淺析流域常用水文模型

張海波

模型是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的簡(jiǎn)化表達(dá)式，水文模型是一個(gè)復(fù)雜的水文系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。流域水文模型是水文科學(xué)的重要手段和方法之一，是水文自然規(guī)律研究的主要工具，是解決實(shí)際問題、徑流理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)的結(jié)合，基于流域?yàn)檠芯繉?duì)象的數(shù)學(xué)方法來描述水文循環(huán)的仿真過程。現(xiàn)在流域模型根據(jù)不同分類方法在國(guó)內(nèi)外有很多分類，本文將分析三水源新安江模型（SXAJ）、陜北模型（SB）、水箱模型（Tank），常用參數(shù)的選擇、適用條件，用戶可以根據(jù)具體流域的實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)牧饔蛩哪Ｐ停跐M足精度要求，選擇計(jì)算和更方便使用流域水文模型，以簡(jiǎn)化用戶的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1、三水源新安江模型（SXAJ）

新安江模型是一種分布式概念性水文模型，使用蓄滿產(chǎn)流的概念，由趙人俊教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組設(shè)計(jì)的第一個(gè)完整的流域水文模型即二水源新安江模型；之后又提出三水源新安江模型，到目前為止已經(jīng)形成完整的結(jié)構(gòu)，良好的流域水文模型的應(yīng)用效果，被聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際推廣模式，因此本文只介紹三水源的新安江模型

1.1模型的簡(jiǎn)介

新安江模型是分布式水文流域模型， 可用于濕潤(rùn)地區(qū)與半濕潤(rùn)地區(qū)；可簡(jiǎn)述為“蓄滿產(chǎn)流、一個(gè)水庫(kù)、兩條曲線、三種水源”；流域蒸發(fā)計(jì)算模型與三層蒸發(fā)、徑流計(jì)算方法根據(jù)存儲(chǔ)的概念，產(chǎn)流計(jì)算；當(dāng)流域面積較小，一個(gè)集總模型，當(dāng)面積較大，塊模型；根據(jù)流域分為自然分水嶺分割方法，泰森多邊形法等，它將整個(gè)流域劃分為許多單元流域，為每個(gè)單元流域產(chǎn)匯流計(jì)算；總徑流組成是地面徑流、壤中流和地下徑流；模型結(jié)構(gòu)如圖1.1所示系統(tǒng)的新安江模型結(jié)構(gòu)。

新安江模型結(jié)構(gòu)圖（1.1）

1.2模型參數(shù)的取用

模型參數(shù)是具有物理意義，所以原則上可以定量，通過實(shí)測(cè)、試驗(yàn)和參考類似流域獲得相關(guān)參數(shù)。

下面就三江源新安江模型的17個(gè)參數(shù)可參照下表1-1取用。

表1-1

參數(shù)分類 符號(hào) 符號(hào)含義 建 議 取用值 取用說明

蒸散發(fā) 計(jì)算 K 蒸散發(fā)折算系數(shù) 1 用E601觀測(cè)，值在0.8～1.1之間，常接近1。

WUMM 流域上層蓄水容量 5～20 好的流域約為20mm，差的流域取5～20mm。

WLM 流域下層蓄水容量 60～90 可取60～90mm。

C 深層蒸散發(fā)系數(shù) 0.09～0.2 濕潤(rùn)地區(qū)0.15～0.20，半濕潤(rùn)地區(qū)0.09～0.12。

產(chǎn) 流 計(jì) 算 WM 流域平均蓄水量 120～150 多年均年降雨量大于1000mm、多年均年徑流系數(shù)大于0.35的流域，其值在120～150mm。

B 流域蓄水容量 分布曲線指數(shù) 0.1～0.5 反映流域上蓄水容量分布的不均勻性，對(duì)于大多數(shù)流域可取0.1～0.5之間的值。

IM 不透水層

占全流域面積之比 干旱期降小雨，所產(chǎn)生的小洪水其徑流值。天然流域0.01～0.02，市區(qū)、沼澤區(qū)較大。

水源劃分計(jì)算 SM 自由水平均蓄水容量 10～50 該值與地址結(jié)構(gòu)有關(guān)。可取值在10～50mm。

EX 自由水分布曲線指數(shù) 1～2 反應(yīng)分布不均勻程度。可取值在1～2。

KI 自由水箱壤中流 KI+KG=0.7 此兩個(gè)系數(shù)與土層結(jié)構(gòu)、流域面積有關(guān)，一般濕潤(rùn)地區(qū)可取KI與KG之和為0.7。

KG 地下水出流系數(shù)

匯流計(jì)算 CI 壤中流線性水庫(kù)匯流系數(shù) 0.8～0.95 當(dāng)時(shí)段長(zhǎng)為1小時(shí)時(shí)常可取0.8～0.95。

CG 地下水線性水庫(kù)匯流系數(shù) 0.93～0.995 當(dāng)時(shí)段長(zhǎng)為1小時(shí)時(shí)常可取0.93～0.995。

CS 馬斯京根法河段傳播時(shí)間 常劃分河段使河段傳播時(shí)間等于時(shí)段長(zhǎng)。

L 馬斯京根法流量比重系數(shù) 0～0.5 其值反映洪水波的坦化程度，取值在0～0.5。

X 馬法參數(shù)流量比重因子 X反應(yīng)坦化，計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)反映平移，所以率定參數(shù)MP（馬法分段演算的河段數(shù)）

MP 馬法參數(shù)流量傳播時(shí)間

1.3模型的適用條件

三水源新安江模型適合濕潤(rùn)半濕潤(rùn)的地區(qū)；因?yàn)槟Ｐ筒豢紤]包氣帶調(diào)蓄作用并且水源劃分的結(jié)構(gòu)也不盡合理，特別是當(dāng)?shù)叵聫搅髋c壤中流所占比例比較大的流域，問題更更加突出。

2、陜北模型（SB）

陜西模型在新安江模型逆向思維的基礎(chǔ)上，建立流域水文模型。由趙人俊教授等對(duì)陜北黃土高原徑流實(shí)驗(yàn)站的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確立推論，實(shí)驗(yàn)建立模型，稱為陜北模型。該模型適用于干旱地區(qū)或超級(jí)滲流主要地區(qū)。

2.1模型的簡(jiǎn)介

陜西模型考慮降雨和下墊面分布的不均勻性，將流域分為若干塊單元面積；并將每塊單元面積可分為不透水面積和透水面積，并在透水面積扣除蒸散發(fā)后，進(jìn)行計(jì)算徑流；從不透水面積上降雨扣除的時(shí)候不透水面積降雨徑流蒸發(fā)。該模型適用于干旱或者半干旱地區(qū)。模型結(jié)構(gòu)見圖陜北模型結(jié)構(gòu)圖2.1。

2.2模型參數(shù)的取用

陜西模型因?yàn)槌?jí)滲流模型對(duì)降雨強(qiáng)度非常敏感，流域陡坡，洪水隨著急劇下降，因此應(yīng)用這種模型時(shí)間通常需2～5 min。參數(shù)的取用在現(xiàn)實(shí)中有時(shí)不是觀測(cè)值或其代表不好，可以使用測(cè)量值或類似經(jīng)驗(yàn)取得參數(shù)，進(jìn)行模型計(jì)算，然后與實(shí)測(cè)過程相比，使調(diào)試優(yōu)化、基于最小誤差原理模型和確定其最優(yōu)值，下面就陜北模型的主要11個(gè)參數(shù)可參照下表2-1取用。

表2-1

序號(hào) 符號(hào) 符號(hào)含義 建 議 取用值 取用說明

1 KC 蒸散發(fā)能力折算系數(shù) 實(shí)際計(jì)算中該值變化大，需調(diào)試確定。

2 θm 張力水蓄水容量 60～80 用于計(jì)算初始土壤含水量，取60～80mm。

3 FB 不透水面積占全流域面積的比例 一般取用

4 f0 霍爾頓公式初始下滲能力 1.0～2.0 一般取用1.0～2.0mm/min。

5 fc 霍爾頓公式穩(wěn)定下滲率 0.3～0.5 一般取用0.3～0.5mm/min。

6 k 霍爾頓下滲曲線方程系數(shù) 0.04～0.05 一般取用0.04～0.05mm/min。

7 B 流域水容量-面積 分布曲線方次 根據(jù)實(shí)際情況采用

8 CS 地面徑流消退系數(shù) 根據(jù)實(shí)際情況采用

9 L 滯時(shí) 根據(jù)實(shí)際情況采用

10 KE 馬斯京根法演算參數(shù) 取用時(shí)段長(zhǎng)在2～5min。

11 XE 馬斯京根法演算參數(shù) 根據(jù)實(shí)際情況采用

2.3模型的適用條件

模型適用于陜西省黃土高原，該地區(qū)的自然地理?xiàng)l件復(fù)雜，暴雨在時(shí)間和空間分布不均，雨量站和水文網(wǎng)絡(luò)密度非常稀疏， 干旱地區(qū)或是以超產(chǎn)流為主地區(qū)。

3.水箱模型

水箱模型也被稱為坦克模型，也稱為黑箱模型，該模型首先由日本菅原正巳博士提出， 70年代初，坦克模型世界各地廣泛應(yīng)用；水箱模型的過程是通過降雨的降雨徑流模型來計(jì)算徑流過程；該模型應(yīng)用在中國(guó)的南部，效果很好，但是在北方應(yīng)用程序相對(duì)較少，僅為洪水預(yù)報(bào)方法的補(bǔ)充。

3.1模型的簡(jiǎn)介

坦克模型屬于概念性水文模型，這是復(fù)雜的降雨徑流過程簡(jiǎn)單慨化為流域的蓄水與出流關(guān)系進(jìn)行模擬，是概念簡(jiǎn)單，方便計(jì)算， 結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，模型有很強(qiáng)的適應(yīng)性，是一種間接模型，適合所有類型的流域，各種各樣的氣候和地形條件。本文只對(duì)兩層水箱模型進(jìn)行闡述，應(yīng)用與一般洪水預(yù)報(bào)，水箱模型結(jié)構(gòu)圖見下圖（3-1） 。

3.1模型參數(shù)的選用

兩層水箱模型的輸入通常是一個(gè)小時(shí)或幾個(gè)小時(shí)的平均降雨和蒸發(fā)資料，輸出也是對(duì)應(yīng)時(shí)段的流域出口斷面的流量。計(jì)算時(shí)段△T的選擇可參照表3-1。

表3-1

流域面積（km2） 計(jì)算時(shí)段△T（h） 流域面積（km2） 計(jì)算時(shí)段△T（h）

10 1/6 2000 2

25 1/4 5000 3

100 1/2 8000 4

500 1 20000 6

水箱模型有三類參數(shù)，即邊孔高度X、邊孔出流系數(shù)a和下滲孔的出流系數(shù)b。由試算法確定。下表3-2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一些模型的初值，并與實(shí)測(cè)過程比較，逐步調(diào)整各參數(shù)值，使值最優(yōu)為止。

表3-2

序號(hào) 符號(hào) 符號(hào)含義 建議取用初始值 序號(hào) 符號(hào) 符號(hào)含義 建議取用初始值

1 a0 第一層下滲孔的出流系數(shù) 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

2 a1 第一層出流系數(shù)1 0.005～0.1 7 e 流域蒸發(fā)折算系數(shù) 0.15～0.85

3 a2 第一層出流系數(shù)2 0.05～0.2 8 h1 第一層水深1

4 b0 第二層下滲孔的出流系數(shù) 0～0.2 9 h2 第一層水深2

5 b1 第二層出流系數(shù) 10 h3 第二層水深

3.3模型的適用條件

坦克模型是一種間接的模擬，沒有直接的物理量，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性好，廣泛使用。但對(duì)于較大的流域或干旱地區(qū)，該模型不能處理流域降雨的不均勻分布，徑流變化的區(qū)域，土壤水分對(duì)降水的影響損失和調(diào)節(jié)作用，較大的河流和帶來較大誤差， 但對(duì)水文預(yù)報(bào)是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

4.結(jié)論

本文對(duì)三種模型三水源新安江模型（SXAJ）、陜北模型（SB）、兩箱水箱模型（Tank）的常用參數(shù)初始值的選用、適用條件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，希望對(duì)使用者能有所幫助。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙人俊.流域水文模擬-新安江模型與陜北模型[M].北京：水利電力出版社，1984.

[2] 包為民.水文預(yù)報(bào)[M].北京：水利電力出版社，2006.

4 f0 霍爾頓公式初始下滲能力 1.0～2.0 一般取用1.0～2.0mm/min。

5 fc 霍爾頓公式穩(wěn)定下滲率 0.3～0.5 一般取用0.3～0.5mm/min。

6 k 霍爾頓下滲曲線方程系數(shù) 0.04～0.05 一般取用0.04～0.05mm/min。

7 B 流域水容量-面積 分布曲線方次 根據(jù)實(shí)際情況采用

8 CS 地面徑流消退系數(shù) 根據(jù)實(shí)際情況采用

9 L 滯時(shí) 根據(jù)實(shí)際情況采用

10 KE 馬斯京根法演算參數(shù) 取用時(shí)段長(zhǎng)在2～5min。

11 XE 馬斯京根法演算參數(shù) 根據(jù)實(shí)際情況采用

2.3模型的適用條件

模型適用于陜西省黃土高原，該地區(qū)的自然地理?xiàng)l件復(fù)雜，暴雨在時(shí)間和空間分布不均，雨量站和水文網(wǎng)絡(luò)密度非常稀疏， 干旱地區(qū)或是以超產(chǎn)流為主地區(qū)。

3.水箱模型

水箱模型也被稱為坦克模型，也稱為黑箱模型，該模型首先由日本菅原正巳博士提出， 70年代初，坦克模型世界各地廣泛應(yīng)用；水箱模型的過程是通過降雨的降雨徑流模型來計(jì)算徑流過程；該模型應(yīng)用在中國(guó)的南部，效果很好，但是在北方應(yīng)用程序相對(duì)較少，僅為洪水預(yù)報(bào)方法的補(bǔ)充。

3.1模型的簡(jiǎn)介

坦克模型屬于概念性水文模型，這是復(fù)雜的降雨徑流過程簡(jiǎn)單慨化為流域的蓄水與出流關(guān)系進(jìn)行模擬，是概念簡(jiǎn)單，方便計(jì)算， 結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，模型有很強(qiáng)的適應(yīng)性，是一種間接模型，適合所有類型的流域，各種各樣的氣候和地形條件。本文只對(duì)兩層水箱模型進(jìn)行闡述，應(yīng)用與一般洪水預(yù)報(bào)，水箱模型結(jié)構(gòu)圖見下圖（3-1） 。

3.1模型參數(shù)的選用

兩層水箱模型的輸入通常是一個(gè)小時(shí)或幾個(gè)小時(shí)的平均降雨和蒸發(fā)資料，輸出也是對(duì)應(yīng)時(shí)段的流域出口斷面的流量。計(jì)算時(shí)段△T的選擇可參照表3-1。

表3-1

流域面積（km2） 計(jì)算時(shí)段△T（h） 流域面積（km2） 計(jì)算時(shí)段△T（h）

10 1/6 2000 2

25 1/4 5000 3

100 1/2 8000 4

500 1 20000 6

水箱模型有三類參數(shù)，即邊孔高度X、邊孔出流系數(shù)a和下滲孔的出流系數(shù)b。由試算法確定。下表3-2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一些模型的初值，并與實(shí)測(cè)過程比較，逐步調(diào)整各參數(shù)值，使值最優(yōu)為止。

表3-2

序號(hào) 符號(hào) 符號(hào)含義 建議取用初始值 序號(hào) 符號(hào) 符號(hào)含義 建議取用初始值

1 a0 第一層下滲孔的出流系數(shù) 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

2 a1 第一層出流系數(shù)1 0.005～0.1 7 e 流域蒸發(fā)折算系數(shù) 0.15～0.85

3 a2 第一層出流系數(shù)2 0.05～0.2 8 h1 第一層水深1

4 b0 第二層下滲孔的出流系數(shù) 0～0.2 9 h2 第一層水深2

5 b1 第二層出流系數(shù) 10 h3 第二層水深

3.3模型的適用條件

坦克模型是一種間接的模擬，沒有直接的物理量，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性好，廣泛使用。但對(duì)于較大的流域或干旱地區(qū)，該模型不能處理流域降雨的不均勻分布，徑流變化的區(qū)域，土壤水分對(duì)降水的影響損失和調(diào)節(jié)作用，較大的河流和帶來較大誤差， 但對(duì)水文預(yù)報(bào)是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

4.結(jié)論

本文對(duì)三種模型三水源新安江模型（SXAJ）、陜北模型（SB）、兩箱水箱模型（Tank）的常用參數(shù)初始值的選用、適用條件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，希望對(duì)使用者能有所幫助。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙人俊.流域水文模擬-新安江模型與陜北模型[M].北京：水利電力出版社，1984.

[2] 包為民.水文預(yù)報(bào)[M].北京：水利電力出版社，2006.

4 f0 霍爾頓公式初始下滲能力 1.0～2.0 一般取用1.0～2.0mm/min。

5 fc 霍爾頓公式穩(wěn)定下滲率 0.3～0.5 一般取用0.3～0.5mm/min。

6 k 霍爾頓下滲曲線方程系數(shù) 0.04～0.05 一般取用0.04～0.05mm/min。

7 B 流域水容量-面積 分布曲線方次 根據(jù)實(shí)際情況采用

8 CS 地面徑流消退系數(shù) 根據(jù)實(shí)際情況采用

9 L 滯時(shí) 根據(jù)實(shí)際情況采用

10 KE 馬斯京根法演算參數(shù) 取用時(shí)段長(zhǎng)在2～5min。

11 XE 馬斯京根法演算參數(shù) 根據(jù)實(shí)際情況采用

2.3模型的適用條件

模型適用于陜西省黃土高原，該地區(qū)的自然地理?xiàng)l件復(fù)雜，暴雨在時(shí)間和空間分布不均，雨量站和水文網(wǎng)絡(luò)密度非常稀疏， 干旱地區(qū)或是以超產(chǎn)流為主地區(qū)。

3.水箱模型

水箱模型也被稱為坦克模型，也稱為黑箱模型，該模型首先由日本菅原正巳博士提出， 70年代初，坦克模型世界各地廣泛應(yīng)用；水箱模型的過程是通過降雨的降雨徑流模型來計(jì)算徑流過程；該模型應(yīng)用在中國(guó)的南部，效果很好，但是在北方應(yīng)用程序相對(duì)較少，僅為洪水預(yù)報(bào)方法的補(bǔ)充。

3.1模型的簡(jiǎn)介

坦克模型屬于概念性水文模型，這是復(fù)雜的降雨徑流過程簡(jiǎn)單慨化為流域的蓄水與出流關(guān)系進(jìn)行模擬，是概念簡(jiǎn)單，方便計(jì)算， 結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，模型有很強(qiáng)的適應(yīng)性，是一種間接模型，適合所有類型的流域，各種各樣的氣候和地形條件。本文只對(duì)兩層水箱模型進(jìn)行闡述，應(yīng)用與一般洪水預(yù)報(bào)，水箱模型結(jié)構(gòu)圖見下圖（3-1） 。

3.1模型參數(shù)的選用

兩層水箱模型的輸入通常是一個(gè)小時(shí)或幾個(gè)小時(shí)的平均降雨和蒸發(fā)資料，輸出也是對(duì)應(yīng)時(shí)段的流域出口斷面的流量。計(jì)算時(shí)段△T的選擇可參照表3-1。

表3-1

流域面積（km2） 計(jì)算時(shí)段△T（h） 流域面積（km2） 計(jì)算時(shí)段△T（h）

10 1/6 2000 2

25 1/4 5000 3

100 1/2 8000 4

500 1 20000 6

水箱模型有三類參數(shù)，即邊孔高度X、邊孔出流系數(shù)a和下滲孔的出流系數(shù)b。由試算法確定。下表3-2根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一些模型的初值，并與實(shí)測(cè)過程比較，逐步調(diào)整各參數(shù)值，使值最優(yōu)為止。

表3-2

序號(hào) 符號(hào) 符號(hào)含義 建議取用初始值 序號(hào) 符號(hào) 符號(hào)含義 建議取用初始值

1 a0 第一層下滲孔的出流系數(shù) 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

2 a1 第一層出流系數(shù)1 0.005～0.1 7 e 流域蒸發(fā)折算系數(shù) 0.15～0.85

3 a2 第一層出流系數(shù)2 0.05～0.2 8 h1 第一層水深1

4 b0 第二層下滲孔的出流系數(shù) 0～0.2 9 h2 第一層水深2

5 b1 第二層出流系數(shù) 10 h3 第二層水深

3.3模型的適用條件

坦克模型是一種間接的模擬，沒有直接的物理量，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性好，廣泛使用。但對(duì)于較大的流域或干旱地區(qū)，該模型不能處理流域降雨的不均勻分布，徑流變化的區(qū)域，土壤水分對(duì)降水的影響損失和調(diào)節(jié)作用，較大的河流和帶來較大誤差， 但對(duì)水文預(yù)報(bào)是一個(gè)很好的補(bǔ)充。

4.結(jié)論

本文對(duì)三種模型三水源新安江模型（SXAJ）、陜北模型（SB）、兩箱水箱模型（Tank）的常用參數(shù)初始值的選用、適用條件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述，希望對(duì)使用者能有所幫助。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙人俊.流域水文模擬-新安江模型與陜北模型[M].北京：水利電力出版社，1984.

[2] 包為民.水文預(yù)報(bào)[M].北京：水利電力出版社，2006.