VIC模型在西江流域徑流模擬中的應(yīng)用

山紅翠，袁 飛， 盛 東，孫飛飛

(1.湖南省水利水電科學(xué)研究所，長(zhǎng)沙 410007；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.寧波弘泰水利信息科技有限公司，浙江 寧波 315100)

水文模型是水文科學(xué)與當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)有機(jī)結(jié)合產(chǎn)生的應(yīng)用產(chǎn)物，是信息革命創(chuàng)造的水文學(xué)的一個(gè)全新的研究領(lǐng)域[1]。根據(jù)對(duì)復(fù)雜水文過(guò)程的概化方式、概化程度及概化假設(shè)的不同，可將流域水文模型分為集總式水文模型和分布式水文模型。分布式水文模型因其可以同時(shí)考慮降水的空間分布不均勻性和流域下墊面條件的不均勻性，對(duì)徑流預(yù)報(bào)具有很大的優(yōu)越性[2,3]。為了盡可能提高對(duì)流域產(chǎn)匯流預(yù)報(bào)精度，分布式水文模型近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用[4]。

本文利用DEM、植被覆蓋/土地利用、土壤等下墊面資料，基于0.25°×0.25°網(wǎng)格分辨率，選取西江流域?yàn)槔捎肰IC模型與匯流模型耦合，進(jìn)行參數(shù)率定與流量過(guò)程的模擬，探討模型在西江流域的徑流模擬效果與適用性。鑒于氣候變化對(duì)水資源影響研究中常選取1961-1990年作為氣候基準(zhǔn)期[5-7]，故本文的研究時(shí)期為1961-1990年，以期為氣候變化對(duì)流域水文過(guò)程的影響研究提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

西江全長(zhǎng)2 214 km，流域總面積為34.6萬(wàn)km2，占珠江全流域的75.6%[8]。西江流域?qū)贌釒Ъ皝啛釒夂颍?-8月降水總量占全年降水量的62.5%，各月降水量均超過(guò)200 mm，其中6月是一年中降水量最大的月份，達(dá)到261.5 mm[9]。西江流域徑流以降水作為補(bǔ)給來(lái)源，降水的空間分布決定了徑流的空間分布[8]。西江流域暴雨多由地面冷鋒、靜止鋒、高空切變線、低渦和熱帶氣旋等天氣系統(tǒng)形成，具有強(qiáng)度大、次數(shù)多、歷時(shí)長(zhǎng)等特點(diǎn)。暴雨、大暴雨或特大暴雨多出現(xiàn)在每年的4-10月，約占全年暴雨總次數(shù)的58%。西江流域洪水多由暴雨形成，且出現(xiàn)時(shí)間與暴雨一致。洪水過(guò)程以多峰型為主，有峰高、量大、歷時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，一次較大的洪水過(guò)程約歷時(shí)30～40 d。

本文選取西江流域武宣水文站以上集水區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，研究區(qū)集水面積196 255 km2。研究區(qū)內(nèi)共有氣象站點(diǎn)19個(gè)，主要水文控制站12個(gè)，如圖1所示。

圖1 西江流域武宣站以上區(qū)域站網(wǎng)分布圖Fig.1 The stations network distribution in Xijiang River basin

2 模型簡(jiǎn)介

可變下滲能力水文模型VIC[10](Variable Infiltration Capacity)是由美國(guó)華盛頓大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、普里斯頓大學(xué)共同發(fā)展的基于物理機(jī)制的、基于網(wǎng)格的大尺度分布式水文模型。該模型考慮了大氣-植被-土壤之間的相互作用過(guò)程，反映土壤、植被、大氣中水熱狀態(tài)變化和水熱傳輸[4]，并通過(guò)網(wǎng)格化，分別考慮每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)多種植被覆蓋類型，以及土壤特性和降雨的空間變異性對(duì)徑流的影響。

VIC模型由一層土壤的VIC-1L模型和兩層土壤的VIC-2L模型，發(fā)展為具有三層土壤的VIC-3L模型。VIC-3L模型在VIC-2L的土壤頂層分出一個(gè)頂薄層[11](常取0.1 m)，它允許土壤層與層之間土壤水的擴(kuò)散。VIC模型是一個(gè)基于空間分布網(wǎng)格化的水文模型，其格網(wǎng)結(jié)構(gòu)便于與氣候模型嵌套以評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)水資源的影響[12]。VIC模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，VIC模型與水文相關(guān)的變量有土壤蒸發(fā)E，植物散發(fā)Et、地表截流蒸發(fā)Ec、潛熱通量L、感熱通量S、長(zhǎng)波輻射RL、短波輻射RS、地表熱通量G、下滲i、滲透Q、地表徑流R、基流B。

圖2 VIC模型結(jié)構(gòu)圖[13]Fig.2 VIC model structure chart

實(shí)際應(yīng)用中，一般先采用VIC模型進(jìn)行水量平衡計(jì)算，輸出研究區(qū)各網(wǎng)格的徑流和蒸發(fā)，再與匯流模型耦合，將網(wǎng)格上的產(chǎn)流轉(zhuǎn)化為流域出口斷面的流量過(guò)程。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文將研究區(qū)劃分為351個(gè)0.25°×0.25°的網(wǎng)格，VIC模型在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)計(jì)算產(chǎn)流。驅(qū)動(dòng)VIC模型需要準(zhǔn)備的輸入文件包括：植被參數(shù)庫(kù)文件、植被參數(shù)文件、土壤參數(shù)文件，氣象強(qiáng)迫數(shù)據(jù)文件和全局控制文件[5]。

VIC模型將陸地表面用N+1種陸面覆蓋類型來(lái)描述，n=1，2，…，N表示N種植被覆蓋類型，n=N+1代表裸土。VIC模型中植被參數(shù)通過(guò)植被參數(shù)庫(kù)文件和植被參數(shù)文件描述。本文中植被參數(shù)庫(kù)中各參數(shù)主要根據(jù)陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(Land Data Assimilation Systems，LADS)確定。植被參數(shù)文件描述各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)各種植被類型的面積比例、葉面積指數(shù)等信息。在模型中，網(wǎng)格內(nèi)總的蒸散發(fā)通過(guò)對(duì)各種地表覆蓋類型上的蒸散發(fā)進(jìn)行面積加權(quán)平均來(lái)計(jì)算。

VIC模型的土壤參數(shù)文件用來(lái)描述土壤的空間差異性。土壤分類根據(jù)NOAA(the National Oceanic and Atmospheric Administration)辦公室提供的全球5′土壤質(zhì)地分類描述。土壤參數(shù)文件中包含每個(gè)網(wǎng)格的主要土壤類型參數(shù)、平均高程、平均年降水量等信息。本文中土壤參數(shù)主要根據(jù)Cosby[14]的成果確定。

本文中氣象強(qiáng)迫數(shù)據(jù)通過(guò)將19個(gè)氣象站點(diǎn)1961-1990年的實(shí)測(cè)日最高、日最低氣溫和日降水?dāng)?shù)據(jù)按反距離平方插值方法插值得到。

全局控制文件描述模型運(yùn)行的時(shí)間步長(zhǎng)、模擬起始時(shí)間、各參數(shù)文件的路徑等信息，用以引導(dǎo)模型運(yùn)行。

3.2 模擬方法

上述文件準(zhǔn)備完畢后則可驅(qū)動(dòng)VIC模型產(chǎn)流部分的運(yùn)行。VIC模型雖具有一定的物理機(jī)制，但由于自然界能量及水文過(guò)程的復(fù)雜性，模型往往采用簡(jiǎn)化的物理方程或經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)描述水分及能量的變化過(guò)程，因此有部分參數(shù)需要水文資料進(jìn)行率定[15]。需要率定的產(chǎn)流參數(shù)主要有模型頂薄層、上層和下層土壤深度、可變下滲曲線指數(shù)binf、最大基流速度Dsmax、產(chǎn)生非線性基流與Dsmax的比值Ds等。底層土壤采用Arno[16]模型的土壤水模塊計(jì)算基流。

本文的模型匯流部分，采用自由水蓄水庫(kù)將總徑流劃分為地表徑流、壤中流和地下徑流，采用馬斯京根分段連續(xù)演算法進(jìn)行河道匯流演算。匯流過(guò)程需率定參數(shù)包括自由水蓄水容量SM、自由水蓄水容量曲線指數(shù)EX、地下水和壤中流的日出流系數(shù)KG和KI、地面徑流消退系數(shù)CS、壤中流消退系數(shù)CI、地下水消退系數(shù)CG、馬斯京根法參數(shù)Kmus和Xmus。

水文站點(diǎn)之間按照匯流次序演算，上游站點(diǎn)的實(shí)測(cè)徑流值采用河道演算方法演算至下游站點(diǎn)。按照所收集到12水文站點(diǎn)各自的徑流資料序列，將其劃分為參數(shù)率定期和驗(yàn)證期。本文采用確定性系數(shù)(Nash-Sutcliffe效率系數(shù)，NSE)最大為目標(biāo)函數(shù)率定VIC模型產(chǎn)、匯流參數(shù)，采用確定性系數(shù)NSE與相對(duì)誤差Bias判別其模擬效果。確定性系數(shù)與相對(duì)誤差計(jì)算方法分別如下式。

(2)

4 結(jié)果分析

4.1 多年徑流模擬

按照上述方法進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，得到12個(gè)水文站率定期與驗(yàn)證期日徑流模擬結(jié)果，如表1所示。

表1 VIC模型模擬西江流域12個(gè)水文站參數(shù)率定期和驗(yàn)證期日徑流過(guò)程Tab.1 The result of day runoff processes during parameters calibrationperiod and verification period simulated by VIC model

由表1可知VIC模型模擬研究區(qū)12個(gè)水文站的多年徑流過(guò)程結(jié)果如下：①率定期7個(gè)站點(diǎn)徑流模擬的確定性系數(shù)(NSE)在0.9以上，3個(gè)站點(diǎn)在0.7～0.9，2個(gè)站點(diǎn)在0.6～0.7；率定期12個(gè)水文站點(diǎn)模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差(Bias)均在±5%之間。②驗(yàn)證期8個(gè)站點(diǎn)的確定性系數(shù)(NSE)高于0.75；除小龍?zhí)墩竞桶嗣镜腂ias偏高， 其余10個(gè)站點(diǎn)的Bias均在±10%。根據(jù)表1，本研究采用的VIC模型能夠較準(zhǔn)確地模擬西江流域多年日流量過(guò)程。

小龍?zhí)?、八茂、這洞等站模擬值與實(shí)測(cè)徑流值相比，NSE偏低(或相對(duì)誤差偏大)，分析其原因，可能是這些站點(diǎn)區(qū)間內(nèi)雨量站數(shù)目較少，降水輸入誤差會(huì)較大程度地影響徑流模擬的精度。

4.2 年內(nèi)徑流模擬

以研究區(qū)中、下游區(qū)域、資料系列較長(zhǎng)且模擬效果相對(duì)較好的天峨、武宣兩個(gè)水文站點(diǎn)為例，分析其年內(nèi)(以模擬相對(duì)穩(wěn)定期1975年為例)日徑流模擬效果，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 VIC模型模擬天峨站1975年日流量過(guò)程Fig.3 Observed and simulated hydrograph by VIC model at Tian′e Station in 1975

圖4 VIC模型模擬武宣站1975年日流量過(guò)程Fig.4 Observed and simulated hydrograph by VIC model at Wuxuan Station in 1975

由圖3和圖4顯示，VIC模型能較好地模擬西江流域1975年的日徑流過(guò)程：天峨站徑流過(guò)程模擬NSE為0.92，相對(duì)誤差為6.78%；武宣站徑流過(guò)程模擬NSE為0.95，相對(duì)誤差為2.71%。但由圖3和圖4可以看出VIC模型對(duì)兩個(gè)站點(diǎn)的洪峰模擬系統(tǒng)偏小。主要原因是這些峰值高的洪水過(guò)程多是由暴雨形成，而研究區(qū)內(nèi)數(shù)量有限的氣象站點(diǎn)可能不能夠準(zhǔn)確記錄暴雨中心的雨量，因此輸入的降水值可能偏小，很可能引起洪峰模擬系統(tǒng)偏小。對(duì)枯季徑流，VIC模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)偏差較為明顯。主要原因可能為，本文采用確定性系數(shù)最大為目標(biāo)函數(shù)，通常能有效地率定高流量過(guò)程，所率定的參數(shù)可能不能有效表征枯季徑流的水文特征。

總體而言，VIC模型能較好地再現(xiàn)西江流域的水文過(guò)程，模擬效果較好。

5 結(jié) 語(yǔ)

西江流域水資源呈現(xiàn)年際間豐枯交替、年內(nèi)水資源空間分布不均等特點(diǎn)，并導(dǎo)致流域水旱災(zāi)害的威脅與水資源短缺、水污染嚴(yán)重困擾并存[17]。此外，由于氣候變化或氣候異常的影響，水資源的供需矛盾日益突出。因此，氣候變化對(duì)流域水資源的影響研究已成為目前水文水資源研究的熱點(diǎn)。而評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)水文水資源的影響時(shí)，水文模型是最為常用且有效的工具，故研究不同區(qū)域水文模型的適用性可為氣候變化影響研究奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

本文采用VIC模型模擬西江流域基準(zhǔn)期(1961-1990年)多年日徑流過(guò)程，確定性系數(shù)較高，相對(duì)誤差較 ??；模型對(duì)兩個(gè)水文站點(diǎn)的洪峰估計(jì)均偏低，但整體誤差較小，模擬精度較高。因此，可采用VIC模型模擬西江流域的徑流過(guò)程，并做水文預(yù)報(bào)分析及氣候變化的水文響應(yīng)研究。

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