常用洪水預(yù)報模型介紹

1、l19631963年年，提出提出了了濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主的觀點濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主的觀點l19731973年，設(shè)計了國內(nèi)第一個完整的流域水文模型年，設(shè)計了國內(nèi)第一個完整的流域水文模型新新安江流域水文模型安江流域水文模型l19781978年年，國外，國外出版出版了了山坡水文學(xué)山坡水文學(xué)l8080年代中期，改進提出了三水源新安江模型年代中期，改進提出了三水源新安江模型蒸散發(fā)計算采用三層模型蒸散發(fā)計算采用三層模型產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流理論產(chǎn)流計算采用蓄滿產(chǎn)流理論徑流劃分采用自由水蓄水庫徑流劃分采用自由水蓄水庫匯流計算采用線性水庫匯流計算采用線性水庫四四 層層 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)特別說明：河道匯流采用馬斯京

2、根分段連續(xù)演算或滯后演算法，但它一般不作為新安江模型的主體三層蒸發(fā)模式三層蒸發(fā)模式 輸入：蒸發(fā)皿實測水面蒸發(fā)輸入：蒸發(fā)皿實測水面蒸發(fā)E0 流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)K 參數(shù)：上下深三層張力水蓄水容量參數(shù)：上下深三層張力水蓄水容量WUM、WLM、WDM （和為流域平均張力水蓄水容量（和為流域平均張力水蓄水容量WM） 深層蒸散發(fā)系數(shù)深層蒸散發(fā)系數(shù)C 輸出：三層蒸散發(fā)量輸出：三層蒸散發(fā)量EU、EL、ED（和為流域蒸散發(fā)（和為流域蒸散發(fā)E） 三層張力水容量三層張力水容量WU、WL、WD（和為張力水（和為張力水W）計算公式：計算公式：三三 階階 段段上夠蒸；上夠蒸；上不夠下夠；上不夠下

3、夠；上下都不夠蒸深上下都不夠蒸深EP=KE0當當 P+WUEP時，時，EU=EP、EL=0、ED=0當當 P+WUCWLM 則則 EL=(EP-EU)WL/WLM、ED=0 若若WLCWLM 且且 WLC(EP-EU) 則則 EL=C(EP-EU)，ED=0 若若WLCWLM 且且 WL0時才產(chǎn)流時才產(chǎn)流PE + A WmmPE + A 0時才出流時才出流R+ AU MSR + AU MS流域匯流計算包括流域匯流計算包括坡地坡地和和河網(wǎng)河網(wǎng)兩個匯流階段兩個匯流階段 坡地坡地匯流：劃分的匯流：劃分的RS，認為可忽，認為可忽略坡面匯流時間，直接進入河網(wǎng)形略坡面匯流時間，直接進入河網(wǎng)形成成TRS；底

4、孔出流量底孔出流量RG和邊孔出流和邊孔出流量量RI分別進入各自的水庫，并按線分別進入各自的水庫，并按線性水庫的退水規(guī)律流出（消退系數(shù)性水庫的退水規(guī)律流出（消退系數(shù)CG和和CI），分別成為地下水對河網(wǎng)），分別成為地下水對河網(wǎng)總?cè)肓骺側(cè)肓鱐RG和壤中流總?cè)肓骱腿乐辛骺側(cè)肓鱐RI 河網(wǎng)河網(wǎng)匯流：采用線性水庫或滯后演算法匯流：采用線性水庫或滯后演算法 （1 1）K：流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與：流域蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與實測水面蒸發(fā)值之比。大體上反映氣候和自然地理條件的影響實測水面蒸發(fā)值之比。大體上反映氣候和自然地理條件的影響，具有較為明顯的區(qū)域性規(guī)律。此參數(shù)控制著總

5、的水量平衡，具有較為明顯的區(qū)域性規(guī)律。此參數(shù)控制著總的水量平衡，對蒸散發(fā)計算進而對產(chǎn)流量計算的影響最為重要和敏感。包括對蒸散發(fā)計算進而對產(chǎn)流量計算的影響最為重要和敏感。包括蒸發(fā)皿到真實水面蒸發(fā)、水面蒸發(fā)到土壤蒸發(fā)能力、蒸發(fā)觀測蒸發(fā)皿到真實水面蒸發(fā)、水面蒸發(fā)到土壤蒸發(fā)能力、蒸發(fā)觀測地點到流域平均蒸發(fā)能力的折算。地點到流域平均蒸發(fā)能力的折算。 若采用若采用E601型蒸發(fā)皿測的蒸發(fā)型蒸發(fā)皿測的蒸發(fā)E，則可作為，則可作為EP的初始值，的初始值，K則需要根據(jù)高程適當修訂，一般隨高程增加而減小。由于蒸則需要根據(jù)高程適當修訂，一般隨高程增加而減小。由于蒸發(fā)觀測站多在流域出口斷面，因此其取值范圍發(fā)觀測站多在流

6、域出口斷面，因此其取值范圍0.81.0之間。之間。 其率定一般需要至少其率定一般需要至少4年以上資料，且應(yīng)先固定其余參數(shù)，年以上資料，且應(yīng)先固定其余參數(shù)，單獨率定此參數(shù)，目標函數(shù)設(shè)置為多年水量平衡計算。單獨率定此參數(shù)，目標函數(shù)設(shè)置為多年水量平衡計算。 （2 2）WM：流域平均張力水蓄水容量，為氣候參數(shù)，反映流：流域平均張力水蓄水容量，為氣候參數(shù)，反映流域干旱程度。域干旱程度。 WM=WUM+WLM+WDM。利用久旱以后下大雨。利用久旱以后下大雨的資料，在雨前可認為蓄水量為的資料，在雨前可認為蓄水量為0，雨后可認為已蓄滿，則此次，雨后可認為已蓄滿，則此次洪水的總損失量就是洪水的總損失量就是WM。

7、 WM率定范圍：濕潤地區(qū)率定范圍：濕潤地區(qū)100150mm、半濕潤地區(qū)、半濕潤地區(qū)150200mm，也可直接給定，不用率定（濕潤，也可直接給定，不用率定（濕潤120，半濕潤，半濕潤170）。）。 WUM一般一般520mm，植被很好，植被很好20mm，植被很差，植被很差5mm。對。對蒸發(fā)量計算進而對產(chǎn)流量計算有些影響，系統(tǒng)中蒸發(fā)量計算進而對產(chǎn)流量計算有些影響，系統(tǒng)中WUMx 為為WUM占占WM的比例，視具體情況選定率定范圍，一般選的比例，視具體情況選定率定范圍，一般選0.100.15。 WLM、WDM影響很小，影響很小，WLM一般一般6090mm。WLMx率定率定范圍范圍0.600.90（WLM

8、x 為為WLM占（占（WM-WUM）的比例）。的比例）。 （3 3）B：張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，為地形地質(zhì)參：張力水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，為地形地質(zhì)參數(shù)，反映流域張力水蓄水分布的不均勻程度，一般數(shù)，反映流域張力水蓄水分布的不均勻程度，一般0.10.5。流。流域內(nèi)地形地貌地質(zhì)情況差異越大，值越大；流域越大，值越大域內(nèi)地形地貌地質(zhì)情況差異越大，值越大；流域越大，值越大。很小流域。很小流域(幾幾km2)值為值為0.1左右，中等流域左右，中等流域(1001000km2)的為的為0.20.3左右，較大面積左右，較大面積(數(shù)千數(shù)千km2)的值為的值為0.4左右。左右。 （4 4）C：深層蒸散發(fā)

9、系數(shù)，取決于深根植物覆蓋面積占流域：深層蒸散發(fā)系數(shù)，取決于深根植物覆蓋面積占流域面積的比例。植被根系越發(fā)達深層蒸發(fā)越大。一般經(jīng)驗，江南面積的比例。植被根系越發(fā)達深層蒸發(fā)越大。一般經(jīng)驗，江南濕潤地區(qū)值約在濕潤地區(qū)值約在0.150.20，而在華北半濕潤地區(qū)則在，而在華北半濕潤地區(qū)則在0.080.12左右。左右。 （5 5）IM：為不透水面積占全流域面積之比。干旱期降一場?。簽椴煌杆娣e占全流域面積之比。干旱期降一場小雨，所產(chǎn)生的小洪水認為完全是不透水面積上產(chǎn)生的，其徑流雨，所產(chǎn)生的小洪水認為完全是不透水面積上產(chǎn)生的，其徑流系數(shù)即系數(shù)即IM。天然流域。天然流域0.010.02，城市區(qū)、水面沼澤區(qū)較大

10、。，城市區(qū)、水面沼澤區(qū)較大。 （6 6）SM：流域平均自由水蓄水容量，反映表層土（即腐植：流域平均自由水蓄水容量，反映表層土（即腐植土層）的蓄水能力，植被越好土層越厚，值越大。但受降雨資土層）的蓄水能力，植被越好土層越厚，值越大。但受降雨資料時段均化影響明顯，時段越短料時段均化影響明顯，時段越短SM越大，因為時段越短越不容越大，因為時段越短越不容易產(chǎn)生地表徑流。其不但決定了地表徑流的多少，影響洪峰形易產(chǎn)生地表徑流。其不但決定了地表徑流的多少，影響洪峰形態(tài)，且對地表徑流與地下徑流的比重起決定作用。態(tài)，且對地表徑流與地下徑流的比重起決定作用。 SM小，自由水蓄水能力就小，則溢出多，即小，自由水蓄水

11、能力就小，則溢出多，即RS多，且多蓄多，且多蓄于淺層，則產(chǎn)生于淺層，則產(chǎn)生RI多，產(chǎn)生多，產(chǎn)生RG少；少；SM大，蓄水能力就大，溢大，蓄水能力就大，溢出就少，即出就少，即RS少，蓄水除淺層外還能到深層，能產(chǎn)生較多少，蓄水除淺層外還能到深層，能產(chǎn)生較多RG，而而RI變化不大。日模率定范圍變化不大。日模率定范圍1020，次模，次模2050。 （7 7）EX：自由水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，反映流域自由：自由水蓄水容量面積分布曲線指數(shù)，反映流域自由水蓄水分布的不均勻程度，大體反映了飽和坡面流產(chǎn)流面積的水蓄水分布的不均勻程度，大體反映了飽和坡面流產(chǎn)流面積的發(fā)展過程。其值一般取發(fā)展過程。其值一般取1.0

12、1.5，由于不敏感且變幅不大，可取，由于不敏感且變幅不大，可取定值定值1.5。 （8 8、9 9）KG、KI：自由水蓄水庫對地下徑流和壤中流的出流：自由水蓄水庫對地下徑流和壤中流的出流系數(shù)，是并聯(lián)的。系數(shù)，是并聯(lián)的。KG反映基巖和深層土壤的滲透性，反映基巖和深層土壤的滲透性，KI反映表反映表層土的滲透性。層土的滲透性。KG+KI代表自由水出流的快慢，代表自由水出流的快慢，KG/KI代表地下代表地下徑流與壤中流之比（徑流與壤中流之比（RG/RI），對具體流域一般都為固定值。），對具體流域一般都為固定值。 一般雨止到洪水消退歷時為一般雨止到洪水消退歷時為3天，則天，則1-(KG+KI)30可得可得

13、KG +KI=0.7。若。若KG+KI =0.8，表示歷時為，表示歷時為2天。當歷時超過天。當歷時超過3天時，天時，表示深層壤中流在起作用，則不需要調(diào)整表示深層壤中流在起作用，則不需要調(diào)整KG+KI值，而用壤中值，而用壤中流消退系數(shù)流消退系數(shù)CI來處理。來處理。 上述為日模（上述為日模（24h），若轉(zhuǎn)換為次模（一天分為），若轉(zhuǎn)換為次模（一天分為D個時段）個時段），則公式為：，則公式為： （1010）CI：深層壤中流水庫消退系數(shù)，控制壤中流退水形態(tài)：深層壤中流水庫消退系數(shù)，控制壤中流退水形態(tài)，決定洪水尾部退水的快慢。如無深層壤中流時，決定洪水尾部退水的快慢。如無深層壤中流時，CI趨于零。趨于零。

14、當深層壤中流很豐富時，當深層壤中流很豐富時， CI趨于趨于0.9，相當匯流時間約為，相當匯流時間約為10天。天。 其作用是彌補其作用是彌補KG+KI =0.7的不足，對整個洪水過程的影響的不足，對整個洪水過程的影響，遠不如，遠不如SM、KG/KI明顯。明顯。 （1111）CG：地下水庫消退系數(shù)，反映地下水退水的快慢?？桑旱叵滤畮煜讼禂?shù)，反映地下水退水的快慢?？筛鶕?jù)枯季地下徑流的退水規(guī)律推求，根據(jù)枯季地下徑流的退水規(guī)律推求， CG =Qt+t/Qt。如以日為時。如以日為時段長，則段長，則 CG=0.9500.998，相當于退水歷時，相當于退水歷時20500天。天。 上述為日模（上述為日模（24

15、h），若轉(zhuǎn)換為次模（一天分為），若轉(zhuǎn)換為次模（一天分為D個時段）個時段），則公式為：，則公式為： （1212、1313）CS、L：河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)、滯后時間，滯后演算：河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)、滯后時間，滯后演算法參數(shù)，反映洪水過程的坦化和平移程度，取決于河網(wǎng)地貌條法參數(shù)，反映洪水過程的坦化和平移程度，取決于河網(wǎng)地貌條件。件。 （1414、1515）X、KK：河道匯流分段馬法參數(shù)流量比重因子和：河道匯流分段馬法參數(shù)流量比重因子和傳播時間，取決于河道特征和水利條件，傳播時間，取決于河道特征和水利條件，X反映坦化，反映坦化， KK反映反映平移。由于實際應(yīng)用中都令平移。由于實際應(yīng)用中都令KK=t（即計算時段

16、長），所以系統(tǒng)（即計算時段長），所以系統(tǒng)不率定不率定KK，而率定參數(shù)，而率定參數(shù)MP（馬法分段演算的河段數(shù)）。（馬法分段演算的河段數(shù)）。 蓄滿產(chǎn)流、一個水庫、兩條曲線、三種水源蓄滿產(chǎn)流、一個水庫、兩條曲線、三種水源 馬斯京根法馬斯京根法( (Muskingum) )是美國人麥卡錫是美國人麥卡錫( (G. T. McCarthy) )于于19381938年提出，因最早應(yīng)用于美國馬斯京根河而得年提出，因最早應(yīng)用于美國馬斯京根河而得名，是一種經(jīng)典的的河道匯流計算方法。該法將圣維南方程組名，是一種經(jīng)典的的河道匯流計算方法。該法將圣維南方程組中的連續(xù)方程簡化為水量平衡方程，把動力方程簡化為馬斯京中的連續(xù)

17、方程簡化為水量平衡方程，把動力方程簡化為馬斯京根法的槽蓄方程，并聯(lián)立求解而得到演算方程。經(jīng)過幾十年的根法的槽蓄方程，并聯(lián)立求解而得到演算方程。經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，已形成了許多不同的應(yīng)用形式，下面介紹主要的應(yīng)用和發(fā)展，已形成了許多不同的應(yīng)用形式，下面介紹主要的演算形式。演算形式。 在無區(qū)間入流情況下，河段某一時段的在無區(qū)間入流情況下，河段某一時段的水量平衡方程水量平衡方程為：為： 河段蓄水量與流量關(guān)系的河段蓄水量與流量關(guān)系的槽蓄方程槽蓄方程，一般可概括為：，一般可概括為：W=f(I,Q)馬法采用下式表示槽蓄方程：馬法采用下式表示槽蓄方程：式中：式中：K為蓄量參數(shù)，蓄量流量關(guān)系曲線（槽蓄曲線）

18、的坡度；為蓄量參數(shù)，蓄量流量關(guān)系曲線（槽蓄曲線）的坡度；x稱為流量比重因子，表示上、下斷面流量在槽蓄量中的相稱為流量比重因子，表示上、下斷面流量在槽蓄量中的相對權(quán)重，一定程度上反映了楔蓄對流量演算的作用，如果對權(quán)重，一定程度上反映了楔蓄對流量演算的作用，如果槽蓄作用大，則槽蓄作用大，則x大，反之大，反之x??；小；Q為示儲流量。為示儲流量。QKOxxIKW)1 (聯(lián)立兩式求解，可得到馬斯京根流量演算公式：聯(lián)立兩式求解，可得到馬斯京根流量演算公式：tKxKtKxKCtKxKKxtCtKxKKxtC5 . 05 . 05 . 05 . 05 . 05 . 02101211202OCICICO式中：式

19、中：C0、C1和和C2為馬斯京根洪水演算方法的演算系數(shù)，都為馬斯京根洪水演算方法的演算系數(shù)，都是是K、x和和t的函數(shù)，且的函數(shù)，且C0+C1+C2 =1。 馬法假定馬法假定K和和x都是常數(shù)，這就要求河段蓄量都是常數(shù)，這就要求河段蓄量W與示儲流與示儲流量量Q成單一線性關(guān)系，這只有成單一線性關(guān)系，這只有Q等于該槽蓄量的恒定流流量等于該槽蓄量的恒定流流量Q0時才滿足，所以示儲流量時才滿足，所以示儲流量Q的物理意義就是恒定流流量的物理意義就是恒定流流量Q0。 K=dW/dQ，即槽蓄曲線的坡度，而，即槽蓄曲線的坡度，而dW/dQ=dW/dQ0，即，即K等于相應(yīng)蓄量等于相應(yīng)蓄量W下恒定流狀態(tài)的河段傳播時間

20、下恒定流狀態(tài)的河段傳播時間0，這才是，這才是K的物理意義。在洪水演算中，的物理意義。在洪水演算中，K主要體現(xiàn)洪水過程的平移。主要體現(xiàn)洪水過程的平移。QKOxxIKW)1 (（1）K 馬法要求流量在計算時段馬法要求流量在計算時段t內(nèi)沿河長呈直線變化。若時段內(nèi)沿河長呈直線變化。若時段小于河道傳播時間，則會出現(xiàn)計算時段末洪水波的峰、谷位于小于河道傳播時間，則會出現(xiàn)計算時段末洪水波的峰、谷位于河段中間，這就要求河段中間，這就要求t K；而馬法又要求計算斷面的流量在；而馬法又要求計算斷面的流量在時段內(nèi)接近直線變化，這又要求時段內(nèi)接近直線變化，這又要求t K。為了避免出現(xiàn)負出流。為了避免出現(xiàn)負出流等不合理

21、現(xiàn)象，保證上、下斷面的流量在計算時段內(nèi)呈線性變等不合理現(xiàn)象，保證上、下斷面的流量在計算時段內(nèi)呈線性變化和在任何時刻流量在時段內(nèi)沿程呈線性變化，一般要求化和在任何時刻流量在時段內(nèi)沿程呈線性變化，一般要求t=K。在系統(tǒng)中率定時，直接取在系統(tǒng)中率定時，直接取K值為值為t即可即可。（1）K 馬法在建立槽蓄曲線時，引入馬法在建立槽蓄曲線時，引入x（流量比重系數(shù)），而特（流量比重系數(shù)），而特征河長法（存在一個河長，使征河長法（存在一個河長，使W、Q成單值關(guān)系）引入成單值關(guān)系）引入l（特（特征河長。征河長。經(jīng)分析推導(dǎo)，可得：經(jīng)分析推導(dǎo)，可得：x分兩部分：分兩部分： x1為水面為水面曲線形狀，反映楔蓄大小曲線

22、形狀，反映楔蓄大小（一般天然河道其值為（一般天然河道其值為1/2）；）；L/l，為河段，為河段L按按l分成的段數(shù)，反映河段分成的段數(shù)，反映河段調(diào)蓄能力。調(diào)蓄能力。（2）x 在洪水演算中，在洪水演算中，x主要體現(xiàn)洪水過程的坦化。主要體現(xiàn)洪水過程的坦化。x值越小表明值越小表明河段槽蓄作用越大，演算出的過程線坦化程度越大。例如，河段槽蓄作用越大，演算出的過程線坦化程度越大。例如，對對水庫而言，槽蓄作用大，入流量水庫而言，槽蓄作用大，入流量I不起作用不起作用，過程線坦化程度，過程線坦化程度很大，則很大，則x0；若河段上、下斷面流量相等，即河段沒有槽蓄，；若河段上、下斷面流量相等，即河段沒有槽蓄，則過程線沒有坦化，則過程線沒有坦化，x=0.5；絕大多數(shù)河流；絕大多數(shù)河流x=00.5之間，在河之間，在河網(wǎng)區(qū)或坡度很緩的河段會出現(xiàn)網(wǎng)區(qū)或坡度很緩的河段會出現(xiàn)Ll，則，則xIm時，則以時，則以Im作作Pa值計算，即認為，此后的降雨量值計算，即認為，此后的降雨量P不再補充初損量，全部不再補充初損量，全部形成徑流形成