淺析流域常用水文模型

張海波

模型是一個復雜系統的簡化表達式，水文模型是一個復雜的水文系統的簡化。流域水文模型是水文科學的重要手段和方法之一，是水文自然規律研究的主要工具，是解決實際問題、徑流理論和計算機科學的結合，基于流域為研究對象的數學方法來描述水文循環的仿真過程。現在流域模型根據不同分類方法在國內外有很多分類，本文將分析三水源新安江模型（SXAJ）、陜北模型（SB）、水箱模型（Tank），常用參數的選擇、適用條件，用戶可以根據具體流域的實際情況，選擇適當的流域水文模型，在滿足精度要求，選擇計算和更方便使用流域水文模型，以簡化用戶的勞動強度。

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，使用蓄滿產流的概念，由趙人俊教授領導的研究小組設計的第一個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，到目前為止已經形成完整的結構，良好的流域水文模型的應用效果，被聯合國教科文組織國際推廣模式，因此本文只介紹三水源的新安江模型

1.1模型的簡介

新安江模型是分布式水文流域模型， 可用于濕潤地區與半濕潤地區；可簡述為“蓄滿產流、一個水庫、兩條曲線、三種水源”；流域蒸發計算模型與三層蒸發、徑流計算方法根據存儲的概念，產流計算；當流域面積較小，一個集總模型，當面積較大，塊模型；根據流域分為自然分水嶺分割方法，泰森多邊形法等，它將整個流域劃分為許多單元流域，為每個單元流域產匯流計算；總徑流組成是地面徑流、壤中流和地下徑流；模型結構如圖1.1所示系統的新安江模型結構。

新安江模型結構圖（1.1）

1.2模型參數的取用

模型參數是具有物理意義，所以原則上可以定量，通過實測、試驗和參考類似流域獲得相關參數。

下面就三江源新安江模型的17個參數可參照下表1-1取用。

表1-1

參數分類 符號 符號含義 建 議 取用值 取用說明

蒸散發 計算 K 蒸散發折算系數 1 用E601觀測，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 深層蒸散發系數 0.09～0.2 濕潤地區0.15～0.20，半濕潤地區0.09～0.12。

產 流 計 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 0.1～0.5 反映流域上蓄水容量分布的不均勻性，對于大多數流域可取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，所產生的小洪水其徑流值。天然流域0.01～0.02，市區、沼澤區較大。

水源劃分計算 SM 自由水平均蓄水容量 10～50 該值與地址結構有關。可取值在10～50mm。

EX 自由水分布曲線指數 1～2 反應分布不均勻程度。可取值在1～2。

KI 自由水箱壤中流 KI+KG=0.7 此兩個系數與土層結構、流域面積有關，一般濕潤地區可取KI與KG之和為0.7。

KG 地下水出流系數

匯流計算 CI 壤中流線性水庫匯流系數 0.8～0.95 當時段長為1小時時常可取0.8～0.95。

CG 地下水線性水庫匯流系數 0.93～0.995 當時段長為1小時時常可取0.93～0.995。

CS 馬斯京根法河段傳播時間 常劃分河段使河段傳播時間等于時段長。

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

X 馬法參數流量比重因子 X反應坦化，計算時段長反映平移，所以率定參數MP（馬法分段演算的河段數）

MP 馬法參數流量傳播時間

1.3模型的適用條件

三水源新安江模型適合濕潤半濕潤的地區；因為模型不考慮包氣帶調蓄作用并且水源劃分的結構也不盡合理，特別是當地下徑流與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上，建立流域水文模型。由趙人俊教授等對陜北黃土高原徑流實驗站的進行實驗進行確立推論，實驗建立模型，稱為陜北模型。該模型適用于干旱地區或超級滲流主要地區。

2.1模型的簡介

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后，進行計算徑流；從不透水面積上降雨扣除的時候不透水面積降雨徑流蒸發。該模型適用于干旱或者半干旱地區。模型結構見圖陜北模型結構圖2.1。

2.2模型參數的取用

陜西模型因為超級滲流模型對降雨強度非常敏感，流域陡坡，洪水隨著急劇下降，因此應用這種模型時間通常需2～5 min。參數的取用在現實中有時不是觀測值或其代表不好，可以使用測量值或類似經驗取得參數，進行模型計算，然后與實測過程相比，使調試優化、基于最小誤差原理模型和確定其最優值，下面就陜北模型的主要11個參數可參照下表2-1取用。

表2-1

序號 符號 符號含義 建 議 取用值 取用說明

1 KC 蒸散發能力折算系數 實際計算中該值變化大，需調試確定。

2 θm 張力水蓄水容量 60～80 用于計算初始土壤含水量，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 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 根據實際情況采用

8 CS 地面徑流消退系數 根據實際情況采用

9 L 滯時 根據實際情況采用

10 KE 馬斯京根法演算參數 取用時段長在2～5min。

11 XE 馬斯京根法演算參數 根據實際情況采用

2.3模型的適用條件

模型適用于陜西省黃土高原，該地區的自然地理條件復雜，暴雨在時間和空間分布不均，雨量站和水文網絡密度非常稀疏， 干旱地區或是以超產流為主地區。

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用；水箱模型的過程是通過降雨的降雨徑流模型來計算徑流過程；該模型應用在中國的南部，效果很好，但是在北方應用程序相對較少，僅為洪水預報方法的補充。

3.1模型的簡介

坦克模型屬于概念性水文模型，這是復雜的降雨徑流過程簡單慨化為流域的蓄水與出流關系進行模擬，是概念簡單，方便計算， 結構靈活的特點，模型有很強的適應性，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。本文只對兩層水箱模型進行闡述，應用與一般洪水預報，水箱模型結構圖見下圖（3-1） 。

3.1模型參數的選用

兩層水箱模型的輸入通常是一個小時或幾個小時的平均降雨和蒸發資料，輸出也是對應時段的流域出口斷面的流量。計算時段△T的選擇可參照表3-1。

表3-1

流域面積（km2） 計算時段△T（h） 流域面積（km2） 計算時段△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，即邊孔高度X、邊孔出流系數a和下滲孔的出流系數b。由試算法確定。下表3-2根據經驗給出一些模型的初值，并與實測過程比較，逐步調整各參數值，使值最優為止。

表3-2

序號 符號 符號含義 建議取用初始值 序號 符號 符號含義 建議取用初始值

1 a0 第一層下滲孔的出流系數 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

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

3 a2 第一層出流系數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 0～0.2 9 h2 第一層水深2

5 b1 第二層出流系數 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，但結構簡單、彈性好，廣泛使用。但對于較大的流域或干旱地區，該模型不能處理流域降雨的不均勻分布，徑流變化的區域，土壤水分對降水的影響損失和調節作用，較大的河流和帶來較大誤差， 但對水文預報是一個很好的補充。

4.結論

本文對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）的常用參數初始值的選用、適用條件進行了簡單的闡述，希望對使用者能有所幫助。

[參考文獻]

[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.水文預報[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 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 根據實際情況采用

8 CS 地面徑流消退系數 根據實際情況采用

9 L 滯時 根據實際情況采用

10 KE 馬斯京根法演算參數 取用時段長在2～5min。

11 XE 馬斯京根法演算參數 根據實際情況采用

2.3模型的適用條件

模型適用于陜西省黃土高原，該地區的自然地理條件復雜，暴雨在時間和空間分布不均，雨量站和水文網絡密度非常稀疏， 干旱地區或是以超產流為主地區。

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用；水箱模型的過程是通過降雨的降雨徑流模型來計算徑流過程；該模型應用在中國的南部，效果很好，但是在北方應用程序相對較少，僅為洪水預報方法的補充。

3.1模型的簡介

坦克模型屬于概念性水文模型，這是復雜的降雨徑流過程簡單慨化為流域的蓄水與出流關系進行模擬，是概念簡單，方便計算， 結構靈活的特點，模型有很強的適應性，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。本文只對兩層水箱模型進行闡述，應用與一般洪水預報，水箱模型結構圖見下圖（3-1） 。

3.1模型參數的選用

兩層水箱模型的輸入通常是一個小時或幾個小時的平均降雨和蒸發資料，輸出也是對應時段的流域出口斷面的流量。計算時段△T的選擇可參照表3-1。

表3-1

流域面積（km2） 計算時段△T（h） 流域面積（km2） 計算時段△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，即邊孔高度X、邊孔出流系數a和下滲孔的出流系數b。由試算法確定。下表3-2根據經驗給出一些模型的初值，并與實測過程比較，逐步調整各參數值，使值最優為止。

表3-2

序號 符號 符號含義 建議取用初始值 序號 符號 符號含義 建議取用初始值

1 a0 第一層下滲孔的出流系數 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

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

3 a2 第一層出流系數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 0～0.2 9 h2 第一層水深2

5 b1 第二層出流系數 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，但結構簡單、彈性好，廣泛使用。但對于較大的流域或干旱地區，該模型不能處理流域降雨的不均勻分布，徑流變化的區域，土壤水分對降水的影響損失和調節作用，較大的河流和帶來較大誤差， 但對水文預報是一個很好的補充。

4.結論

本文對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）的常用參數初始值的選用、適用條件進行了簡單的闡述，希望對使用者能有所幫助。

[參考文獻]

[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.水文預報[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 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 根據實際情況采用

8 CS 地面徑流消退系數 根據實際情況采用

9 L 滯時 根據實際情況采用

10 KE 馬斯京根法演算參數 取用時段長在2～5min。

11 XE 馬斯京根法演算參數 根據實際情況采用

2.3模型的適用條件

模型適用于陜西省黃土高原，該地區的自然地理條件復雜，暴雨在時間和空間分布不均，雨量站和水文網絡密度非常稀疏， 干旱地區或是以超產流為主地區。

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用；水箱模型的過程是通過降雨的降雨徑流模型來計算徑流過程；該模型應用在中國的南部，效果很好，但是在北方應用程序相對較少，僅為洪水預報方法的補充。

3.1模型的簡介

坦克模型屬于概念性水文模型，這是復雜的降雨徑流過程簡單慨化為流域的蓄水與出流關系進行模擬，是概念簡單，方便計算， 結構靈活的特點，模型有很強的適應性，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。本文只對兩層水箱模型進行闡述，應用與一般洪水預報，水箱模型結構圖見下圖（3-1） 。

3.1模型參數的選用

兩層水箱模型的輸入通常是一個小時或幾個小時的平均降雨和蒸發資料，輸出也是對應時段的流域出口斷面的流量。計算時段△T的選擇可參照表3-1。

表3-1

流域面積（km2） 計算時段△T（h） 流域面積（km2） 計算時段△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，即邊孔高度X、邊孔出流系數a和下滲孔的出流系數b。由試算法確定。下表3-2根據經驗給出一些模型的初值，并與實測過程比較，逐步調整各參數值，使值最優為止。

表3-2

序號 符號 符號含義 建議取用初始值 序號 符號 符號含義 建議取用初始值

1 a0 第一層下滲孔的出流系數 0.0001～0.3 6 p 流域降水量

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

3 a2 第一層出流系數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 0～0.2 9 h2 第一層水深2

5 b1 第二層出流系數 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，但結構簡單、彈性好，廣泛使用。但對于較大的流域或干旱地區，該模型不能處理流域降雨的不均勻分布，徑流變化的區域，土壤水分對降水的影響損失和調節作用，較大的河流和帶來較大誤差， 但對水文預報是一個很好的補充。

4.結論

本文對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）的常用參數初始值的選用、適用條件進行了簡單的闡述，希望對使用者能有所幫助。

[參考文獻]

[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.水文預報[M].北京：水利電力出版社，2006.