黃 亞，肖偉華，陳立華

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.中國水利水電科學(xué)研究院水資源所，北京100038)

在認(rèn)識和模擬流域水文過程方面，流域水文模型發(fā)揮著日益重要的作用，根據(jù)復(fù)雜水文過程的概化方式、概化程度以及概化假設(shè)的不同，可以將流域水文模型分為集總式水文模型和分布式水文模型，其中分布式水文模型對水文循環(huán)物理過程的模擬更接近客觀世界，更能真實地模擬水文循環(huán)過程，且能與多種模型耦合嵌套使用，成為當(dāng)前流域水文模擬的重要發(fā)展趨勢之一[1]。在眾多分布式水文模型中，VIC(Variable Infiltration Capacity)模型由于操作原理簡單，模型精度較好，已被廣泛應(yīng)用于流域徑流模擬、氣候變化對水資源影響、陸氣耦合及土壤含水量模擬研究，并在不同尺度流域均已成功應(yīng)用[2-5]。山翠紅[6]運(yùn)用VIC模擬了西江流域徑流過程，模擬結(jié)果能夠基本再現(xiàn)流域內(nèi)水文站點(diǎn)日徑流過程，在流域內(nèi)具有良好的適用性。金君良[7]利用VIC模型分析了西北干旱半干旱地區(qū)地區(qū)水量及能量平衡，結(jié)果表明VIC模型對西北干旱半干旱地區(qū)能量的模擬效果優(yōu)于水量的模擬。張?zhí)m影[8]VIC模型在我國濕潤區(qū)域進(jìn)行了水文模擬，并和集中式水文模型新安江模型進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)VIC模型在豐水期模擬效果要好于新安江模型。以上研究表明VIC模型在我國不同地區(qū)已經(jīng)得到應(yīng)用，且得到了良好的模擬效果。

本文利用DEM、植被覆蓋數(shù)據(jù)、土壤等下墊面數(shù)據(jù)，基于0.5°×0.5°網(wǎng)格分辨率，選取位于我國西南地區(qū)的龍灘水庫流域，采用VIC模型與匯流模型耦合，進(jìn)行參數(shù)率定與流量過程的模擬，探討VIC模型在龍灘水庫流域徑流的模擬效果與適用性，研究成果可對龍灘水庫流域的分布式水文模擬和水資源管理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

龍灘水庫位于102°14′E～107°32′E，23°11′N～27°01′N，水庫壩址坐落于中國西南部廣西、云南和貴州三省的交界處，是一座兼具發(fā)電、防洪、灌溉等多功能的大型水利樞紐工程，是紅水河梯級開發(fā)的龍頭水庫，流域總面積98 500 km2。龍灘水庫流域地處喀斯特山區(qū)，屬于亞熱帶氣候區(qū)，氣候溫和多雨，地勢自西北向東南傾斜，流域平均海拔高程1 450 m。流域內(nèi)各地的多年平均降雨量在760～1 860 mm之間，汛期(4月～10月)占全年水量的88.4%，多年平均月降雨量最大值出現(xiàn)在6月份，占多年平均降雨量的19%，其次是7月、8月和5月，流域內(nèi)各地區(qū)多年平均氣溫在12.3～21.3 ℃之間。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文VIC模型構(gòu)建所需數(shù)據(jù)為DEM數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、植被覆蓋數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。其中DEM數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http:∥www.gscloud.cn/)提供的90 m空間分辨率的SRTM_DEM數(shù)據(jù)；土壤質(zhì)地分類是根據(jù)美國NOAA文辦公室提供的全球5 min的土壤數(shù)據(jù)(http:∥www.fao.org/soils-portal/en/)；植被覆蓋采用Maryland大學(xué)發(fā)展的全球1 km分別率的植被覆蓋分類數(shù)據(jù)(http:∥www.landcover. orgdatalandcover/data.shtml)；氣象數(shù)據(jù)為中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的流域內(nèi)18個國家基準(zhǔn)氣象站1981年～2010年逐日降水、最高氣溫、最低氣溫以及風(fēng)速數(shù)據(jù)，對部分站點(diǎn)缺測數(shù)據(jù)利用ArcGIS克里金插值以及多元回歸插值進(jìn)行補(bǔ)全；然后，利用反距離權(quán)重法將氣象數(shù)據(jù)插值到模型計算網(wǎng)格；模型率定驗證所用的水文數(shù)據(jù)來自于龍灘水庫下游天峨水文站1981年～2010年逐日徑流量數(shù)據(jù)。

2.2 VIC模型簡介

可變下滲能力水文模型VIC[9-10]是由美國華盛頓大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、普林斯頓大學(xué)的研究者基于Wood等[11]共同發(fā)展的具有物理機(jī)制的、基于正交網(wǎng)格的大尺度分布式水文模型，它能夠同時模擬地表間的能量平衡和水量平衡[12-13]，在世界上很多流域得到了廣泛的應(yīng)用[13-16],并且獲得了很好的模擬結(jié)果，例如長時間的地表通量模擬，流域徑流模擬及預(yù)報，干旱事件的重構(gòu)、分析和預(yù)報，以及區(qū)域水資源管理等[15,17]。VIC 模型本身無匯流模塊，為分析模型對徑流的模擬能力，采用由Dag Lohmann等發(fā)展的匯流模型模擬流域的徑流過程，該模型采用單位線法進(jìn)行面匯流計算，利用圣維南方程進(jìn)行河道匯流的演算[18]。

2.3 參數(shù)率定與檢驗方法

在模型的率定和檢驗中采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ef[19]和相對誤差Er對模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評價，Nash-Sutliffe效率系數(shù)用來分析模型的模擬結(jié)果與實測結(jié)果的擬合程度。其值越接近1，說明擬合程度越高。Er用來反映模型的模擬結(jié)果與實測結(jié)果在總量上的偏離程度，其值越接近0說明模型的模擬結(jié)果越接近實測結(jié)果。即

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3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模型參數(shù)率定

將1981年～2000年設(shè)定為模型率定期，2001年～2010年為驗證期，在移植濕潤地區(qū)VIC模型參數(shù)[8,20]的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動調(diào)整參數(shù)，模型參數(shù)率定結(jié)果見表1和模擬效果見圖1。

表1 VIC模型模擬龍灘水庫流域模型參數(shù)取值

圖1 龍灘水庫流域模擬及實測月徑流過程對比

根據(jù)Nash-Sutcliffe效率系數(shù)和相對誤差計算結(jié)果對模擬流量數(shù)據(jù)與實測流量數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的對比分析。由圖1可知，VIC模型在模型率定期和驗證期內(nèi)各年的Ef均在0.85以上，Er在0.05%以內(nèi)。通過參數(shù)率定，VIC模型在率定期內(nèi)模擬流量能夠較好的反映龍灘水庫流量過程的基本特征。率定期和驗證期內(nèi)的效率系數(shù)和相對誤差能夠滿足該流域水資源評價與規(guī)劃的要求。

1981年～2010年各月份實測徑流均值與模擬徑流均值對比見圖2，其Ef為0.979，Er為0.023%。從圖2可看出，VIC模型在龍灘水庫流域月尺度平均流量的整體模擬效果良好。

圖2 1981年～2010年各月實測徑流均值與模擬徑流均值對比

3.2 VIC模型模擬效果分析(豐枯年模擬效果分析)

為了進(jìn)一步分析VIC模型在龍灘水庫流域的模擬效果，選擇1981年～2010年中的典型豐水年(1997年、2000年)以及典型枯水年(1989年、2003年)實測及模擬的日徑流過程進(jìn)行分析(見圖3)。

圖3 典型年實測及模擬日徑流過程對比

從圖3可以看出模擬的日徑流和實測日徑流過程基本吻合，能夠?qū)Ψ瀣F(xiàn)時間進(jìn)行較好的模擬，對于峰值流量的模擬還存在較大誤差；豐水年模擬得到的Ef高于枯水年模擬得到結(jié)果，而豐水年模擬得到的徑流Er的絕對值小于枯水年模擬得到的值。總體上豐水年模擬效果優(yōu)于枯水年模擬效果，且對流量的模擬在枯水年存在偏大的情況，而豐水年則存在模擬偏小的情況。

3.3 龍灘水庫流域徑流時空分布

龍灘水庫流域多年平均徑流深以及多年平均降雨量的空間部分統(tǒng)計資料顯示，其徑流與降水在空間分布上具有較強(qiáng)的相似性，在流域中、東部地區(qū)徑流分布較多，而在流域西部地區(qū)分布較少；對比1981年～2000年與2001年～2010年多年平均徑流深，流域徑流整體上呈現(xiàn)出一定的減少，徑流的時空分布變化主要受到降水時空變化的影響。

4 結(jié) 語

本研究結(jié)果表明：VIC模型在龍灘水庫流域能夠建立良好的降水徑流關(guān)系，可以有效反映龍灘水庫的徑流過程，驗證期模擬的流量相對誤差均小于5%，模擬的流量過程確定性系數(shù)大于0.8，在流域內(nèi)具有良好的適用性；VIC模型對龍灘水庫流域徑流過程中較大洪峰模擬效果欠佳，對于參數(shù)率定結(jié)果的不確定性引起的模擬結(jié)果誤差，可以通過對參數(shù)率定方法進(jìn)行更深入的研究予以減??；龍灘水庫流域徑流空間分布總體呈現(xiàn)東多西少的分布規(guī)律，這主要與流域的降水空間分布有關(guān)，受降水量減少的影響。