《水箱模型》PPT课件.ppt
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1、水箱模型水箱模型TANK MODEL水箱模型2023/1/1221、基本概念、基本概念(1)由由日日本本菅菅原原正正巳巳(Dr.Masami Sugawara,日日本本科科学学技术厅技术厅)在在50年代年代提出提出概念性概念性径流模型,有一定的物理意义,不是黑箱子径流模型,有一定的物理意义,不是黑箱子简化为简化为蓄水与出流蓄水与出流的关系以模拟的关系以模拟降雨径流降雨径流关系关系以以水水箱箱的的蓄蓄水水深深为为控控制制,模模拟拟计计算算流流域域的的出出流流和和下下渗渗过程过程可灵活组合,如串联、并联、串并联等可灵活组合,如串联、并联、串并联等 出流、下渗出流、下渗 降雨及下垫面不均匀性降雨及下
2、垫面不均匀性是是一一种种间间接接的的模模拟拟,模模型型中中并并无无直直接接的的物物理理量量。但但此此模模型型的的弹弹性性其其好好,对对各各种种大大小小流流域域、各各种种气气候候与与地地形形条件都可以用条件都可以用(复杂复杂水箱数目水箱数目)操作简便,各种参数能采用电子计算机进行调试操作简便,各种参数能采用电子计算机进行调试水箱模型2023/1/123o流量流量蓄水量蓄水量o流量流量蓄水量蓄水量水箱模型2023/1/124v假定下渗和蓄水深度成正比关系v水箱边孔出流代表一种径流水箱模型2023/1/125ooH1H2H1H2水箱模型2023/1/126湿润地区(湿润地区(2、3或或4个垂直水箱可
3、模拟多种径流)个垂直水箱可模拟多种径流)干旱或半干旱干旱或半干旱湿润地区干旱季节湿润地区干旱季节设并联水箱设并联水箱水箱模型2023/1/127yzPEhhy(t)=(h(t)-h)z(t)=h(t)x(t+1)=x(t)+p(t)-E(t)-y(t)-z(t)水箱模型2023/1/1281、基本概念、基本概念(2)水箱模型的优点:水箱模型的优点:v1)结结构构简简单单,但但具具物物理理意意义义,相相当当于于地地下水分层结构下水分层结构v2)能表示地面径流的非线性特征)能表示地面径流的非线性特征v3)能表示几种径流的分量)能表示几种径流的分量v4)输输入入(降降雨雨)根根据据非非线线性性结结构
4、构,自自动动分配给各个分量分配给各个分量v5)下下层层水水箱箱的的径径流流分分量量是是光光滑滑的的形形状状,并自动给出滞时并自动给出滞时水箱模型2023/1/1291、基本概念、基本概念(3)各种形状的各种形状的TANK:m*ny,zx水箱模型2023/1/12102、水箱模型的特点、水箱模型的特点2.1 水箱模型的结构水箱模型的结构 水箱模型可以灵活的串联、并联、串并联,最常水箱模型可以灵活的串联、并联、串并联,最常见的是见的是4个水箱的串联形式:个水箱的串联形式:V1V2V3V4 降雨时,一部分入渗,一部分产流,地表产流,而入渗的水(可以看作沿孔隙通道)遇到不透水层或弱透水层就产生了饱和水
5、带,于是一部分水就流出了,一部分水就往下渗,下渗的水分发生的情况和上面的描述一样,于是就有了一层又一层的模型一个出口代表一种径流一个出口代表一种径流:地表、壤中流、地表、壤中流、浅层地下径流、深层地下径流。浅层地下径流、深层地下径流。水箱模型2023/1/1211一层不能适应径流形成的复杂条件一层不能适应径流形成的复杂条件多多层层可可反反映映不不同同降降雨雨条条件件下下,各各种种径径流流成成分分的的不同作用;前期降雨对本次径流的影响。不同作用;前期降雨对本次径流的影响。水箱模型2023/1/12122.2 水箱模型的径流与入渗量的计算水箱模型的径流与入渗量的计算 0.20.150.330mm1
6、0mm 对于任一水箱,上方注入的水量是降雨R(t),或者是上一个Tank的下渗量,注入的水量全部追加到蓄水量中,而后根据出流系数和入渗系数算出出流量和下渗量。Zh1h2y水箱模型2023/1/1213i)若蓄水高为若蓄水高为50mm时时 流流 出出 量量:(50-30)*0.2+(50-10)*0.15=10mm 下渗量:下渗量:50*0.3=15mmii)若蓄水高为若蓄水高为25mm时时 流出量:流出量:0+(25-10)*0.15=2.25mm 下渗量:下渗量:25*0.3=7.5mmiii)若蓄水高为若蓄水高为5mm时时 流出量:流出量:0mm 下渗量:下渗量:5*0.3=1.5mm0.
7、20.150.330mm10mm水箱模型2023/1/12142.3 水箱模型出流特征水箱模型出流特征 1)只有一个水箱:)只有一个水箱:可以看出,流出量是时间的指数函数指数函数。r(t)h(t)i)无注水时(退水段退水段退水段退水段):水箱模型2023/1/1215ii)有注水时:这个式子和单位线的出流计算公式很类似,说明水这个式子和单位线的出流计算公式很类似,说明水箱可以认为和箱可以认为和Nash单位线的线性水库的功能类似。单位线的线性水库的功能类似。水箱模型2023/1/1216 如果出流孔隙不在水箱底部,而是在距底部一定如果出流孔隙不在水箱底部,而是在距底部一定高度处,表示土壤干燥情况
8、,降雨一开始并不产流,高度处,表示土壤干燥情况,降雨一开始并不产流,而是满足了初损。而是满足了初损。r(t)h(t)H1i)若r(t)0水箱模型2023/1/1217若r(t)不等于0 从以上分析可以看出,无论q(t)还是i(t)都遵循以 为系数的指数降低函数。如果出流孔是2孔,q(t)和i(t)的指数递减函数的形式不变,只是递减系数变为 ,所以当串联时,算出每个水箱的出流,而后将它们加起来就可以了。水箱模型2023/1/12182.4 水箱模型的主要特点水箱模型的主要特点 1)初初期期损损失失以以及及损损失失量量根根据据降降雨雨过过程程在在模模型型中中已已自自动动调调整整与与计计算算(最最上
9、一层上一层Tank的流出孔和渗透孔);的流出孔和渗透孔);2)降降雨雨变变大大后后,流流出出也也以以一一定定的的加加速速度度变变大大,非非线线性性模模型型也也包包含含在在模模型中(最上层可开多个出流孔);型中(最上层可开多个出流孔);水箱模型2023/1/1219 3)降降雨雨强强度度大大时时,最最上上一一层层的的蓄蓄水水量量很很快快上上升升,流流出出量量较较大大;而而降降雨雨强强度度小小时时,蓄蓄水水量量慢慢慢慢上上升升,大大部部分分水水慢慢慢慢地地渗渗透透到下一层水箱中;到下一层水箱中;4)由由于于每每一一层层Tank都都有有流流出出量量,而而他他们们都都有有各各自自的的流流出出曲曲线线,
10、所所以以总总流流出出量量中中就就包包括括了了各各种种不不同同成成分分的的流流出出量量,如如地地表、壤中和地下水的出流;表、壤中和地下水的出流;5)由由于于从从第第一一个个水水箱箱到到第第二二个个水水箱箱、第第三三个个水水箱箱需需要要时时间间,所所以以水水箱箱模模型型自自然然产生时间滞后;产生时间滞后;水箱模型2023/1/12206)水水箱箱模模型型包包含含了了单单位位线线法法、流流出出函函数数法法、贮贮留留函函数数法法的的特特征征,把把它们继承在一起;它们继承在一起;7)洪洪水水期期的的模模拟拟和和枯枯水水期期的的模模拟拟用用Tank可以很好的统一起来;可以很好的统一起来;8)模模型型的的计
11、计算算只只是是加加减减乘乘除除,非非常常简单;简单;水箱模型2023/1/12219)Tank Model最最大大的的缺缺点点就就是是没没有有用用数数学学式式子子去去反反映映其其非非线线性性特特征征,而而是是用用水水箱箱的的参参数数去去反反映映,而而水水箱箱的的参参数数只只能能用用试试错错法法去去一一次次一一次次计计算算,没没有有一一个个普普遍遍适适用用的的固固定定方方法法去去确确定定,需需要要一一定定的的经经验验,开开始始可可能能需需要要很很多多次次的的试算;试算;10)不不能能描描述述洪洪水水波波的的传传播播特特征征,如如果果河河道道较较长长,在在计计算算中中要要再再加加一一个个水水箱箱,
12、但精度不是太好;但精度不是太好;11)根根据据以以往往经经验验,洪洪水水、枯枯水水计计算算结结果都很好。果都很好。水箱模型2023/1/12223.水箱模型的建立水箱模型的建立3.1 结构:几层,开几个边孔,开不开底孔结构:几层,开几个边孔,开不开底孔计算洪水(计算洪水(23层)层)径流连续计算或枯水期预报(径流连续计算或枯水期预报(34层)层)洪水波洪水波(2层层)-连续几天洪水波连续几天洪水波(3层层)-(4层层)第第一一层层一一般般开开2个个侧侧孔孔,模模拟拟特特别别陡陡峭峭的的大大洪洪水水开开3个侧孔个侧孔第第二二层层开开12个个侧侧孔孔;第第3层层开开1个个侧侧孔孔;第第4层层1个个
13、底侧孔。底侧孔。t 考考虑虑流流域域面面积积、植植被被、坡坡度度、形形状状等等选选取取。尽尽量量使时段内流量为直线。使时段内流量为直线。3.2 参数参数(试错法试错法经验经验)掌握各参数意义及变化对过程线的影响掌握各参数意义及变化对过程线的影响水箱模型2023/1/12234、水箱模型的计算、水箱模型的计算4.1 各水箱流出成分的对应关系各水箱流出成分的对应关系 最上层水箱最上层水箱 洪水时的出流洪水时的出流 第二层水箱第二层水箱 从洪水向基流的过渡从洪水向基流的过渡 第三层水箱第三层水箱 基流基流 第四层水箱第四层水箱 基流基流 所所以以确确定定Tank参参数数时时,也也要要根根据据以以上上
14、情情况况进进行行。如如洪洪水水期期调调最最上上层层,另另外外,当当上上层层参参数数调调整整后后会会影影响响到到下下层层,所所以都需要修改。以都需要修改。水箱模型2023/1/12244.2 各水箱孔参数的确定各水箱孔参数的确定 确确定定水水箱箱模模型型的的参参数数,主主要要是是孔孔高高及及出出流流、下下渗渗系系数数,现现在在一一般般应应用用的的情情况况还还没没有有超超过过4个水箱的,而一般情况下:个水箱的,而一般情况下:层数层数下孔下孔(mm)上孔上孔(mm)系数系数 最上层最上层102030600.10.5 第二层第二层0500.030.1 第三层第三层0300.0050.05 第四层第四层
15、0100.00050.005初损概念水箱模型2023/1/1225tQt45150.20.1水箱模型2023/1/1226QQ增加高孔tQ增加下层水箱如仍偏低加第3层水箱或2层加高孔水箱模型2023/1/1227 同同一一个个水水箱箱两两孔孔时时,上上孔孔系系数数应应远远大大于于下下孔孔,上上一一层层的的系系数数远远大大于于下下一一层层的的系系数数,3、4层层孔高一般较低:孔高一般较低:50155550.0020.0020.010.010.050.060.20.150.25流域流域0.20.2河道河道水箱模型2023/1/1228计算时初始值的确定:计算时初始值的确定:i)按上面的所定范围任取
16、一组按上面的所定范围任取一组 ii)借鉴附近相近流域的参数借鉴附近相近流域的参数 iii)根据实际情况分析确定根据实际情况分析确定地面径流退水为主地下径流退水为主c地表径流地表径流地表径流地表径流地下径流地下径流地下径流地下径流水箱模型2023/1/1229A段:定义日递减系数(段:定义日递减系数(例:例:2日间流量减半日间流量减半)日递减系数与递减系数日递减系数与递减系数有如下关系:有如下关系:第一箱孔口出流系数水箱模型2023/1/1230B段:段:以以上上确确定定了了第第一一层层和和第第三三层层的的系系数数,第第二二层层可可以以取取一一、三三层层的的中中间间值值,第第四四层层可可以以将将
17、第第三三层层系系数数乘乘以以0.1当当作作初初始始值值。初初始始贮贮留留高高如如下下(若若是是1月月1日):日):层数层数IIIIIIIV初初 始始 贮贮 留留 高高(mm)00101001001000水箱模型2023/1/12314.3 计算流出量与各孔参数大小之间的关系计算流出量与各孔参数大小之间的关系45150.20.145150.20.24550.20.145150.30.135150.20.1(a)(b)(c)(d)(e)ha水箱模型2023/1/12321)流量大时差别大,下孔系数增大(流量大时差别大,下孔系数增大(ab)2)流量大、小时差别都大,下孔高度降低)流量大、小时差别都大
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