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        VIC模型在西江流域徑流模擬中的應(yīng)用

        2016-03-23 05:30:33山紅翠孫飛飛
        中國(guó)農(nóng)村水利水電 2016年4期
        關(guān)鍵詞:西江流域匯流水文站

        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?,采用VIC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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