最新安江模型进展介绍 - 下载本文

第八章 新安江模型

8.1 概述

新安江模型是由原华东水利学院(现为河海大学)赵人俊教授等(赵人俊,1984)提出来的。从降雨径流经验相关图研究开始(华东水利学院水?#21335;担?962),投入了水文预报教研室的十余位教师、研究生和?#20064;?#30340;本科生前后经历了约20年才形成了蓄满产流概念、理论及其二水源新安江模型。之后提出三水源新安江模型(赵人俊,1984),并开始在水情预报和遥测自动化的实时洪水预报系统中开始大量应用,通过对模型的结构、考虑的因素不断改进和完善,发展至今?#30740;?#25104;了理论上具有一定系统性、结构较为完善、应用效果较好的流域水文模型,并被联合国教科文组织列为国际推广模型而广为国内外水文学家所了解和应用。

新安江模型研究概括起来可以分为二水源新安江模型、三水源新安江模型和新安江模型改进研究三个阶段。

8.2 二水源新安江模型

二水源新安江模型包括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,水源划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,河道汇流采用马斯京根分河段演算法。

8.2.1 前期研究

降雨径流相关图是径流估计最早使用的方法之一。考虑前期气候指数的降雨径流相关图是蓄满产流概念形成的基础,见图8-1。图中P为降雨量,R为径流深, Pa,0为前期气候指数。在实际应用中,要计算一次降雨所产生的洪水径流总量,为配合汇流计算,还需求出逐时段的净雨?#20426;?#21033;用上述相关图推求时段净雨量的具体步骤如下。

(1)求本次降雨开始时的Pa,0;

(2)按逐时段累积降雨量在关系图上查得累积径流量;

图8-1 时段净雨量推求 (3)由相邻时段的累积径流量之差得时段净雨?#20426;?

在这相关?#21152;?#29992;过程中发现两个问题,一是前期气候指数不是一个物理量,二是关系不满足水?#31185;?#34913;方程。为此,提出由土壤含水量W来?#20174;?#21069;期气候的湿润情况,点关系图R?f(P,W),经大量的实践发现,在湿润地区W曲线簇的上段均接近45°直线,若点绘成PE?W与R关系(PE是扣除雨期蒸发后的净雨量),则呈现如图8-2所示的关系。由图中可知,

PE?W有一个临界值,当一次洪水的净雨量PE与

图8-2 PE?W与R关系示意图 初始土壤含水量W之和小于该临界值时,?#23460;?#32452;W曲线簇;当PE?W超过临界值时,

PE?W与R关系为一条45°直线。即大于该临界值的降雨量全部产生径流,表明此时全流

域的土壤含水量?#30740;?#28385;,由此形成蓄满产流概念。

8.2.2 蓄满产流

蓄满产流是产流机制的一种概化。其基本假设为:任一地点上,土壤含水量达蓄满(即达田间持水量)前,降雨量全部补充土壤含水量,不产流;当土壤蓄满后,其后续降雨量全部产生径流。其计算式为

R?PE?W?WM (8-1)

式中 WM—流域平均蓄水容量,mm。

蓄满产流机制比较接近或符合土壤缺水量不大的湿润地区。在该类地区,一场较大的降雨常?#36164;?#20840;流域土壤含水量达蓄满。倘若一场降雨不能使全流域蓄满,或一场降雨过程中,全流域?#24418;?#33988;满之前,流域内?#34917;?#27979;到有径流,这就是图8-2中?#21335;?#37096;曲线簇情形。这是由于前期气候、下垫面等的空间分布不均匀性,导致流域土壤缺水量空间不均匀的结果。因为,在其他条件相同情况下,缺水量小的地方降雨后易蓄满,先产流。因此,—个流域的产流过程在空间上是不均匀?#27169;?#22312;全流域蓄满前,存在部分地区蓄满而产流。—般可由流域蓄水容量曲线表征土壤缺水量空间分布的不均匀性。

流域蓄水容量曲线是将流域内各地点包气带的蓄水容量,按从小到大顺序排列得到的一条蓄水容量与相应面积关系的统计曲线,如图8-3所示。图中纵坐标WM?为各地点包气带蓄水容量值,WMM为其中最大值,一般?#23478;詍m表示;横坐标?为面积?#21335;?#23545;值f/F,

F是全流域面积,f为流域内包气带蓄水容量小于或等于WM?的面积,曲线所围的面积

WM为全流域平均的蓄水容?#20426;?

包气带含水量中有一部分水量在最干旱的自然状况下也不可能被蒸发掉,因此上述的包气带蓄水容量是包气带中实际可变动的最大含水量,即包气带达田间持水量时的含水量与最干旱时含水量之差,也等于包气带最干旱时的缺水量,因此,流域蓄水容量曲线也?#20174;?#20102;流域包气带缺水容量分布特性。

据大量经验分析,蓄水容量曲线可由如下指数方程近似描述

WM??? ??1??1?? (8-2)

WMM??其中:b是常数,?#20174;?#27969;域包气带蓄水容量分布的不均匀性,b值越小表示越均匀,当b=0时表示流域内包气带蓄水容量均匀不变,而b值越大表示越不均匀。据上式,流域平均蓄水容量WM为

WM? 积分得

WM?b?WMM0? (8-3) (1??dWM)WMM (8-4) 1?b一般情况下,降雨前的初始土壤含水量不为零。这时,初始土壤含水量在流域上的分布直接影响降雨产流量值。各次降雨前的初始土壤含水量分布是不相同?#27169;?#20294;从多次平均的统计角度,认为分布规律也符合式(8-2)的变化。如图8-4中斜线所示面积为流域平均的初

始土壤含水量W,最大值为a,全流域中有?#22756;?#20026;?0的面积上?#30740;?#28385;,降在该部分的面积上雨量形成径流,降在?#22756;?#20026;1-?0的面积上的降雨量不能全部形成径流,这些量表达为

图8-3 包气带蓄水容量曲线 图8-4 局部产流示意图 a?? ?0?1??1?? (8-5)

?WMM? W?积分式(8-6)得

b?1??a??W?WM?1??1??? (8-7)

???WMM???b?a0(1??)dWM? (8-6)

解上?#38477;?

1??1?bW??? (8-8) a?WMM?1??1????WM????如这时有扣除雨期蒸发后的时段雨量dPE(见图8-4),相应的产流?#35838;猟R、损失?#35838;猟W。当dPE→0时,可求得土壤含水?#35838;猈时的流域产流?#22756;?#21363;

径流系数?dR (8-9) ??0?产流面积(%)dPEdPE?0由图8-4可知,在初始土湿为W条件下,降雨量PE的产流量可由下列计算式求得: 在全流域蓄满前为

R??积分上?#38477;?

a?PEadWM? ( a?PE≤WMM)

a?? R?PE?WM?1???WMM?由式(8-7),上式简化为

b?1?PE?a??WM?1???WMM?b?1

?PE?a? (a?PE≤WMM) (8-10)

R?PE?W?WM?WM?1???WMM?在全流域蓄满后为

b?1R?PE?W?WM a?PE≥WMM (8-11)

式(8-10)和式(8-11)是全流域蓄满前后的两个产流?#32771;?#31639;公式。在手工作业计算情况中,为应用方便,常用降雨径流相关图表示。

图8-5 蓄水容量曲线转换为降雨径流关系示意图 如图8-5所示,设W=0,第一时段降雨?#35838;狿E1,如果PE1<WMM,表示全流域未蓄满,为局部产流,R1值可由式(8-10)算出(此时a=0),根据水?#31185;?#34913;可得土壤水分补充量,?#20174;?#22312;图8-5(b)上,即为点1(PE1,R1),该点与45°直线的间距即为?W1。同理,设第二时段降雨?#35838;狿E2,相应的产流量R2和土壤水补充量?W2(如图8-5(a)所示),仍按式(8-10)计算产流量,由累计降雨量PE1?PE2算得产流?#35838;猂1?R2,?#21248;唬琑2系PE2形成。这时,流域的土壤水分补充?#35838;?

?W??W1??W2?PE1?PE2?R1?R2

在图8-5(b)中是点2。?#26469;?#31867;推,可求得逐时段的R和?W值。当累计降雨量大于

WMM,全流域蓄满,土壤水分补充?#35838;?#38646;,产流量按式(8-11)计算,?#20174;?#22312;图8-5(b)

中呈平行于45°的直线段,?#36739;?#30340;间距即为WM。类似地,对于不同初始土湿W,可得以W为参变量的降雨径流关系曲线簇。绘制PEWR关系曲线时,对于初始土湿W?0的曲

线,先用式(8-8)求得a,相应该W参数量曲线的转折点(45°直线段与曲线的切点)用下式计算:

PE?WMM?a

大于该PE的关系线呈45°直线。

当有了R?f(PE,W)关系曲线后,即可进行产流?#32771;?#31639;,具体步骤如下。





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