流域水文模型

水文模型（Hydrological Model）是一种用于模拟和预测水文过程的数学模型。它关注的是水体在地表、地下和大气中的流动与分布，目的是帮助我们理解、分析和预测水文过程中的关键变量（如降水、蒸发、径流、流量等）的变化。

水文模型的主要功能：

模拟降水-径流过程：水文模型通常会模拟降水如何转化为径流，包括降水的时间分布、强度、蒸发和水分下渗等过程。
流域内水文过程的分析：包括土壤湿度、地下水补给、地表径流等。
流量和水位预测：基于降水、土地利用、气候等因素，预测流域内的流量变化、洪水发生等。可为防洪、水资源管理、水工程调度提供定量依据。

水文模型按照原理来分类，有以下两种：

物理机理模型，如产汇流模型、水动力学模型：
- 产汇流模型：模拟降水产生的径流并计算流域的水流。典型的产汇流模型包括SCS-CN模型、XAJR模型等。为防汛预警、环保、水资源的分配和调度提供辅助。
- 水动力学模型：用于模拟水流的物理过程，特别适用于复杂流域或水体的三维水流模拟。为防洪工程设计、洪水预警提供支持。
统计模型：用统计学的方式（如机器学习 LSTM、 LightGBM梯度提升决策树等），通过历史数据来预测流域水文过程的趋势。

这里主要介绍 物理机理模型—— 新安江模型。

新安江模型

新安江模型：1973年，河海大学水文水资源学院赵人俊教授领导的研究组在编制新安江入库洪水预报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计了国内第一个完整的流域水文模型——新安江流域水文模型，以下简称新安江模型(Xinanjiang hydrological model)。

新安江模型是集总式水文模型（划分子流域时成为分散式水文模型），适用于湿润半湿润流域的水文模拟、洪水预报、水资源调度等方面。

当流域面积较小时，新安江模型采用集总模型。
当面积较大时，采用分散模型。它把全流域分为许多块单元流域，对每个单元流域作产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程。再进行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量过程。把每个单元流域的出流过程相加，就求得了流域的总出流过程。

新安江模型设计将全流域划分为若干个自然条件相似的小流域，然后分别对每个单元从降水开始包括产流、汇流等径流形成的全过程进行分析计算，模型以包气带（地表到地下水面之间的非饱和带）为转换装置，输入为实测降雨量P、实测水面蒸发量 EM；输出为出口流量Q、流域蒸散发E。

模型结构如下图：图中方框内是状态变量，方框外是参数变量。计算方法分为4大部分：①蒸散发计算；②产流量计算；③分水源计算；④汇流计算。

按蓄满产流概念计算总径流量，并以张力水蓄水容量曲线考虑下垫面不均匀导致的产流面积变化。
在流域蒸散发计算部分，根据流域土壤蒸发和植被散发实验研究成果，设计了三层蒸散发计算模型；
三水源划分阶段，将总径流分为饱和地面径流（RS）、壤中水径流（RI）、地下水径流（RG）。
在坡面汇流阶段，忽略了流域坡面对地表径流的调蓄作用，壤中流和地下径流分别采用不同线性水库描述流域包气带的调蓄作用；
在计算单元内河网汇流阶段，采用经验单位线或滞后演算法描述河网对径流的调蓄作用，由于经验单位线调试困难，现多采用滞后演算法；
河道汇流阶段，采用分段连续马斯京根法，理论上不属于新安江模型的核心组成部分。

空间上，模型为“分散-集总”结构：先把流域划分为计算单元，每个单元再按①蒸散发→②产流→③分水源→④汇流四个层次顺序运算，最后汇总至出口。

流域下垫面:下垫面是指流域地表的“底子”，包括地形、土壤、植被、土地利用、城市建筑等。它决定了降雨落到地面后，如何转化为径流或下渗。
山地、陡坡 → 径流快，洪峰急。
平原、湖泊 → 汇流慢，洪峰缓。
城市硬化地面 → 下渗少，产流多，容易形成内涝。

计算单元划分

在新安江模型中，流域划分方式确实与地形密切相关，尤其是在现代分布式新安江模型中，通常基于DEM（数字高程模型）提取地形信息，如坡度、坡向、汇水路径等，来划分子流域或栅格单元。这种划分方式可以有效反映地形对汇流过程的影响，例如坡度大的区域汇流速度更快，适合采用不同的汇流参数。

另外，如果一个大单元内部存在显著不同的下垫面类型，直接用一个平均参数会导致“平均化误差”，降低模拟精度。因此，实践中会根据下垫面类型进一步细分为更小的计算单元（如按土壤类型、植被类型或土地利用类型划分），每个小单元单独设定参数（如蓄水容量WM、张力水容量曲线指数B等），以提高模型的物理一致性和模拟精度。

所以划分子流域，一般用到四种标签：

层级	属性	来源示例	常用分类数
地形	坡度带	NASADEM 30 m → 计算坡度	3 类（<5°、5–15°、>15°）
土壤	水文土壤组	HWSD 1 km → 字段 T_USDA_TEX	4 类（A–D）
植被	土地利用	CLCD 30 m → 值域 10–90	9 类（水田、林地、城建等）
气候	气候区	1981-2020 年降水-蒸发聚类	4 类（湿润、半湿润、半干旱、干旱）

四种基础栅格的数据，需统一重采样至 30 m 或 90 m 后进入模型参数化流程。
根据率定参数查询表，自动的进行计算单元中模型参数的填充。少部分无法匹配的区域人工填充。
合并 HRU。根据栅格数据，把相邻、地形-土壤-土地利用相同或相似的栅格（参数相同或者相似）合并成多边形，叫做 HRU。
输出 shapefile/GeoPackage：HRU_ID + 面积 + 标签串 + 中心坐标。

基础栅格数据一般格式说明：

DEM：GeoTIFF（.tif）附带 WGS84 或 CGCS2000 坐标系，高程值 float32 米
土壤、土地利用：GeoTIFF 或 Shapefile，栅格版最方便
气候区：NetCDF 或 GeoTIFF，降水/蒸发栅格

模型参数

同一个 HRU 内部只保留一种参数组合。

参数	主要决定因子	空间异质性	是否划分计算单元
WM、B、IM、KC	土壤、植被、城建	极大（百米级）	必须分
SM、EX、KG/KI	土壤质地	中大（公里级）	需要分
CS、CI、CG	坡度、河长、糙率	地形尺度相关	可以合

率定参数查询表：
我们把全国 2.5 万场小流域实验、600 余个已率定新安江模型参数，按“土壤类-植被类-坡度带-气候区” 四级标签建查询表。
新流域每个 HRU 只要匹配标签，就直接导入参数的初值和区间。

参数简介：

蒸散发计算相关参数
KC（流域蒸散发折算系数，无量纲）。典型值：茂密森林 1.0–1.2；灌丛 0.9–1.0；城建 0.7–0.85；沙漠 0.5–0.6。
UM ：上层张力水容量/mm（敏感参数，10~50）
LM ：下层张力水容量/mm（敏感参数，60~90）
C ：深层蒸散发折算系数

产流计算相关参数
WM（流域平均张力水容量，mm）。土/森林/厚腐殖层 WM 明显大于沙土/城建，空间差异可达 2 倍。
B（蓄水容量曲线指数，无量纲）。流域内“海绵厚度”不均匀的程度。典型值：0.2–0.4；山区 0.3–0.5；平原 0.1–0.25。
IM（不透水面积占全流域面积的比例，%）。典型值：天然流域 0–3 %；城郊 5–15 %；中心城区 20–45 %。

水源划分相关参数
SM（表层壤自由水蓄水容量，mm）。典型值：砂壤 20–40 mm；粘壤 40–70 mm；重粘土 70–120 mm。
EX（表层自由水蓄水容量曲线指数，无量纲）。描述的是“自由水水库”空间不均匀程度。典型值：0.3–0.6，通常略大于 B。
KG（表层自由水蓄水库对地下水的出流系数，d⁻¹）。典型值：0.15–0.35 d⁻¹；裂隙岩体 0.3–0.5；厚粘土 0.05–0.15。
KI（表层自由水蓄水库对壤中流的出流系数，d⁻¹）。典型值：0.35–0.65 d⁻¹；砂坡 0.6–0.8；粘坡 0.2–0.4。

汇流计算相关参数
CS（坡面汇流速度，m/s）。典型值：缓坡 0.3–0.6 m/s；陡坡 0.8–1.5 m/s；城建硬化 2–4 m/s。
CI（壤中流/浅层地下汇流速度，m/s）。典型值：0.05–0.2 m/s；裂隙发育区 0.2–0.4 m/s。
CG（地下水汇流速度，m/s）。典型值：0.01–0.05 m/s；深部含水层 0.005–0.01 m/s。
CR 河网蓄水能力，取值范围为0.1~0.9。CR值越大，河网蓄水能力越强，对洪峰的削减作用越明显。
LAG 计算单元内河网汇流滞时.[0, 5]

马斯京根法相关参数
KE ：马斯京根法演算参数/h（敏感参数，KE = N × Δt）
XE ：马斯京根法演算参数（敏感参数，0.1~0.5）

降雨径流分析

基于新安江模型的降雨径流预报的基本步骤如下：

数据准备

要进行基于新安江模型的降雨径流预报，首先需要收集并准备相关的数据。以下是所需的主要数据：

降水数据：历史和实时的降水数据，包括降水强度、持续时间等。可以通过气象站、遥感技术等获得。
流域地形数据：包括流域的DEM（数字高程模型）数据，用于确定水流路径、流域面积等。
土地利用数据：提供流域内的土地覆盖、土壤类型、植被分布等信息，影响降水的转化过程。
土壤湿度与水文数据：用来计算水分下渗、蒸发等，影响径流的产生。
流量监测数据：流域内各测站的流量和水位数据，用于校准模型。

模型构建

在数据准备完成后，可以利用新安江模型进行降雨径流的模拟。具体步骤包括：

划分流域：根据流域的地形和河流分布情况，将流域划分为多个子流域，便于进行局部降水、产流和汇流的模拟。
设定模型参数：新安江模型需要设定多个参数，如降水量、土壤渗透性、蒸发量、土地利用类型等。模型参数的设定通常需要通过历史数据校准。
模拟产流过程：基于降水数据和流域的土壤湿度、土地利用等信息，模拟降水如何转化为地表径流。常见的产流模型包括SCS-CN模型、Horton模型等，这些模型通过估算土壤湿度、降水强度等因素，来计算产流量。
模拟汇流过程：考虑到水流的传播和流域内河道的特性，模拟水流如何从上游汇集到下游，形成流量的变化。

汇流是将单元产流转化为出口断面流量的关键，需结合流域规模、河网特性优化：

1、小流域：简化汇流，突出地表径流：小流域汇流以地表径流为主，可直接采用单位线（如瞬时单位线），并通过实测洪水过程反推单位线参数（如 n、k），确保峰现时间和洪峰流量匹配。

2、大流域：分层汇流，区分地表 / 地下径流：大流域汇流需考虑地表径流、壤中流、地下径流的差异，可通过 “三水源模型”（新安江模型的扩展）划分：用 SM（自由水蓄水容量）、EX（表层土自由水蓄水容量）区分地表与地下径流比例，壤中流汇流用线性水库（参数 KE），地下径流汇流用线性水库（参数 KG），使汇流过程更贴合多水源特性。

3、河网汇流的滞后校正：若流域河网复杂（如支流众多），可在单元汇流后增加河网汇流环节（如马斯京根法），调整河网传播时间，修正出口断面流量的滞后或超前。

校准与验证

新安江模型需要通过历史数据进行校准和验证，以确保模型的准确性。

模型校准：使用历史的降水和流量数据，调整模型中的参数，确保模拟的流量和实际观测数据尽量接近。
模型验证：通过与实际观测数据对比，验证模型的可靠性和预测能力。如果模型表现不佳，可能需要重新调整参数或使用其他模型进行补充。

实时降雨径流预报

模型校准和验证后，使用实时的降水数据进行降雨径流预报。具体步骤如下：

输入实时降水数据：获取实时的降水预报数据，输入到模型中。这些数据通常来自气象站、遥感卫星或气象预报系统。
运行新安江模型：将实时降水数据输入到模型中，模型将计算出流域内各测点的降水量、产流量、径流量、流量等。
输出预报结果：模型输出流域各个位置的预报结果，包括流量、洪水预警、水位变化等信息。这些结果可以帮助水利部门预测洪水的发生时间、流速、受影响区域等。

结果分析与应用

洪水预警：通过模型输出的流量预报和水位变化，判断是否存在洪水风险。如果流量或水位超过某个阈值，可以提前发出洪水预警，指导应急管理。
水资源调度：根据降雨和径流的预报结果，可以优化水库的调度方案，合理分配水资源。
流域管理：分析不同降水条件下的径流变化，评估土地利用变化、气候变化等因素对流域水文过程的影响，指导流域的管理与开发。

案例分析

假设有一场即将到来的暴雨事件，气象预报提供了详细的降水数据（如每小时降水量预测）。通过以下步骤，基于新安江模型进行降雨径流预报：

数据输入：输入未来几小时的降水预报数据（如每小时降水强度和持续时间）到新安江模型中，同时考虑流域的土壤湿度、土地利用类型等背景信息。
模型运行：模型根据降水数据模拟流域的产流和汇流过程，计算出各测点的径流量和流量变化。
预报输出：模型预测在未来几小时内流域的水位和流量变化，得出预警结果。例如，某个地区的流量预计将在两小时内达到洪水警戒值。
应急响应：基于预报结果，相关部门可以提前做好防洪准备，如关闭水闸、疏散群众等。