变化 12。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。新安江水文模型是分散性模型，可用于湿润地区与半湿润地区的湿润季节 13。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。它把全流域分为许多块单元流域，对每个单元流域作产汇流计算，得出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，就求得了流域的总出流过程。流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告6表 2.1 新安江（三水源）模型参
25、数的定义Tab.2.1 Parameters of the physical meaning on Xin anjiang model with three runoff components参数 含义K 蒸发能力折算系数WM 流域蓄水容量UM 上层蓄水容量LM 下层蓄水容量C 深层蒸散发系数IMP 不透水面积占全流域面积之比B 蓄水容量曲线指数SM 流域自由水蓄水容量EX 自由水蓄水容量曲线指数KI 壤中水径流出流系数KG 地下水径流出流系数CS 地面径流消退系数CI 壤中水径流消退系数CG 地下水径流消退系数N 子河段数KE 子河段洪水波传播时间XE 子河段流量比重因子新安江模型按泰森多边
26、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。新安江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。径流划分为直接径流和地下径流，产流计算用蓄满产流方法，流域蒸发采用二层或三层蒸发，水源分用的是稳定下渗法，直接径流坡面汇流用单位线法，地下径流坡面汇流用线性水库。输入为实测降雨和实测蒸散发能力，输出为流域出口断面流量和流域蒸散发量。2.2 新安江模型结构本文讲述的新安江模型为三水源模型，针对二水源、四水源模型，不作进一步比较与描述。2.2.1 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
27、和流域蒸散发能力的折算系数 ，模型的参数是上、下、深三层的蓄水K流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告7容量 、 、 和深层蒸散发系数 。输出WUMLD)(WDMLUWM C的是上、下、深各层的流域蒸散发量 、 和 。计算中包E)(EDLU括三个时变参量，即各层土壤含水量 、 和 。以上的、 、 分别表示总的流域蓄水容量、蒸散发量、土壤含水量。各层蒸散发的计E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 。否则，不足部分由下层含水量
28、补给,当下层水量不够补给时，用深层含水量补。图1.2 蒸散发计算程序框图Fig.1.2 The block diagram of Evaporation calculation三层蒸散发的计算程序框图见图 1.2。其中 。所用公式如下：EP当 EPWUP时， ， 0L， D (1-1)当 时， WUE(1-2)若 LMC，则流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告8WLMEUPL)(， 0ED (1-3)若 WMCL且 C，则)(， (1-4)若 且 L，则E， LEUPD)( (1-5)以上各式中， 。KP2.2.2 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
29、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。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如图 1.3 所示的一条抛物线，即（1-6）BmWFf)1(式中： mW为流域内最大的点蓄水容量； 为流域内某一点的蓄水容量； f为蓄水容量 值时的流域面积； 为流域面积； 为抛物线指数。据此可求得流域平均蓄水容量为： mWmBFfM01d)1( （1-7）与流域初始平均蓄水量 相应的纵坐标(A)为：)(10mA （1-8 ）当 0EP时，则产流；否则不产流。产流时，
30、当 W，则 BmWAPEMR10)(（1-9）当 mAPE，则流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告9)(0WMPER （1-10）1.3 流域蓄水容量曲线图Fig.1.3 Basin storage capacity curve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 。2.2.3 水源划分三水源新安江模型用自由水蓄水库的结构代替原先 FC的结构，以解决水源划分问题。按蓄满产流模型求出的产流量 。先进入自由水蓄量 S，再划分水源，如图 1.4 所示。1.4 自由水蓄水库的结构Fig.1.4 The stru
31、cture of the free water reservoir流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告10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 RS，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 F问题，所以这个自由水蓄水库只发生在产流面积上，其底宽 F是变化的，产流量 进入水库即在产流面积上，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。图 1.4 中： 为自由水蓄水库的蓄水深； 为自由水蓄水库的蓄水容量； FR为产流面积。底孔出流量 G和
32、边孔出流量 R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 T和壤中流总入流 TRS。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 S可认为与地面径流的总入流 TS相同。由于产流面积 FR上自由水的蓄水容量还不能够认为是均匀分布的，即 M为常数是不太合适的，需要考虑 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。1.5 流域自由水蓄水容量曲线Fig.1.5 The free water storage capacity curve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示，见图 1.5。即EXSMF
33、FR)1( (1-11)式中： SM为产流面积 上某一点的自由水容量； SF为产流面积 R上最大一点的自由水蓄水容量； 为自由水蓄水能力 值的流域面积； 为产流面积； EX为流域自由水蓄水容量曲线的指数。流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告11产流面积上的平均蓄水容量深( SMF)为 EX1(1-12)在自由水蓄水容量曲线上 S相应的纵坐标 AU为)(1EXSFAU (1-13)式中： 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 对应的纵坐标。显然， MF和 都是产流面积 R的函数，是无法确定的变量。这里假定与产流面积 R及全流域上最大一点的自由水蓄水容量 SM的关
34、系仍为抛物线分布 EXSMF)1(1-14)则 RSFEX)(1(1-15)S(1-16)流域的平均自由水容量 M和抛物线指数 对于一个流域来说是固定的，属于模型率定的参数。已知 和 EX，就可以得到 F。已知上时段的产流面积 0FR和产流面积上的平均自由水深 0S，根据时段产流量 R，计算时段地面径流、壤中流、地下径流及本时段产流面积 R和 上的平均自由水深S的步骤是： PRF/0)1(EXSM/1EXFR)/(F11EXSSAU当 MPE时，则 )(SMFPFR(1-17)K (1-18)流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告12FRKGSMR (1-19)/)(1-20)当 SFAUPE
35、0时，则 )1( 1 EXSAUPSPE(1-21)/(FRRK(1-22)G (1-23)GSS/ (1-24)式中： KS和 分别为壤中流与地下径流的日出流系数。2.2.4 汇流计算流域汇流计算包括坡地和河网两个汇流阶段。坡地汇流是指水体在坡面的汇集过程，水流不但发生了水平运动，而且还有垂向运动。在流域的坡面上，地面径流的调蓄作用不大，地下径流受到大的调蓄，壤中流所受调蓄介于两者之间。河网汇流是指水流由坡面进入河槽后，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，新安江三水源模型中的河网汇流，仅指各单元面积上的水体从进入河槽汇至单元出口的过程，而不包
36、括单元出口到流域出口处的河网汇流阶段 14。2.2.4.1 坡地汇流计算新安江三水源模型中把经过水源划分得到的地面径流 RS直接进入河网，成为地面径流对河网的总入流 TRS。壤中流 S流入壤中流水库，经过壤中流蓄水库的消退（壤中流水库的消退系数为 K） ，成为壤中流对河网总入流 T。地下径流 RG进入地下蓄水库，经过地下蓄水库的消退(地下蓄水库的消退系数为 K)，成为地下水对河网的总入流( G)。其计算公式为UtRStT)( (1-25)USttRS )1()1(1-26)GKt)(1-27)tTRt (1-28)式中： U为单位转换系数，可将径流深转化为流量，即从 mm 转化为 s/m3，t
37、F6.3( 为流域面积； t为时段长)， 为河网总入流(m 3/s)。流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告132.2.4.2 河网汇流计算新安江三水源模型中用无因次单位线模拟水体从进入河槽到单元出口的河网汇流。在本流域或临近流域，找一个有资料的、面积与单元流域大体相近的流域，分析出地面径流单位线，就可作为初值应用。计算公式为)1()(1itTRiUHtQNi(1-29)式中： )(tQ为单元出口处 时刻的流量值； 为无因次时段单位线； N为单位线的历时时段数。由于单位线确定较为困难，经常采用滞后演算法进行河网汇流计算。即 )()1()( LtTRCStCSt (1-30)流域汇流计算的输入是
38、单元上的地面径流 、壤中流 、地下径流 G及计算开始时刻的单元面积上壤中流流量和地下径流流量值。输出为单元出口的流量过程。流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告143 新安江模型的参数3.1 模型参数物理意义新安江模型的参数一般具有明确的物理意义，可以分为如下 4 类：3.1.1 蒸散发参数（ K、 WUM、 L、 C）K为蒸散发能力折算系数，是指流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。此参数控制着总水量平衡，因此，对水量计算是重要的。 WUM为上层蓄水容量，它包括植物截留量。在植被与土壤很好的流域，约为20mm；在植被与土壤颇差的流域，约为 56mm。L为下层蓄水容量。可取 6090 mm。C为
39、深层蒸散发系数。它决定于深根植物占流域面积的比数，同时也与值有关，此值越大，深层蒸散发越困难。一般经验，在江南湿润地区值约为 0.150.20 左右，而在华北半湿润地区则在 0.090.12 左右。3.1.2 产流量参数（ WM、 B、 IP）为流域蓄水容量，是流域干旱程度的指标。找久旱以后下大雨的资料，如雨前可认为蓄水量为 0，雨后可认为已蓄满，则此次洪水的总损失量就是 WM，可从实测资料中求得，如找不到这样的资料，则只能找久旱以后几次降雨，使雨后蓄满，用估计的方法求出 。一般分为上层 U、下层 WLM和深层 D。在南方约为120mm，北方半湿润地区约为 180mm。B为蓄水容量曲线的方次。
40、它反映流域上蓄水容量分布的不均匀性。如果有降雨径流相关图，则可根据 Pa=0 的曲线反求出蓄水容量曲线，并据此估计出 B值。一般经验，流域越大，各种地质地形配置越多样， B值也越大。在山丘区，很小面积(几平方公里) 的 为 0.1 左右，中等面积(300 平方公里以内)的 为 0.20.3 左右，较大面积(数千平方公里) 的 值为 0.30.4 左右。但需说明， 值与 UM有关，相互并不完全独立。同流域同蓄水容量曲线，如 WM加大， 就相应减少，或反之。IMP为不透水面积占全流域面积之比。如有详细地图，可以量出，但一般不可能，可找干旱期降小雨的资料来分析，这时有一很小洪水，完全是不透水面积上产
41、生的。求出此洪水的径流系数，就是 IP。3.1.3 水源划分参数（ S、 EX、 KS、 G）S为流域平均自由水蓄水容量，本参数受降雨资料时段均化的影响，当用日为流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告15时段长时，一般流域的 SM值约为 1050mm。当所取时段长较少时， SM要加大，这个参数对地面径流的多少起着决定性作用，因此很重要。 EX为自由水蓄水容量曲线指数，它表示自由水容量分布不均匀性。通常 EX取值在 11.5 之间。KS为自由水蓄水库对壤中流的出流系数， KG为自由水蓄水库对地下径流出流系数，这两个出流系数是并联的，其和代表着自由水出流的快慢。一般来说， 7.0G，相当于从雨止到
42、壤中流止的时间为 3 天。3.1.4 汇流参数（ KS、 G、 CS、 L）KS为壤中流水库的消退系数。如无深层壤中流时， KS趋于零。当深层壤中流很丰富时， 趋于 0.9。相当于汇流时间为 10 天。为地下水库的消退系数。如以日为时段长，此值一般为 0.980.998，相当于汇流时间为 50500 日。CS为河网蓄水消退系数， L为滞时，它们决定于河网地貌。3.2 模型参数率定参数的率定可以按照蒸散发产流分水源汇流的次序进行，各类参数基本上是相互独立的 15。主要率定过程参照如下。3.2.1 日模型日模型参数率定按照以下步骤分别进行：(1) 定出各参数的初始值。(2) 比较多年总径流。这是最
43、基本的水量平衡校核。如有误差，要首先修改 值，K是影响蒸发计算最大的参数，对于某些北方河流，夏季植物茂盛，而冬季则有封冻。K冬季蒸发不可能用 E601 观测，则应考虑把 分为冬、夏各月定为不同的数值。K(3) 多年总水量基本平衡后，再比较每年的径流，看很干旱的年与湿润年份有无系统误差。如有应调整 、 和 。减小 将使少雨季节的蒸发减少，而对WUMLCWUM于很干旱的季节则无影响。 的作用与此相仿。加大 值将使很干旱的季节的蒸散C发增大，而对于有雨季节则无此影响。在北方半湿润地区可以找到干旱年份与湿润年份之间的系统误差，而在南方湿润地区则不易找到。(4)如上述差别并不明显，则应比较年内干旱季与湿
44、润季之间的差别。在南方，主要是伏旱季的蒸散发计算是否正确的问题。如伏旱以后的初次洪水具有系统误差，例流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告16如，各年中这种洪水的计算值都偏大，则应调整 、 和 值，使基本符合。WUMLC如果在计算中发现 值在久旱后出现负值，则应加大 ，不改变 和 。在WUWLM计算中当 为负值时以零处理是不对的，它破坏了产流量计算的前提。新安江模型是蓄满型，只要蒸散发计算基本正确了，产流总量的精度也就有保证了。一般流域，有 80%左右的年份的年径流误差在 7%以下是可能做到的 16。(5) 比较枯季地下径流。如有系统偏大偏小，则应调整 、 ，调整地下径KSG流、壤中流的比重。
45、如有系统偏快偏慢，则应调整，以改变汇流速度。3.2.2 次模型日模与次模的时段长不同，参数值不全部可以通用，但 、 、 、 、 、 、 与时段长无关，可以通用， 、 、WMULBIMPEXCSMK、 、 与时段长有关，不可以通用。KSGKS调试时通常以洪水总量、洪峰值及峰现时间按允许误差统计合格率最高为目标函数。调试步骤如下：(1) 比较洪水径流总量。影响计算次洪径流总量的主要因素除降雨外显然是流域初始含水量 ，但当已确定的情况下，可通过调整水源的比重来影响计算次洪径流量，0可调整 和 ，两个参数数值越大，地下径流的比重越大，使次洪径流量减少。SMKG(2) 比较洪峰值。洪峰流量主要由地面径流
46、和壤中流组成，主要取决于 、SM、 等参数，当 确定后，调整 和 等参数，尤其是 对洪峰起着CSKSCC很大的作用。(3) 如果流量过程现出现整体的提前，主要调整 。L流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告174 新安江模型的应用新安江模型具有结构简单、参数少、模拟精度稳定可靠和适用广泛等优点，目前仍是在我国应用最为广泛的水文模型，其在水文预报、水资源规划与管理等领域的应用已取得巨大的社会和经济效益 17。新安江模型是我国建立的一个不断发展的比较完整的适合我国湿润和半湿润地区应用的降雨径流模型，得到了国内外的普遍认可，已经广泛应用于我国很多流域的洪水预报中 18。本文以英那河流域为研究对象，重
47、点讲述了新安江模型在英那河水库洪水预报方案编制当中的应用。4.1 流域概况英那河位于辽宁省鞍山市境内，是大连市的城市重要水源地。英那河有一级支流5 条，二级支流 1 条，流域面积为 1004km2，多年平均径流深 439.2mm，径流量 4.41亿 m3，境内径流量 3.5 亿 m3。图 3.1 英那河流域水系及站点分布图流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告18Fig. 3.1 Water system and site map of Yingnahe valley英那河流域暴雨比较集中，大多数暴雨发生在 7、8 月份，一般在 7 月份下旬到 8月上旬，持续时间在 12 天，更长达 3 天。
48、英那河流域共有 7 处雨量站，1 处水文站，1 处水库站，各类遥测站点 8 处。4.2 流域洪水预报方案编制英那河流域洪水预报方案分为产流方案和汇流方案，本文采用三层蒸发模型，产流为蓄满产流，地面汇流采用时段单位线法，地下汇流采用线性水库法。4.2.1 模型参数优选新安江模型参数根据其物理意义，可分为四类：蒸散发参数、产流量参数、水源划分参数及汇流参数 19，如下表 3.1 所示。本文采用遗传算法进行参数优选，根据流域特性初选一组参数，再用遗传算法进行参数优化，最后优选参数如下表 3.2 所示。表 3.1 新安江模型参数Tab.3.1 The parameter of Xin anjiang model类别 符号 含义K 蒸散发能力折算系数 WUM 上层蓄水容量，它包括植物截留量WLM 下层蓄水容量蒸散发参数C 深层蒸散发系数WM 流域蓄水容量B 蓄水容量曲线的方次产流量参数IMP 不透水面积占全流域面积之比水源划分参数 fc 流域稳定下渗率KKG 地下水库的消退系数汇流参数Kg 蓄泄常数表 3.2 新安江模型产流参数Tab.3.2 The runoff generation parameter of Xin anjiang model参数符号 参数取值K 0.70WM 120WUM 20WLM 80B 0.30流 域 水 文 模 拟 结 课 报 告1
