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(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所，北京100038)

在認(rèn)識(shí)和模擬流域水文過(guò)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(guò)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(duì)水文循環(huán)物理過(guò)程的模擬更接近客觀世界，更能真實(shí)地模擬水文循環(huán)過(guò)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(shì)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(jiǎn)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(guó)濕潤(rùn)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(duì)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(guó)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(guó)西南地區(qū)的龍灘水庫(kù)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(guò)程的模擬，探討VIC模型在龍灘水庫(kù)流域徑流的模擬效果與適用性，研究成果可對(duì)龍灘水庫(kù)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(kù)位于102°14′E～107°32′E，23°11′N～27°01′N，水庫(kù)壩址坐落于中國(guó)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(jí)開發(fā)的龍頭水庫(kù)，流域總面積98 500 km2。龍灘水庫(kù)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(shì)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(lái)源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)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(guó)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(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的流域內(nèi)18個(gè)國(guó)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(duì)部分站點(diǎn)缺測(cè)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(jì)算網(wǎng)格；模型率定驗(yàn)證所用的水文數(shù)據(jù)來(lái)自于龍灘水庫(kù)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(jiǎn)介

可變下滲能力水文模型VIC[9-10]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(shí)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(zhǎng)時(shí)間的地表通量模擬，流域徑流模擬及預(yù)報(bào)，干旱事件的重構(gòu)、分析和預(yù)報(bào)，以及區(qū)域水資源管理等[15,17]。VIC 模型本身無(wú)匯流模塊，為分析模型對(duì)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(guò)程，該模型采用單位線法進(jìn)行面匯流計(jì)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(yàn)方法

在模型的率定和檢驗(yàn)中采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ef[19]和相對(duì)誤差Er對(duì)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，Nash-Sutliffe效率系數(shù)用來(lái)分析模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的擬合程度。其值越接近1，說(shuō)明擬合程度越高。Er用來(lái)反映模型的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在總量上的偏離程度，其值越接近0說(shuō)明模型的模擬結(jié)果越接近實(shí)測(cè)結(jié)果。即

(1)

(2)

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(yàn)證期，在移植濕潤(rùn)地區(qū)VIC模型參數(shù)[8,20]的基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)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(kù)流域模型參數(shù)取值

圖1 龍灘水庫(kù)流域模擬及實(shí)測(cè)月徑流過(guò)程對(duì)比

根據(jù)Nash-Sutcliffe效率系數(shù)和相對(duì)誤差計(jì)算結(jié)果對(duì)模擬流量數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的對(duì)比分析。由圖1可知，VIC模型在模型率定期和驗(yàn)證期內(nèi)各年的Ef均在0.85以上，Er在0.05%以內(nèi)。通過(guò)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(kù)流量過(guò)程的基本特征。率定期和驗(yàn)證期內(nèi)的效率系數(shù)和相對(duì)誤差能夠滿足該流域水資源評(píng)價(jià)與規(guī)劃的要求。

1981年～2010年各月份實(shí)測(cè)徑流均值與模擬徑流均值對(duì)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(kù)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(shí)測(cè)徑流均值與模擬徑流均值對(duì)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(kù)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(shí)測(cè)及模擬的日徑流過(guò)程進(jìn)行分析(見圖3)。

圖3 典型年實(shí)測(cè)及模擬日徑流過(guò)程對(duì)比

從圖3可以看出模擬的日徑流和實(shí)測(cè)日徑流過(guò)程基本吻合，能夠?qū)Ψ瀣F(xiàn)時(shí)間進(jìn)行較好的模擬，對(duì)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(duì)值小于枯水年模擬得到的值?？傮w上豐水年模擬效果優(yōu)于枯水年模擬效果，且對(duì)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(kù)流域徑流時(shí)空分布

龍灘水庫(kù)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(jì)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(duì)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(shí)空分布變化主要受到降水時(shí)空變化的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究結(jié)果表明：VIC模型在龍灘水庫(kù)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(kù)的徑流過(guò)程，驗(yàn)證期模擬的流量相對(duì)誤差均小于5%，模擬的流量過(guò)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(duì)龍灘水庫(kù)流域徑流過(guò)程中較大洪峰模擬效果欠佳，對(duì)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(guò)對(duì)參數(shù)率定方法進(jìn)行更深入的研究予以減小；龍灘水庫(kù)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。