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新安江模型
新安江模型是华东水利学院(现河海大学)赵人俊教授团队提出的一个集总式水文模型,广泛应用于半湿润、湿润气候区。其产汇流原理为当流域面积较小时,采用集总模型,当面积较大时,采用分散模型,即将全流域划分多个单元子流域,并对各响应单元进行产汇流计算,得到单元流域的出口流量过程。其次,进行河道洪水演算,求得流域出口的流量过程线,即将每个单元流域的出流过程进行累加,求得了流域的总出流过程。
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该模型按照三层蒸散发模式计算流域蒸散发,按蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量,采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。在径流成分划分方面,对三水源情况,按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。在汇流计算方面,单元面积的地面径流汇流一般采用单位线法,壤中水径流和地下水径流的汇流则采用线性水库法。河网汇流一般采用分段连续演算的Muskingum法或滞时演算法。 为了考虑降水和流域下垫面分布不均匀的影响,新安江模型的结构设计为分散性的,分为:蒸散发计算,产流计算,分水源计算和汇流计算四个层次结构。 新安江模型参数确定的难点:该模型是一个通过长期实践和对水文规律认识基础上建立起来的一个概念性水文模型。模型大多数参数具有明确的物理意义,它们在一定程度上反映了流域的基本水文特征和降雨径流形成的物理过程。因此,原则上可以按其物理意义通过实测、实验、比拟等方法来确定。由于模型是在假设、概化和判断的基础上建立起来的,加上水文要素又十分复杂,在当前的观测技术条件下,还存在相当大的困难。 新安江模型参数概念分析方法:在当前的观测技术条件下,人们准确地获得一个流域内水循环诸要素的时空变化值虽然取得了令人鼓舞的进展,但还存在相当大的困难。实践中人们常采用参数的概念分析方法,即先按实测值或参数物理意义初定参数初值范围;然后根据输入,通过模型计算输出;再将输出过程与实测过程进行比较,作优化调试;并根据特定的目标准则(有约束条件)确定参数的最优值。 参数率定:原则上,任何模型的任一参数都可通过参数率定方法确定。但模型参数的率定是一个十分复杂、困难的问题。流域水文模型除了模型的结构要合理外,模型参数的率定也是一个十分重要的环节。 新安江模型的参数大都具有明确的物理意义,参数值原则上可根据其物理意义直接定量的。但由于缺乏降雨径流形成过程中各要素的实测与试验过程,故在实际应用中只能根据出口断面的实测流量过程,用系统识别的方法推求。 由于参数多,信息量少,就会产生参数相关性、不稳定性和不唯一性问题。
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一些相关的水文模型参考书:
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新安江模型结构图 放大显示

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新安江模型呈村流域图 放大显示

三水源新安江日模型
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三水源新安江次洪模型
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粒子群优化算法自动率定新安江模型参数 (安徽省休宁县呈村流域的例子)
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新安江水文模型软件

 

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关于新安江模型的介绍,可以参见:http://www.watergis.cn/xinan.htm

 

1.  运行说明:

新安江模型运行在WaterGIS水利地理信息系统之上

软件采用C#语言开发,安装前需要 Microsoft.NET Framework 4.0的支持

运行文件:d:\WaterGIS\bin\WaterGIS.exe

 

2.  主界面展示:

 

打开项目文件D:\WaterGIS\examples\XajModel\新安江模型.map

 

图一

 

图一中所示是安徽省黄山市休宁县呈村流域

 

这里的数据来源参考D:\WaterGIS\xaj\data\呈村流域资料.xls

 

新安江模型参数自动率定过程,采用粒子群优化算法

 

图二

 

1)默认粒子群算法参数只是参考,

   正式优化,以下两个参数需要改一下,时间运行需要2小时左右!  

   粒子群数目 10 --> 100

   最大循环次数 10 --> 100

2)新安江模型参数范围,可以自己修改

3)如果要使用自己的流域数据来测试,

   请参考data目录下的降雨蒸发文件和子流域文件格式,

它们是TXT文本格式,分隔符是\t制表符

也可以参考这个文件,D:\WaterGIS\xaj\data\呈村流域资料.xls excel导出TXT

 

3. 主菜单如下:

 

 

新安江模型用到图中红色部分的几个菜单,功能见名称。

 

4. 水文分析

 

 

水文分析里面流域水系提取工具采用的Taudem 这个开源软件,使用说明参见

https://hydrology.usu.edu/taudem/taudem5/index.html

 

流域的DEM文件,可以从www.geodata.cn 下载,然后可以用QGis这样的软件裁剪拼接

http://www.geodata.cn/res/images/logo.png

 

出水口shp文件,可以用WaterGIS软件来生成一个点的Shp文件。

关于阈值,需要反复设置,运行,然后观察结果,最终得到一个合适的值。

比如我这里,呈村流域的DEM , 阈值用350会生成如下的图

 

阈值用3500会生成如下的图

 

可以参考 d:\WaterGIS\examples\TaudemData\ 目录的文件

我们之所以用3500是因为我们后面要用泰森多边形法来计算子流域面积权重

上面用350生成的图,将来可以用在SWAT水文模型的子流域划分上面。

 

5. 栅格矢量化

 

前面我们水系分析获取的是DEM 栅格文件,因为泰森多边形法里面需要用到矢量文件,

所以这里需要进行栅格矢量化操作,如图。

 

 

6. 泰森多边形法计算子流域面积权重,并生成流域泰森多边形矢量文件来显示。

从菜单启动此功能,如下图所示,选择对应的测试文件开始计算:

流域文件:D:\WaterGIS\examples\XajModel\xianw.shp

降雨量点数据:D:\WaterGIS\examples\XajModel\呈村雨量站.shp

然后输出文件是:

Voronoi: D:\WaterGIS\examples\XajModel\voronoi.shp

泰森多边形文件: D:\WaterGIS\examples\XajModel\Thiessen.shp

D:\WaterGIS\examples\XajModel\Thiessen_Line.shp

 

 

  泰森多边形处理结果可以参考前面的图一

  这里我们可以复制下来Weight面积权重,为后面新安江模型计算使用

 

 下图是另外一个例子

 

 

7. 新安江模型

 

前面的步骤主要是关于新安江模型子流域面积权重的计算,现在可以开始调用菜单,

如前面图二所示,进行新安江模型的参数率定动作。

其中最后的计算结果保存到文件D:\WaterGIS\xaj\data\qs.txt

 

这里我们除了呈村流域,还测试了河南省息县流域的数据,基本正确。

粒子群优化算法自动率定新安江模型参数 (河南省息县流域的例子)

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泰森多边形法划分河南省息县子流域

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8 . 时间序列文件,水文过程线的显示

这里做了一个演示,数据文件格式参考

D:\WaterGIS\examples\TimeSeries\xaj.txt

 

 

 

9. 等值线生成功能

 

这个功能的操作和前一个类似,新安江模型计算中用不到,可以忽略。

从菜单启动

流域文件:D:\WaterGIS\examples\shape\isoline\mian.shp

离散数据:D:\WaterGIS\examples\shape\isoline\mian.csv

提供对应的等值线的值

然后计算并输出结果到

D:\WaterGIS\examples\shape\isoline\isoline_polygon.shp

D:\WaterGIS\examples\shape\isoline\isoline.shp

 

 


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