9水箱模型

水箱模型西安理工大学水资源研究所主要内容9.1概述9.2湿润地区的水箱模型9.3干旱半干旱地区的水箱模型9.4融雪积雪过程模拟9.5模型参数手工优选9.6模型在牧马河流域的应用9.1概述日本菅原正巳博士于1950年代提出不断完善、改进属于概念性模型基本原理：流域的雨洪过程的各个环节，用若干个彼此相联系的水箱进行模拟（b）（a）蓄水深下渗出流蓄水深下渗出流图9–1水箱模型的物理机制（a）（b）（c）图9–2水箱模型的结构推导图9–3单个水箱的模拟机制（a）H2H1H2H1（b）H1H2简单的水箱模型：边孔出流代表径流；底孔出流代表下渗，它又是下面一个水箱的入流有3种参数：边孔的高度；边孔的出流系数；底孔的出流系数。PEyzhx图9–4水箱的基本结构hytxthztxtxPtEtytzt基本计算径流计算：下渗计算：关系为折线，表示出流的非线性效果。如边孔开的更多，则更近于曲线形。当，下渗为常数；Em如第一层水箱不满足，第二个水箱来满足，必要时继续由第三个水箱来满足。xy1zh1h2y2z～xy～xyzx图9–5开有两个边孔的水箱121121122;~:0.0;yxxhyhxhyxhxhyxhxh;：：：~:zxzx~yxf1ttttxPExttttxyzx多层水箱模型可以粗略地反映垂向的不同的水分带和径流成分；也可以反映在不同的降雨条件下，各种径流成分的不同作用；以及前期降雨对本次径流的影响。（a）（b）（c）图9–6三层水箱的调蓄作用a图是在前期退水后当有高强度大降雨时上层水箱在径流形成中起主要作用，可以形成高大的洪峰b图是长历时低强度降水的情况，第二层水箱起主要作用，可以形成矮胖的壤中流洪峰c图是在雨后退水期，显然，第三层水箱起主要作用计算实例【例】时段6h，模型结构和基本参数见图9–7，计算见表9–1。起始蓄水深度：第一层为15mm，第二层为20mm。时段蒸发量，无雨时取1.5mm；时段降水小于10mm时取1.0mm，大于10mm时取0.5。流域面积F=3000km2。表9-1.docβ=0.102045α2=0.20α1=0.20α'1=0.08β'=0.1010图9–7二层水箱结构9.2湿润地区的水箱模型湿润地区：P800mm，地下水丰富用3~4个直列式水箱模拟顶层水箱设2~3个出流孔，其余设1个出流孔底层水箱没有下渗孔边孔出流代表一种径流成分：Rs、Ri、Rg、Rb9.2.1模型的建立多局地暴雨水箱模型不透水面积引水灌溉情况……图9–8多局地暴雨水箱模型结构Y–Z=QEy1y2y3y4图9–9有灌区的水箱模型9.2.2河槽调蓄并联水箱型式对于大流域或平原性河流，河槽的调蓄作用不可忽略在水箱模型的最右边并联一个单一水箱模拟河槽调蓄作用yHXHX0y=2AX0X-AX02y=AX2yXA型B型α1Hα2XyHyX0X图9–10汇流水箱的型式A型：一阶延迟系统，时间常数T变化如下：当X≤H：当XH：11T121TY=α1XXYY=α1X+α2（X-H）B型：应用于流量很小甚至断流情况，水箱底部具有初损输出Y与蓄量X之间的关系为：9.2.3日流量模型和次洪模型日流量模型：作用：枯水预报和展延径流系列1Tdy1y2y3y4y2+y3+y4y3+y4y4y1+y2+y3+y4+y4图9–11日流量水箱模型结构及径流成分示意图次洪模型（洪水演算模型）：用于洪水预报计算时段的选择：流域、洪水特点常数图9–12次洪水箱模型结构0.50.15TA表9–2计算时段与流域面积参照表流域面积（km2）时段（h）101/6251/41001/250012000250003800042000069.3干旱和半干旱地区的水箱模型9.3.1土壤含水层的设置和结构饱和蓄水深土壤水层h图9–13设置土壤结构的水箱图9–14土壤含水层的结构位置示意图9.3.2土壤含水层的水分传输主层向次层输送：下渗C0、C为常数，CS为次层饱和容量，取值一般为：C0=0.5mm/d，=1.0mm/d，CS=250mm/d第二层水箱的水向主土壤水层输送：蒸发p0C503mmmmddbb、)1(02ssCxccT)1(01ppCxbbT土壤水分传输也可以参照图9–15所示的关系进行计算1.0S2/S1(S1/S2)XsS1S2XpXs2122psXXKSST1111pXKST图9–15水分在土壤含水层之间输送示意图主层含水量，饱和含水量，自由水，=+次层含水量，饱和含水量第一层水箱内部的水量关系：第一层水箱主层无自由水，第二层水箱有自由水时，下层水箱的水分向第一层传输：主层与次层之间的水量传输：表明主层的饱和程度比次层大，水分从主层传向次层传输；反之亦然。pX1SsX2SFXAXpXFX1111:;:;0PFPFAAAAXSXSXXSXSXXX1111pXKST2122psXXKSST20T9.3.3干旱和半干旱地区的并联水箱模型流域分带：土壤含水量的空间分布S4图9–16干旱半干旱地区流域分带示意图模型结构：S4S4S4S4S3S2S1参数各带面积比：通过流域水文、地质资料确定；经验关系：123mSSSS、、、、22132112343213:3:3:167.5:22.5:7.5:2.5:::2.5:2.5:2.5:1125:50:20:82:2:2:153.3:26.7:13.3:6.7SSSS9.4融雪积雪过程模拟积雪：高海拔到低海拔融雪：低海拔到高海拔影响因子：气温，海拔每升高1000m，气温下降5~6度根据纬度分带，估计各带气温用低海拔站点气温估计高海拔带的气温：假设海拔每升高1000m，气温下降5.5度，估计公式：9.4.1降雪模拟01TITTITD3001105.5THH3105.5dTDH9.4.2融雪积雪过程模拟融雪模拟：影响因子——气温与降雨假定日融雪量与日平均气温成正比，比例系数SM——融雪常数，造成的融雪量SM*T；假定雨水温度与气温相同，造成的融雪量PT/80；日融雪总量：SM*T+PT/80缺点：高纬度区，一般T0，则融雪为负。实际积雪处于平衡状态。原因：高纬度区的积雪以雪崩、冰川等形式向低纬度区运动雪崩：I带到（I-1）带假定I带雪崩量与I带的积雪总量成比例，AV(I)为雪崩常数再假定I带的日降雨量为常数：P(I)/365当日雪崩量与日降雨量相等时，I带的积雪处于平衡状态，即AV(I)*SD(I)=P(I)/365(I-1)到(I-2)带，同理可知(I-1)的输入：（S(I)*P(I)+S(I-1)*P(I-1)）/S(I-1)则可知(I-1)的平衡状态：AV(I-1)*SD(I-1)=(((P(I)*S(I)+P(I-1)*S(I-1))/S(I-1)*365))其余各带以此类推9.5模型参数手工优选9.5.1水箱模型参数手工经验总结（1）若计算过程与实测过程相似，只是略为偏小，则加大上层模型下出流孔系数或降低下出流孔的高度。（2）若计算过程与实测过程峰前峰后部分符合较好，峰附近不符，则增加上出流孔高度。（3）若计算过程峰前峰后与实测过程偏大，峰值偏小，则增加下出流孔的高度加大下出流孔的系数。（4）若计算过程峰前比实测过程偏小峰后偏大，峰值偏小，则加大下出流孔的系数和下渗系数。（5）若计算过程峰前比实测过程偏大，峰后偏小，峰值接近，则减小下出流孔的系数和下渗孔的系数。（6）若计算过程峰前与实测过程相符，峰后偏大，则增加上层下渗孔系数或上层不动，减小下层下渗孔的系数。若计算过程与实测过程与上述情况相反，则采取相反的方法调整。9.5.2水箱模型的建立和参数手动优选初始模型：选定模型结构出流系数：初始值：α11=α12=β1=(1–r)/3α2=β2=5α3=5β3=α11/5α4=0.001侧孔高度：h11=15mm（初始值）h12=50mmh21=40mmh31=h11=15mm最终值：参数率定α2β2β3α3α4h3h11h21β1α12α11h12Y1Y2Y3Y4Y5图9–18初始假定模型结构9.6模型在牧马河流域的应用9.6.1牧马河流域概况位置：汉江上游，陕西境内面积1224km2P=1203mm，Q=40.96m3/s，R=1057mm降水集中4~8月，洪水历时7~8天植被良好湿润地区参数率定1980~1985年，检验1986~1988年：降雨、蒸发、径流时段为日9.6.2模型结构和参数的优选模型结构参数率定：先自动优选——基因法和Rosenbroch法后手动优选图9-21.docα2β2β3α3α4h3h11h21β1α12α11h12S1S2S3图9–19水箱模型结构表9–3流程图中一些名称的含义名称含义实例名称含义storage_h时段初蓄水深storage_h1第一层水箱时段初蓄水深residual_h时段末剩余蓄水深residual_h2第二层时段末蓄水深runoff_出流孔时段出流量runoff_12第一层出流孔2时段出流量residual_E时段剩余蒸散发能力residual_E2第二层时段剩余蒸散发能力depth_0初始蓄水深depth_04第四层初始蓄水深infiltration_下渗孔时段下渗量infiltration_3第三层下渗孔时段下渗量S饱和蓄水深S3第三层水箱饱和蓄水深度9.6.3模拟结果模型结构调整：表9–4最终优选值表名称序号取值范围最优值第一层饱和蓄水深S10608077.8168初始蓄水深depth_0110153.6337出流系数α1120.0050.10.018409α1230.050.20.132088α1340.10.250.185568孔高h11502012.9915h12652510.0452h1370301.96337下渗系数β180.00010.30.0001第二层饱和蓄水深S29107529.8413初始蓄水深depth_021053017.9976出流系数α211100.10.012576α221200.250.236386孔高h211303018.6374h22140302.11722下渗系数β21500.20.054701表9–4最终优选值表名称序号取值范围最优值第三层饱和蓄水深S316206031.409初始蓄水深depth_031752521.4982出流系数α31800.150.093919孔高h3190300.981685下渗系数β32000.10.0001第四层初始蓄水深depth_042102013.0549出流系数α42200.020.005197初始蓄水深depth_0523080.502076汇流水箱出流系数α51240.050.150.097277α52250.0750.20.113828α53260.10.250.105275孔高h5127103022.7375h5228154018.5653蒸发折算系数Kx290.150.850.294359续表9–4最终优选值表表9–5模型评定指标率定期检验期资料1980年～1985年1986年～1987年水量平衡系数1.009371.00583确定性系数0.8224650.737738精度等级乙等乙等1980年—1987年模拟与实测对比图020040060080010001200140080-1-180-10-2781-8-2382-6-1983-4-1584-2-984-12-585-10-186-7-2887-5-24TimeRunoffQ_obsQ_sim参考文献袁作新，流域水文模型[M]．北京：水利电力出版社，1990.詹道江，叶守泽.工程水文学[M]．北京：中国水利水电出版社，2000林三益.水文预报（第二版）[M]．北京：中国水利水