浅析流域常用水文模型

    张海波

    模型是一个复杂系统的简化表达式，水文模型是一个复杂的水文系统的简化。流域水文模型是水文科学的重要手段和方法之一，是水文自然规律研究的主要工具，是解决实际问题、径流理论和计算机科学的结合，基于流域为研究对象的数学方法来描述水文循环的仿真过程。现在流域模型根据不同分类方法在国内外有很多分类，本文将分析三水源新安江模型（SXAJ）、陕北模型（SB）、水箱模型（Tank），常用参数的选择、适用条件，用户可以根据具体流域的实际情况，选择适当的流域水文模型，在满足精度要求，选择计算和更方便使用流域水文模型，以简化用户的劳动强度。

    1、三水源新安江模型（SXAJ）

    新安江模型是一种分布式概念性水文模型，使用蓄满产流的概念，由赵人俊教授领导的研究小组设计的第一个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，到目前为止已经形成完整的结构，良好的流域水文模型的应用效果，被联合国教科文组织国际推广模式，因此本文只介绍三水源的新安江模型

    1.1模型的简介

    新安江模型是分布式水文流域模型， 可用于湿润地区与半湿润地区；可简述为“蓄满产流、一个水库、两条曲线、三种水源”；流域蒸发计算模型与三层蒸发、径流计算方法根据存储的概念，产流计算；当流域面积较小，一个集总模型，当面积较大，块模型；根据流域分为自然分水岭分割方法，泰森多边形法等，它将整个流域划分为许多单元流域，为每个单元流域产汇流计算；总径流组成是地面径流、壤中流和地下径流；模型结构如图1.1所示系统的新安江模型结构。

    新安江模型结构图（1.1）

    1.2模型参数的取用

    模型参数是具有物理意义，所以原则上可以定量，通过实测、试验和参考类似流域获得相关参数。

    下面就三江源新安江模型的17个参数可参照下表1-1取用。

    表1-1

    参数分类 符号 符号含义 建 议 取用值 取用说明

    蒸散发 计算 K 蒸散发折算系数 1 用E601观测，值在0.8～1.1之间，常接近1。

    WUMM 流域上层蓄水容量 5～20 好的流域约为20mm，差的流域取5～20mm。

    WLM 流域下层蓄水容量 60～90 可取60～90mm。

    C 深层蒸散发系数 0.09～0.2 湿润地区0.15～0.20，半湿润地区0.09～0.12。

    产 流 计 算 WM 流域平均蓄水量 120～150 多年均年降雨量大于1000mm、多年均年径流系数大于0.35的流域，其值在120～150mm。

    B 流域蓄水容量 分布曲线指数 0.1～0.5 反映流域上蓄水容量分布的不均匀性，对于大多数流域可取0.1～0.5之间的值。

    IM 不透水层

    占全流域面积之比 干旱期降小雨，所产生的小洪水其径流值。天然流域0.01～0.02，市区、沼泽区较大。

    水源划分计算 SM 自由水平均蓄水容量 10～50 该值与地址结构有关。可取值在10～50mm。

    EX 自由水分布曲线指数 1～2 反应分布不均匀程度。可取值在1～2。

    KI 自由水箱壤中流 KI+KG=0.7 此两个系数与土层结构、流域面积有关，一般湿润地区可取KI与KG之和为0.7。

    KG 地下水出流系数

    汇流计算 CI 壤中流线性水库汇流系数 0.8～0.95 当时段长为1小时时常可取0.8～0.95。

    CG 地下水线性水库汇流系数 0.93～0.995 当时段长为1小时时常可取0.93～0.995。

    CS 马斯京根法河段传播时间 常划分河段使河段传播时间等于时段长。

    L 马斯京根法流量比重系数 0～0.5 其值反映洪水波的坦化程度，取值在0～0.5。

    X 马法参数流量比重因子 X反应坦化，计算时段长反映平移，所以率定参数MP（马法分段演算的河段数）

    MP 马法参数流量传播时间

    1.3模型的适用条件

    三水源新安江模型适合湿润半湿润的地区；因为模型不考虑包气带调蓄作用并且水源划分的结构也不尽合理，特别是当地下径流与壤中流所占比例比较大的流域，问题更更加突出。

    2、陕北模型（SB）

    陕西模型在新安江模型逆向思维的基础上，建立流域水文模型。由赵人俊教授等对陕北黄土高原径流实验站的进行实验进行确立推论，实验建立模型，称为陕北模型。该模型适用于干旱地区或超级渗流主要地区。

    2.1模型的简介

    陕西模型考虑降雨和下垫面分布的不均匀性，将流域分为若干块单元面积；并将每块单元面积可分为不透水面积和透水面积，并在透水面积扣除蒸散发后，进行计算径流；从不透水面积上降雨扣除的时候不透水面积降雨径流蒸发。该模型适用于干旱或者半干旱地区。模型结构见图陕北模型结构图2.1。

    2.2模型参数的取用

    陕西模型因为超级渗流模型对降雨强度非常敏感，流域陡坡，洪水随着急剧下降，因此应用这种模型时间通常需2～5 min。参数的取用在现实中有时不是观测值或其代表不好，可以使用测量值或类似经验取得参数，进行模型计算，然后与实测过程相比，使调试优化、基于最小误差原理模型和确定其最优值，下面就陕北模型的主要11个参数可参照下表2-1取用。

    表2-1

    序号 符号 符号含义 建 议 取用值 取用说明

    1 KC 蒸散发能力折算系数 实际计算中该值变化大，需调试确定。

    2 θm 张力水蓄水容量 60～80 用于计算初始土壤含水量，取60～80mm。

    3 FB 不透水面积占全流域面积的比例 一般取用

    4 f0 霍尔顿公式初始下渗能力 1.0～2.0 一般取用1.0～2.0mm/min。

    5 fc 霍尔顿公式稳定下渗率 0.3～0.5 一般取用0.3～0.5mm/min。

    6 k 霍尔顿下渗曲线方程系数 0.04～0.05 一般取用0.04～0.05mm/min。

    7 B 流域水容量-面积 分布曲线方次 根据实际情况采用

    8 CS 地面径流消退系数 根据实际情况采用

    9 L 滞时 根据实际情况采用

    10 KE 马斯京根法演算参数 取用时段长在2～5min。

    11 XE 马斯京根法演算参数 根据实际情况采用

    2.3模型的适用条件

    模型适用于陕西省黄土高原，该地区的自然地理条件复杂，暴雨在时间和空间分布不均，雨量站和水文网络密度非常稀疏， 干旱地区或是以超产流为主地区。

    3.水箱模型

    水箱模型也被称为坦克模型，也称为黑箱模型，该模型首先由日本菅原正巳博士提出， 70年代初，坦克模型世界各地广泛应用；水箱模型的过程是通过降雨的降雨径流模型来计算径流过程；该模型应用在中国的南部，效果很好，但是在北方应用程序相对较少，仅为洪水预报方法的补充。

    3.1模型的简介

    坦克模型属于概念性水文模型，这是复杂的降雨径流过程简单慨化为流域的蓄水与出流关系进行模拟，是概念简单，方便计算， 结构灵活的特点，模型有很强的适应性，是一种间接模型，适合所有类型的流域，各种各样的气候和地形条件。本文只对两层水箱模型进行阐述，应用与一般洪水预报，水箱模型结构图见下图（3-1） 。

    3.1模型参数的选用

    两层水箱模型的输入通常是一个小时或几个小时的平均降雨和蒸发资料，输出也是对应时段的流域出口断面的流量。计算时段△T的选择可参照表3-1。

    表3-1

    流域面积（km2） 计算时段△T（h） 流域面积（km2） 计算时段△T（h）

    10 1/6 2000 2

    25 1/4 5000 3

    100 1/2 8000 4

    500 1 20000 6

    水箱模型有三类参数，即边孔高度X、边孔出流系数a和下渗孔的出流系数b。由试算法确定。下表3-2根据经验给出一些模型的初值，并与实测过程比较，逐步调整各参数值，使值最优为止。

    表3-2

    序号 符号 符号含义 建议取用初始值 序号 符号 符号含义 建议取用初始值

    1 a0 第一层下渗孔的出流系数 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

    2 a1 第一层出流系数1 0.005～0.1 7 e 流域蒸发折算系数 0.15～0.85

    3 a2 第一层出流系数2 0.05～0.2 8 h1 第一层水深1

    4 b0 第二层下渗孔的出流系数 0～0.2 9 h2 第一层水深2

    5 b1 第二层出流系数 10 h3 第二层水深

    3.3模型的适用条件

    坦克模型是一种间接的模拟，没有直接的物理量，但结构简单、弹性好，广泛使用。但对于较大的流域或干旱地区，该模型不能处理流域降雨的不均匀分布，径流变化的区域，土壤水分对降水的影响损失和调节作用，较大的河流和带来较大误差， 但对水文预报是一个很好的补充。

    4.结论

    本文对三种模型三水源新安江模型（SXAJ）、陕北模型（SB）、两箱水箱模型（Tank）的常用参数初始值的选用、适用条件进行了简单的阐述，希望对使用者能有所帮助。

    [参考文献]

    [1] 赵人俊.流域水文模拟-新安江模型与陕北模型[M].北京：水利电力出版社，1984.

    [2] 包为民.水文预报[M].北京：水利电力出版社，2006.

    4 f0 霍尔顿公式初始下渗能力 1.0～2.0 一般取用1.0～2.0mm/min。

    5 fc 霍尔顿公式稳定下渗率 0.3～0.5 一般取用0.3～0.5mm/min。

    6 k 霍尔顿下渗曲线方程系数 0.04～0.05 一般取用0.04～0.05mm/min。

    7 B 流域水容量-面积 分布曲线方次 根据实际情况采用

    8 CS 地面径流消退系数 根据实际情况采用

    9 L 滞时 根据实际情况采用

    10 KE 马斯京根法演算参数 取用时段长在2～5min。

    11 XE 马斯京根法演算参数 根据实际情况采用

    2.3模型的适用条件

    模型适用于陕西省黄土高原，该地区的自然地理条件复杂，暴雨在时间和空间分布不均，雨量站和水文网络密度非常稀疏， 干旱地区或是以超产流为主地区。

    3.水箱模型

    水箱模型也被称为坦克模型，也称为黑箱模型，该模型首先由日本菅原正巳博士提出， 70年代初，坦克模型世界各地广泛应用；水箱模型的过程是通过降雨的降雨径流模型来计算径流过程；该模型应用在中国的南部，效果很好，但是在北方应用程序相对较少，仅为洪水预报方法的补充。

    3.1模型的简介

    坦克模型属于概念性水文模型，这是复杂的降雨径流过程简单慨化为流域的蓄水与出流关系进行模拟，是概念简单，方便计算， 结构灵活的特点，模型有很强的适应性，是一种间接模型，适合所有类型的流域，各种各样的气候和地形条件。本文只对两层水箱模型进行阐述，应用与一般洪水预报，水箱模型结构图见下图（3-1） 。

    3.1模型参数的选用

    两层水箱模型的输入通常是一个小时或几个小时的平均降雨和蒸发资料，输出也是对应时段的流域出口断面的流量。计算时段△T的选择可参照表3-1。

    表3-1

    流域面积（km2） 计算时段△T（h） 流域面积（km2） 计算时段△T（h）

    10 1/6 2000 2

    25 1/4 5000 3

    100 1/2 8000 4

    500 1 20000 6

    水箱模型有三类参数，即边孔高度X、边孔出流系数a和下渗孔的出流系数b。由试算法确定。下表3-2根据经验给出一些模型的初值，并与实测过程比较，逐步调整各参数值，使值最优为止。

    表3-2

    序号 符号 符号含义 建议取用初始值 序号 符号 符号含义 建议取用初始值

    1 a0 第一层下渗孔的出流系数 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

    2 a1 第一层出流系数1 0.005～0.1 7 e 流域蒸发折算系数 0.15～0.85

    3 a2 第一层出流系数2 0.05～0.2 8 h1 第一层水深1

    4 b0 第二层下渗孔的出流系数 0～0.2 9 h2 第一层水深2

    5 b1 第二层出流系数 10 h3 第二层水深

    3.3模型的适用条件

    坦克模型是一种间接的模拟，没有直接的物理量，但结构简单、弹性好，广泛使用。但对于较大的流域或干旱地区，该模型不能处理流域降雨的不均匀分布，径流变化的区域，土壤水分对降水的影响损失和调节作用，较大的河流和带来较大误差， 但对水文预报是一个很好的补充。

    4.结论

    本文对三种模型三水源新安江模型（SXAJ）、陕北模型（SB）、两箱水箱模型（Tank）的常用参数初始值的选用、适用条件进行了简单的阐述，希望对使用者能有所帮助。

    [参考文献]

    [1] 赵人俊.流域水文模拟-新安江模型与陕北模型[M].北京：水利电力出版社，1984.

    [2] 包为民.水文预报[M].北京：水利电力出版社，2006.

    4 f0 霍尔顿公式初始下渗能力 1.0～2.0 一般取用1.0～2.0mm/min。

    5 fc 霍尔顿公式稳定下渗率 0.3～0.5 一般取用0.3～0.5mm/min。

    6 k 霍尔顿下渗曲线方程系数 0.04～0.05 一般取用0.04～0.05mm/min。

    7 B 流域水容量-面积 分布曲线方次 根据实际情况采用

    8 CS 地面径流消退系数 根据实际情况采用

    9 L 滞时 根据实际情况采用

    10 KE 马斯京根法演算参数 取用时段长在2～5min。

    11 XE 马斯京根法演算参数 根据实际情况采用

    2.3模型的适用条件

    模型适用于陕西省黄土高原，该地区的自然地理条件复杂，暴雨在时间和空间分布不均，雨量站和水文网络密度非常稀疏， 干旱地区或是以超产流为主地区。

    3.水箱模型

    水箱模型也被称为坦克模型，也称为黑箱模型，该模型首先由日本菅原正巳博士提出， 70年代初，坦克模型世界各地广泛应用；水箱模型的过程是通过降雨的降雨径流模型来计算径流过程；该模型应用在中国的南部，效果很好，但是在北方应用程序相对较少，仅为洪水预报方法的补充。

    3.1模型的简介

    坦克模型属于概念性水文模型，这是复杂的降雨径流过程简单慨化为流域的蓄水与出流关系进行模拟，是概念简单，方便计算， 结构灵活的特点，模型有很强的适应性，是一种间接模型，适合所有类型的流域，各种各样的气候和地形条件。本文只对两层水箱模型进行阐述，应用与一般洪水预报，水箱模型结构图见下图（3-1） 。

    3.1模型参数的选用

    两层水箱模型的输入通常是一个小时或几个小时的平均降雨和蒸发资料，输出也是对应时段的流域出口断面的流量。计算时段△T的选择可参照表3-1。

    表3-1

    流域面积（km2） 计算时段△T（h） 流域面积（km2） 计算时段△T（h）

    10 1/6 2000 2

    25 1/4 5000 3

    100 1/2 8000 4

    500 1 20000 6

    水箱模型有三类参数，即边孔高度X、边孔出流系数a和下渗孔的出流系数b。由试算法确定。下表3-2根据经验给出一些模型的初值，并与实测过程比较，逐步调整各参数值，使值最优为止。

    表3-2

    序号 符号 符号含义 建议取用初始值 序号 符号 符号含义 建议取用初始值

    1 a0 第一层下渗孔的出流系数 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

    2 a1 第一层出流系数1 0.005～0.1 7 e 流域蒸发折算系数 0.15～0.85

    3 a2 第一层出流系数2 0.05～0.2 8 h1 第一层水深1

    4 b0 第二层下渗孔的出流系数 0～0.2 9 h2 第一层水深2

    5 b1 第二层出流系数 10 h3 第二层水深

    3.3模型的适用条件

    坦克模型是一种间接的模拟，没有直接的物理量，但结构简单、弹性好，广泛使用。但对于较大的流域或干旱地区，该模型不能处理流域降雨的不均匀分布，径流变化的区域，土壤水分对降水的影响损失和调节作用，较大的河流和带来较大误差， 但对水文预报是一个很好的补充。

    4.结论

    本文对三种模型三水源新安江模型（SXAJ）、陕北模型（SB）、两箱水箱模型（Tank）的常用参数初始值的选用、适用条件进行了简单的阐述，希望对使用者能有所帮助。

    [参考文献]

    [1] 赵人俊.流域水文模拟-新安江模型与陕北模型[M].北京：水利电力出版社，1984.

    [2] 包为民.水文预报[M].北京：水利电力出版社，2006.