唐雄朋，呂海深,2，卞玉敏，趙盼盼

(1.河海大學(xué)水文與水資源學(xué)院，南京 210098；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)

隨著近現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，特別是近年來(lái)“3S”[1]技術(shù)的飛速發(fā)展，使得數(shù)字高程模型以及遙感信息得以廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在水文模擬與預(yù)報(bào)領(lǐng)域，應(yīng)用的比較多的分布式水文模型主要有SHE[2](System Hydrologic European)、VIC[3](Variable Infiltration Capacity)、TOPMODEL[4]和SWAT[5](Soil and Water Assessment Tool)模型等。本文將要介紹的DHSVM[6]模型是由美國(guó)西北太平洋實(shí)驗(yàn)室Wigmosta等在1994年研制的具有物理意義的分布式模型，模型詳盡地考慮了土壤、植被、地形等與水循環(huán)的物理關(guān)系，并且在國(guó)外也獲得了成功應(yīng)用。該模型適宜在中小流域進(jìn)行水文模擬，它是在水平方向上把所研究的流域劃分成若干個(gè)面積相等的網(wǎng)格單元來(lái)進(jìn)行水文計(jì)算，網(wǎng)格分辨率一般是在幾十到幾百米之間。國(guó)內(nèi)王守榮等首先將該模型應(yīng)用于半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)的海河和灤河流域，且取得了比較好的模擬結(jié)果；郝振純等將該模型應(yīng)用于寶庫(kù)河流域也取得了比較好的模擬結(jié)果。本文把DHSVM模型應(yīng)用于青藏高原高寒地區(qū)[7]----沱沱河流域，探討了該模型在高寒地區(qū)的適用性，為青藏高原三江源廣大無(wú)資料地區(qū)的水文模擬與預(yù)報(bào)，以及人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)流域水文過(guò)程的影響提供了有效可行的方法。

1 分布式水文模型(DHSVM)

1.1 DHSVM模型基本原理

DHSVM模型是一個(gè)以數(shù)字高程模型(DEM)節(jié)點(diǎn)為中心的分布式水文模型[8]。模型主要由蒸散發(fā)、冠層截雪和積雪融化、地面降雪和融雪、飽和壤中流、不飽和土壤水運(yùn)動(dòng)、飽和坡面流河道流量驗(yàn)算、植被陰影等模塊對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行模擬，各個(gè)模塊將流域水量平衡、能量平衡聯(lián)立起來(lái)求解。模型采用GIS、ARC/INFO軟件自動(dòng)建模，GIS用來(lái)獲取模型中流域的DEM網(wǎng)格輸入?yún)?shù)，包括各個(gè)網(wǎng)格的土地利用圖、土壤類型、植被類型、河道情況等。ARC/INFO軟件用來(lái)將流域河網(wǎng)分成若干段，計(jì)算每段的局部坡度以及水流的流向，然后給河流排定正確的水流路徑。模型在計(jì)算產(chǎn)流時(shí)主要采用逐網(wǎng)格法和單位線法，而當(dāng)網(wǎng)格內(nèi)具有河道截流的時(shí)候只能使用逐網(wǎng)格法。河道的流量驗(yàn)算一般采用線性槽蓄法。

1.2 DHSVM模型物理過(guò)程

DHSVM模型是基于物理過(guò)程的分布式水文模型，用來(lái)拓展水文過(guò)程的空間和時(shí)間尺度，在模型的物理過(guò)程中需要同時(shí)考慮流域的水量平衡和能量平衡的計(jì)算。

(1)水量平衡。

ΔSs1+ΔSs2+ΔSio+ΔSiu+ΔW=

P-Eio-Eiu-Es-Eto-Etu-P2

(1)

式中：ΔSs1、ΔSs2分別為上層土壤水和下層土壤水增量；ΔSio、ΔSiu分別為上下冠層截留水的增量；ΔW是雪水當(dāng)量增量；P為降水量；Eio、Eiu、Es分別為上冠層、下冠層和土壤蒸發(fā)量；Eio、Eiu分別為上、下冠層的散發(fā)量；P2為下層土壤水下滲量。

(2)能量平衡。該模型的能量模塊是用來(lái)模擬流域融雪、雪蓋以及再凍結(jié)的熱量變化，模型的雪蓋能量平衡的計(jì)算公式如下：

cwWdTw/dt=Rns+Qs+Q1+Qp+Qm+Qg

(2)

式中：cw為冰的比熱容值；W為流域雪水當(dāng)量；Tw為流域雪蓋溫度；t為時(shí)間；Rns為空氣和雪面的能量交換；Qs為空氣渦動(dòng)導(dǎo)致的熱傳輸；Q1為升華、蒸發(fā)造成的流域能量損失；Qp為流域降雨過(guò)程中平流輸送至雪蓋的熱量；Qm為冰雪消融導(dǎo)致內(nèi)部潛熱的損失或者由液態(tài)水凍結(jié)成冰得到的熱量；Qg為雪蓋與地面界面上傳導(dǎo)的熱量。

2 模型在沱沱河流域的應(yīng)用

2.1 沱沱河流域概況

沱沱河流域[9]位于青海省西南部青藏高原腹地，是長(zhǎng)江的正源，為通天河的支流，發(fā)源于唐古拉山脈主峰格拉丹東西南側(cè)姜根迪如雪山的冰川，經(jīng)緯度范圍為89°48′～92°54′E，33°22′～35°12′N，流域面積15 924 km2，冰川面積為381 km2，約占流域面積的2.39%。流域地勢(shì)高聳，最低海拔4 489 m，最高海拔6 468 m，南北均有高山、地形封閉，屬于高空西風(fēng)帶控制區(qū)。氣候干寒，終年低溫，流域內(nèi)多年平均氣溫為-4.2 ℃，7月最熱平均氣溫7.5 ℃，1月最冷平均氣溫為-24.8 ℃，每年凍結(jié)期長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月。沱沱河流域處于西風(fēng)帶內(nèi)，盛行西風(fēng)，流域多年平均風(fēng)速為3.9 m/s，最大風(fēng)速約為40 m/s。流域內(nèi)氣候干旱，降水量較少，其多年平均降水量約為283.1 mm，月最大降水量為174 mm(1972年7月)，日最大降水量34.4 mm(1963年7月17日)，降水多集中在7-9月。流域多年平均流量26.2 m3/s，年均徑流深51.9 mm，流域內(nèi)有氣象站沱沱河氣象站(見(jiàn)圖1)，只有一個(gè)國(guó)家級(jí)水文站，即沱沱河水文站(地理位置與沱沱河氣象站相鄰)，由于惡劣的氣候環(huán)境和生活條件，沱沱河水文站觀測(cè)工作只能從每年5-10月展開(kāi)。流域植被基本以高原草甸和高寒草甸為主。

圖1 沱沱河流域氣象站位置及流域水系

2.2 模型的輸入數(shù)據(jù)及其處理

流域的地形數(shù)據(jù)主要采用來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云的90 m×90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用Arcinfo提取和生成的沱沱河流域的河網(wǎng)和地形參數(shù)(見(jiàn)圖1)。植被數(shù)據(jù)主要使用地理空間數(shù)據(jù)云提供的全國(guó)尺度2009年植被數(shù)據(jù)，主要根據(jù)馬里蘭大學(xué)提出的植被類型數(shù)據(jù)和植被分類方法，將流域的植被類型分為針葉林、高山草甸、荒漠草原、水體、冰川五類(見(jiàn)圖2)。土壤數(shù)據(jù)主要使用中國(guó)科學(xué)研究院提供的中國(guó)土壤100萬(wàn)(2009年)，將沱沱河流域土壤類型分為砂土、壤砂土、砂壤土三類(見(jiàn)圖3)。然后再利用Arcgis將植被、土壤類型等分類數(shù)據(jù)處理到每一個(gè)格網(wǎng)上。

圖2 沱沱河流域植被類型分布

圖3 沱沱河流域土壤類型分布

流域的氣象資料來(lái)源于沱沱河氣象站，站點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。模型需要輸入的氣象數(shù)據(jù)主要包括：降水、最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、長(zhǎng)短波輻射7個(gè)日尺度的數(shù)據(jù)。水文資料來(lái)源于沱沱河水文站1993-2010年的日徑流資料，使用DHSVM模型的內(nèi)插方案，獲取流域內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速以及降水資料，從而確保了水文資料具有一定的代表性。

模型參數(shù)主要包括常量參數(shù)和變量參數(shù)兩種。常量參數(shù)也就流域中每一個(gè)網(wǎng)格都取相同值的參數(shù)。變量參數(shù)主要包括植被參數(shù)和土壤參數(shù)，在模型中，隨著地理位置的變化，不同網(wǎng)格中的植被和土壤參數(shù)有著不同的取值。

2.3 模型參數(shù)的率定

水文模型中的參數(shù)率定[10]過(guò)程即模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相匹配的過(guò)程，根據(jù)郝振純[11]等，DHSVM模型中有7個(gè)植被土壤參數(shù)在水文模擬過(guò)程中比較敏感(見(jiàn)表1)。在植被參數(shù)中，增加hj的值，將降低雪蓋或者地表風(fēng)速。rsmin與溫度等其他因素共同決定植被散發(fā)；LAI與其他的因素則是共同決定著冠層的阻抗、冠層的最大截流與蓄水能力以及冠層對(duì)太陽(yáng)輻射的截獲，增加LAI的值，一般能增加冠層蒸散發(fā)的速率，從而使得徑流曲線上升的過(guò)程中出現(xiàn)峰現(xiàn)滯后，峰值減小。而在土壤參數(shù)中，增加K，則徑流量增加，匯流時(shí)間也會(huì)隨之減少；而增加P則會(huì)減小徑流模擬的峰值，匯流時(shí)間也隨之增加；增加f通常會(huì)增加匯流時(shí)間、減少模擬徑流量；增加fc的值，通常會(huì)增加模擬的徑流量。

本文采用的參數(shù)率定方法是人工試錯(cuò)法，即手動(dòng)設(shè)定植被、土壤參數(shù)的輸入值，來(lái)使模型的模擬值與實(shí)測(cè)結(jié)果相匹配。在模型參數(shù)率定的過(guò)程中，結(jié)合沱沱河水文站1993-2010年實(shí)測(cè)的徑流量，使用納什效率系數(shù)、相對(duì)誤差兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定模型的模擬結(jié)果。

表1 敏感性較高的植被和土壤參數(shù)

(1)納什效率系數(shù)Ens。在水文預(yù)報(bào)中納什效率系數(shù)[12]是用來(lái)評(píng)定水文模型模擬的精度，衡量水文模型模擬值和實(shí)際觀測(cè)值之間的擬合度，其值愈接近于1，則說(shuō)明模型模擬的效果愈好，即模型模擬的徑流值愈接近實(shí)測(cè)值，反之則愈差。

(3)

(2)相對(duì)誤差Er。水文預(yù)報(bào)中相對(duì)誤差是用來(lái)反映模型模擬值與實(shí)測(cè)值之間的偏離程度，該值愈小則說(shuō)明模型模擬值愈接近實(shí)測(cè)的流量值，計(jì)算公式如下：

(4)

依據(jù)水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范，納什效率系數(shù)的精度可以劃分為甲、乙、丙3個(gè)等級(jí)，其相對(duì)應(yīng)的值分別為Ens≥0.9、0.9>Ens≥0.7、0.7>Ens≥0.5；相對(duì)誤差Er在20%以內(nèi)均為預(yù)報(bào)許可誤差。

3 結(jié)果與分析

利用DHSVM模型對(duì)沱沱河流域徑流過(guò)程進(jìn)行模擬，使用沱沱河水文站的實(shí)測(cè)徑流資料分別檢驗(yàn)?zāi)Ｐ吐识ㄆ?1993-2001年)和驗(yàn)證期(2002-2010年)的月徑流模擬值(見(jiàn)圖4)。使用水量平衡和能量平衡模式模擬的率定期以及驗(yàn)證期流量的相對(duì)誤差分別為-0.032和0.053；月徑流過(guò)程率定期和驗(yàn)證期的納什模型效率系數(shù)分別為0.82和0.84。將以上模擬結(jié)果與目標(biāo)函數(shù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，模型模擬的月尺度率定期和驗(yàn)證期的納什效率系數(shù)均達(dá)到了乙級(jí)，相關(guān)性較高，滿足該流域水資源評(píng)價(jià)和規(guī)劃的基本要求，且率定期、驗(yàn)證期的相對(duì)誤差也均在許可誤差范圍之內(nèi)。參照?qǐng)D4徑流模擬圖，大多數(shù)年份模型在豐水期對(duì)洪峰的模擬均十分接近于實(shí)測(cè)徑流值，表明，DHSVM模型在沱沱河流域具有一定的適用性，同時(shí)也表明該模型在高寒地區(qū)具有較好的適用性。

圖4 率定期和驗(yàn)證期的月徑流模擬值

沱沱河流域1993-2010年18 a的年平均流量對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果(見(jiàn)圖5)顯示，模型模擬流量值與沱沱河水文站實(shí)測(cè)值也較為接近，模擬值變化趨勢(shì)跟實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，除了少數(shù)年份外，模擬結(jié)果均在可接受范圍之內(nèi)，依據(jù)公式(4)，求得其相對(duì)誤差在20%以下的年份為15 a，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)83.3%。而沱沱河水文站18 a平均流量實(shí)測(cè)值為422.50 m3/s，平均流量模擬值為408.02 m3/s，模擬值比實(shí)測(cè)值低了3.4%，亦在可接受的范圍之內(nèi)。

圖5 1993-2010年模擬與實(shí)測(cè)徑流量

從以上結(jié)果分析可以看出，本文介紹的DHSVM模型在沱沱河流域徑流模擬與實(shí)測(cè)一致性較好，也說(shuō)明模型在高寒地區(qū)具有一定的適用性。而造成模型模擬誤差的原因可能有：本文使用模型分辨率為1 km×1 km，而流域面積達(dá)15 924 km2，每一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)植被、土壤參數(shù)均取了相同的值，在一定程度上可能會(huì)影響模型的模擬精度；沱沱河整個(gè)流域只有1個(gè)氣象站，模型需要輸入的氣象因素均來(lái)自沱沱河氣象站(位置見(jiàn)圖1)實(shí)測(cè)資料，加之沱沱河流域位于高寒地帶，海拔跨越近2 km，一個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)并不能很好地反映流域的氣候特征；沱沱河流域?qū)儆谇嗖馗咴吆貐^(qū)，在每年冰凍期缺乏實(shí)測(cè)流量資料，對(duì)模型的模擬結(jié)果也會(huì)有一定的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文以沱沱河流域?yàn)槔褂肈HSVM模型模擬高寒地區(qū)徑流量，結(jié)果表明，模型模擬的月徑流過(guò)程與實(shí)測(cè)徑流過(guò)程較為吻合，初步表明DHSVM模型在沱沱河流域具有一定的適用性，也說(shuō)明模型在高寒凍土地區(qū)具有一定的適用性。

(2)模型的模擬精度仍有待提高，在模擬過(guò)程中，模型參數(shù)的取值過(guò)程中主要參考了國(guó)內(nèi)外的一些研究成果，可能會(huì)造成參數(shù)不同模擬結(jié)果相同的現(xiàn)象，因此，模型在應(yīng)用的過(guò)程中，應(yīng)該加強(qiáng)實(shí)地考查，以獲取更為精確的流域植被土壤參數(shù)值。

(3)為了提高模型的模擬精度，針對(duì)流域中存在著2.39%的冰川這一情況，在下一步的研究過(guò)程中，將在模型中加入冰川模塊，用來(lái)補(bǔ)充完善模型對(duì)流域徑流過(guò)程的模擬。

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