淮河流域陆面水文过程的数值模拟

赵瑾,程兴无

(水利部淮河水利委员会水文局,安徽蚌埠 233001)

淮河流域陆面水文过程的数值模拟

赵瑾,程兴无

(水利部淮河水利委员会水文局,安徽蚌埠 233001)

采用生物—大气传输模式(BATS模型)模拟了淮河流域山丘区和平原区在1998年汛期的暴雨洪水过程,从陆地—大气间水量交换的角度揭示了径流量、土壤含水量、土壤质地、植被分布的内在联系。结果表明:对于山丘区和平原区而言,根系层土壤含水量、土壤质地以及土壤颜色的变化对径流量的影响具有相似性,但是敏感性不同;而山丘区和平原区深层土壤含水量和植被覆盖率变化对径流量影响的作用正好相反。这些结果显示,由于山丘区与平原区的不同气候和下垫面条件,而造成两者水文性质的差异性,反映了大气—水文之间关系与作用的不同特征。

淮河流域;陆面水文过程;BATS模型;水文模拟

0 引言

近年来,无论水文学家还是气象学家越来越重视水文在地圈—生物圈中的作用。人们在寻求陆面水文过程与大气之间的相互作用与反馈机制,一般的大气环流模式中都必须考虑地—气相互作用,通过对陆面水文过程更加真实的描述,来调整气象模式,研究水资源的变化,进而改变全球的气候模式。

在气象模式中,已发展了许多陆面过程模式[1-2],如Fujiyoshi和Ding[3]在HUBEX-GEWEX研究中采用的S iBUC、王守荣等[4]在海滦河山区模拟中采用的DHSVM以及陈海山和孙照渤[5]所提到SHE、HBV、V IC等,均取得了较好的模拟结果。区域水文模拟研究随陆面模式的发展得到了明显的改善,丁彪和曾新民[6]根据我国区域特点改进了地表水模型,此外针对短期气候及陆面水文也开展了诸多研究[7-8]。

水文气象耦合模式中,水文循环的描述是当前全球气候模式中的薄弱环节,在耦合模式中偏重于气象因素,对陆面过程描述过于简单,尤其是对局部的水文过程描述更显得不够[9-10]。由最简单的水桶模型到现在的多层土壤植被系统,虽准确地描述了大气、土壤和植被间的水量、热量交换的真实物理途径,但是没有考虑到不同地形对产汇流造成的影响,齐丹等[11]、张红平等[12]研究表明地形、土壤特性对径流会产生重要影响。因此要将大气、陆面、地表水作为一个完整的系统进行研究[13]27-69,应注重对水文循环过程的真实描述,一方面能改进气候模式随时间尺度的变化及其对水循环的响应,另一方面可以评估气候对水文的影响。

水文气象耦合模式的两个难点在于:一是气象因子的快变过程与水文因素的慢变不适应;二是气象大尺度空间均匀场与水文空间场极不均匀性很难协调。为解决二者的耦合,就必须获得高质量的陆地与大气之间的通量描述,基于这个原因,考虑到BATS陆面模式在分析不同地形和土地利用方面的优势,以及对现有资料利用的方便性,本文从生物—大气传输方案出发,利用BATS陆面过程模式进行计算,选取淮河流域山丘区和平原区两个典型水文特征地区,利用1998年全球能量与水循环试验淮河流域试验区(HUBEX)的加密资料,对1998年汛期暴雨洪水过程进行模拟研究,从陆地—大气间水量交换的角度揭示径流量、土壤含水量、土壤质地、植被分布间的内在联系,揭示大气与陆地水文间的关系与作用。

1 陆面模式BATS简介

地球生物圈是地球气候系统的重要组成部分,地表及其植被覆盖的动力学过程、热力学过程以及生理过程是影响气候变化的关键因素。因此在气候模式中陆面描述与植被覆盖相关的物理过程就变得相当重要,这些物理过程参数化的数值模式被称为陆面过程模型。能量平衡和水分平衡是陆面过程模式的物理基础。

1.1 BATS模型

陆面过程模式是由不同的物理过程模式组成,包括与植被形状相关的动力学特征的参数化,冠层内的长短波辐射传输和降雨截获等,与植物生理相关的光合作用、蒸腾与蒸散以及土壤内的水热传导的物理过程,土壤化学过程等[13]125-209。这些物理过程参数化的发展和完善极大地丰富了陆面过程模式的内容,而生态系统物种的多样性以及植被、地形等差异,导致了气候生态学的复杂性,更重要的是,不可能用一致的显式物理方程约束,增加了植被参数化的难度。

在陆面过程模式的发展中,BATS模型具有一定代表性,它采用整体模型因而简化了陆面过程模式,但模型对陆地的描述十分详细,从裸土到植被,从积雪到冠层,从地表到地下,使用了大量的参数(图1)。用植被覆盖指数对植被进行描述,其中降雨拦截作用、气孔阻滞和辐射的传输等过程采用了一整套参数化方案。

1.2 BATS模型主要计算公式及参数

BATS模式是国际上得到普遍认同的陆面过程模式,描述了陆面—大气之间动量、能量和水汽的传输,包括10～20 cm深植被根部的水平衡的计算。BATS的地面水文表达式,包括地面土壤层和根层的水分预报方程,描述了根部降水、雪融、蒸发、地表径流、渗透(或排水)以及土壤层之间的水分交换。降水被植冠截留,或者再蒸发,或者下落到土壤中。土壤水分用3个量来模拟计算:表层水分、根层水分和深层水分[14]。

图1 BATS模型简化描述边界层和地面情况[9]Fig.1 Structure of boundary layer and ground circumstance in the BATSmodel[9]

1.2.1 径流表达式

在BATS模型中,径流分地表径流Rs和壤中流Rg两部分,分别表示为

式中:si=Si/Smaxi(i=0,1,2为3层土壤)是深层、根系层、表层土壤相对含水量[15];n为地表径流系数(考虑到土壤冻结以及土壤含水量对径流产生有重要影响,BA TS模型中定义:当土壤表层温度大于0℃时,地表径流指数n=4;当土壤冻结时,n=1);Z为土壤厚度;GW为有效降水,由裸地上的降水(P(1-σf))与植被截留后落至地面的水(σfPexc)组成,即:GW=P(1-σf)+σfPexc;k0为饱和土壤水力学传导率;B为与土壤质地指数有关的参数。

当3层土壤水饱和,即si=1时,Rs=GW,Rg=h0;否则Rs

1.2.2 土壤水变化

在BA TS模型中,三层土壤水随时间的变化由以下水量平衡方程决定:

式中:Fg为土壤蒸发;Etr为植被散发;Rt为表层土壤的根系指数;r2(S2,S1)及r1(S1,S0)分别为土壤层之间水分在垂向的交换通量[10]。

1.2.3 计算径流所需的资料

1)大气强迫输入。包括每小时的降水率P、近地面层空气温度Ta、空气湿度qa、气压pa、风速Va和云量。

2)三层土壤水初值s2、s1、s0。

3)与土壤植被特征有关的参数。BA TS根据全球陆面特征定义了18种陆面覆盖,12种土壤质地和8种土壤颜色。对不同的纹理标定了土壤含水量Smax(mm)、最大蒸发率Eγmax(%)、饱和水力学传导率k0、热传导系数λ、土壤孔隙度(%)以及土壤力学参数B(包括Bf)。对不同土壤颜色标定了反照率,对不同植被类型(陈海山等[16])标定了叶面指数Ld(%)、最大覆盖率(%)、最大截留量Wmax(mm)、最小叶面阻抗、各层土壤厚度Zu/Zr(%)、表面粗糙度等。当给定土壤质地指数、土壤颜色指数以及植被覆盖率后,与它们相关的参数即自动确定。

4)与大气状态有关的参数。主要有3个,即空气定压比热容cp(J/(kg·K))、空气密度ρ(g/mL)及拖曳系数Ca。Ca由大气层结状况确定,冠层内风速Vaf由Ca及大气边界层风速确定。

2 模型模拟试验

淮河流域地处我国东部,介于长江与黄河两大流域之间,总面积约27万km2,地跨豫、皖、苏、鲁四省。淮河流域地形大体由西北向东南倾斜,西部的伏牛山、桐柏山区、南部的大别山区以及东北部的沂蒙山区,海拔在200～500m,形成流域的山区,丘陵区主要为山区的延伸部分,山区与丘陵区约占总面积的1/3;其余为广阔的平原区,包括淮河以北平原区、南四湖湖西平原及里下河河网平原,面积约占总面积的2/3。因此受不同的地形条件的影响,流域中山丘区和平原区形成了迥异的水文气象特征[17]。

2.1 试验区的选取

本研究分别选取淮河流域具有代表性的山丘区和平原区:大别山北侧的史灌河子流域和淮北平原的涡河子流域(图2)。

史灌河为淮河南岸的主要支流之一,该流域面积为5 930km2,出口控制站为蒋家集。流域南部为高山,两侧为山丘,北部为较为广阔的平原地带,山区植被为混交林,沿河及丘陵平原地带为高秆植物为主,土壤主要是黄棕土和水稻土。该流域地形呈南高北低,比降大,一遇降水,径流量大,河流汇流快,因此是一个具有典型山区水文特征的地区(图3a)。

涡河流域为另一个试验区,位于淮河流域的中北部,流域面积约为1 0575km2,出口控制站为亳州。该地区地势平坦,植被主要为旱作物(图3b),土壤为黄潮土,质地疏松。河流地形比降小,遇降雨,产汇流时间慢,是典型的平原水文特征地区。

2.2 基本资料的选取

模型模拟资料选取1998年汛期(6—8月)史灌河流域和涡河流域加密观测的水文气象资料。以两个流域内实测的近地面气象观测资料作为大气边界层的强迫因子,模拟时间步长为1h,将每6h观测的气温值内插到每小时,其他气象资料每6h更新。辐射采用Zillm an[18]提出的经验公式计算。降雨资料为加密的每小时观测资料,史灌河的面平均雨量计算取15站平均,涡河的取19站平均。对径流模拟采用集总方式,即将山丘区和平原区分别视为BA TS的一个网格,区域内气象站固始和亳州的资料分别代表两个子流域的平均状况,两流域出口断面水文站的径流观测值及流量过程线作为验证模拟的真值。固始和亳州的土壤温度观测值作为验证地温模拟的参考值。

图2 史灌河与涡河在淮河流域的位置Fig.2 Shiguan River and Guo River in the Huaihe River basin

图3 模拟试验区域特征示意 a.史灌河流域;b.涡河流域Fig.3 Areas of model experiment a.Shiguan River basin;b.Guo River basin

2.3 数值模拟

在BA TS中径流作为气候模式中的参数,土壤冻结是其变化的主要因素之一。在(1)式中,反映了地表径流系数,于是将n取为固定值,土壤冻结时n为1,否则为4。对于无冻结时的降水—径流问题,地形地貌的影响主要反映在径流系数中[19]。为了考虑地形影响,将(1)式中的指数n视为地形影响的参变量。根据流域产汇流模拟试验[20]表明,当土壤植被参数确定后,地形比降愈大,指数n愈小,反之亦然。通过改变指数n,可以改善对径流的模拟,对于山丘区,当n取1.5时模拟径流量485mm,更接近实况481mm;对于平原区,n取4时模拟的总径流更接近实况,详见表1。

表1 不同径流指数下的山丘区和平原区的模拟径流总量以及实测径流总量Table1 Simulated runoff volume over mountain and plain areas for different in dices and observedonemm

除地形因素外,土壤水的初值对产流的影响也较大,涡河流域6月的平均降水量为148mm,而出口断面实测径流不足2mm。除降水强度小,时空分别不均匀,地形比降小,汇流时间长导致蒸发损失量大外,前期雨量少,土壤入渗量大也是一个重要因素。汛期山丘区和平原区观测的降水径流及模拟的逐日径流对比如图4所示。

3 试验结果的分析

从降雨到径流是个复杂的过程,雨水由天上降到地面,除了蒸发,叶面截留、入渗后为净雨。径流又分为地表径流和地下径流。一般情况下,地表径流比地下径流要大得多。净雨在分配地表径流和地下径流时,也有一部分补充地下水。

3.1 山丘区对径流的影响

史灌河流域地形复杂,比降大,植被覆盖比例高,因此对径流产生的影响因素也较多。分析结果表明,土壤根系层含水量、土壤质地和植被覆盖率与径流成正比,而土壤颜色、深层土壤含水量与径流成反比,但产生的敏感性是不一样的。

1)土壤根系层含水量对径流的贡献是巨大的,一方面通过根系提供给植被蒸发,通过毛细管提供上层土壤蒸发;另一方面根系层与上层土壤接近,对地表径流也有较大影响。随着土壤根系层含水量的增大,史灌河流域山丘区的径流总量显著增加,但是,当根系层含水量超过500mm以后,总径流量变化不明显,这是由于该层含水量过于饱和,富裕水成为重力排水的一部分。因此,史灌河流域土壤根系层含水量的敏感区为100～500mm(图5)。

2)土壤质地越小,土壤粘性越小,则对径流影响越大,如沙土;反之则土壤粘性越大,对径流影响越小。研究表明,当土壤质地为1～4时,史灌河流域山丘区的径流量增加明显;当土壤质地大于5后,径流量变小;当土壤质地大于10时,山丘区的径流总量反而有所递减,但变化幅度较小。

图4 不同陆面逐日实测径流和模拟径流的对比 a.山丘区;b.平原区Fig.4 Comparison between observed runoff and simulated one for different surfaces a.mountain area;b.plain area

图5 山丘区根系土壤含水量与径流的关系Fig.5 Relationship between soil moisture of root zone and runoff in the mountain area

3)土壤颜色与径流成反比关系,但影响小。土壤颜色在1～8范围内逐渐加深时,史灌河山丘区的径流量则逐渐减少,变化范围为555～550mm,差值仅为5mm,因此土壤颜色对山丘区径流量的影响不明显。

4)深层土壤含水量与径流量的变化也成反比关系,但是对径流量的影响比较大。当深层土壤含水量从500mm增加到2 300mm,山丘区的径流量则从590mm减少至520mm(图6)。

图6 山丘区深层土壤含水量与径流的关系Fig.6 Relationship between soil moisture of deep layer and runoff in the mountain area

5)地面植被对径流的产生影响是很大。植被覆盖率对山丘区径流量的影响,当植被覆盖率为0～50%时,对径流产生的影响很小;当植被覆盖率增加至60%以后,山丘区径流量随着植被覆盖率的增加也不断加大。因此植被覆盖率在60%～100%的范围内,对山丘区的径流量影响显著。陆地上覆盖的不同植被对径流的影响差异也较大。一般而言,随着植被高度的增加,径流是减小的,当地表冻结时,径流量最大,为600mm;其次为矮草植被,径流量为564mm;落叶阔叶林植被的径流量最小,为425mm。

4.2 平原区对径流的影响

涡河流域位于淮北平原,年雨量与汛期雨量都比淮南山区小一个量级,因此所产生的径流量也要比山丘区的小很多。

1)土壤根系含水量和土壤质地的增加,涡河平原区的径流总量在趋势上也是增加的。根系土壤含水量为20～60mm时,径流量随根系土壤含水量的增加而增加;根系土壤含水量为70～140mm时,径流量基本无变化;当根系土壤含水量为150～200 mm时,径流量再次随着根系土壤含水量的增加而加大(图7)。相似地,土壤质地为1～3时,平原区的径流量也随着变大;当土壤质地为4～8时,径流量变化趋于平坦;当土壤质地为9～11时,径流量再次随着土壤质地的变化而不断增加。

图7 平原区根系土壤含水量与径流的关系Fig.7 Relationship between soilm oisture of root zone and runoff in the plain area

2)平原区与山丘区一样,土壤颜色对径流量的影响很小,在土壤颜色1～8的变化范围内,径流量的变化仅为-0.3mm。但是平原区深层土壤含水量对径流量的影响,与山丘区正好相反(图8)。当深层土壤含水量为400～1 600mm时,平原区径流量变化不大;当深层土壤含水量为1 700～2 000 mm时,径流量明显增加。这与淮北平原的地貌有着很大的关系,一般情况下,淮北平原降雨量较小,土质为沙土,土壤含水量较小,遇到降雨,首先补充地下水和地表水,当达到一定的量级时才产生径流(图8)。另外,平原区地形比降小,径流产生的滞后性较大。

图8 平原区深层土壤含水量与径流的关系Fig.8 Relationship between soil moisture of deep layer and runoff in the plain area

3)涡河流域随着植被覆盖率的增大,流域径流量随之不断减小。因此平原区的植被覆盖率越大,对降雨的截留作用也越大,同时,植被的蒸腾、蒸散量也越大,减少了有效降雨和土壤水,从而导致径流量的减小。涡河流域上由于植被类型的不同而对径流产生的影响变化,与山丘区的情况基本相似。

4 小结

径流的形成是在不同的土壤、植被及地形条件下陆气间水量、热量交换的产物。土壤—植被系统蒸散过程模拟的准确性,以及对地形条件描述的合理性,影响到陆面对大气感热、潜热计算的精度,径流模拟反映了对不同条件下的土壤水的模拟。

1)从BA TS模型模拟分析中不难看出,土壤根系含水量、土壤质地、土壤颜色的变化,对以史灌河流域为代表的山丘区和以涡河流域为代表的平原区的径流量的影响具有相似性,只是敏感性不同;而土壤深层含水量、植被覆盖率对山丘区和平原区的径流量影响却是截然相反的。

2)在山丘区对径流的影响中,土壤根系层含水量、土壤质地和植被覆盖率与径流成正比关系,而土壤颜色、深层土壤含水量与径流成反比关系,其中对径流影响比较大的是根系层含水量、深层含水量和植被覆盖率3个指标。

3)平原区中,径流量仅与土壤根系层含水量、土壤质地成正比,与其他3个指标成反比关系。相比于山丘区,这些指标对径流量的变化影响不是十分显著。

4)本文工作不仅从理论上而且从实况上印证了山丘区和平原区在小气候、下垫面特征方面存在着差异性,导致两者在水文性质上也存在明显的差异,水文气象的耦合作用程度不同,因此,在流域洪水预报方案设计和参数率定时必须充分考虑这些因素。

[1] Deardorff J W.Efficient prediction of ground surface temperature and moisture with inclusion of a layer of vegetation[J].J Geophys Res,1978,83(C4):1889-1903.

[2] Mabuchi K,Sato Y,Kida H,et al.A biosphere-atmosphere interaction model(BAM)and its primary verification using grassland data[J].Papers in M eteorol and Geophys,1997,47(3/4):115-140.

[3] Fujiyoshi Y,D ing Y H.Final report of GAM E/HUBEX-GEW EX Asian monsoon experiment/Huaihe River Basin experiment-HUBEX[M].W ord,2006:48-60.

[4] 王守荣,黄荣辉,丁一汇.分布式水文—土壤—植被模式的改进及气候水文Off-line模拟试验[J].气象学报,2002,60(3):289-299.

[5] 陈海山,孙照渤.陆气相互作用及陆面模式的研究进展[J].南京气象学院学报,2002,25(2):277-288.

[6] 丁彪,曾新民.一种区域气候模式地表产流方案的改进及数值试验[J].气象科学,2006,26(1):31-38.

[7] 李宁,曾新民,席朝笠.我国华东地区月尺度气候动力预测的研究:(一)区域模式建立及模拟检验[J].气象科学,2006,26(5):591-597.

[8] 曾新民,张强.陆面参数的扰动对一次西北暴雨模拟影响的研究[J].气象科学,2009,29(3):291-298.

[9] Dichinson R E,Henderson-Sellers A,Kennedy P J,et al.Biosphere-atmosphere transfer scheme(BATS)versionle as coupled to the NCAR community climate model[R]//NCAR Technical Note,August1993,NCAR/TN-387+STR.Boulder,Colorado:NCAR,1993.

[10] Sellers P J,M intz Y,Sud Y C,et al.A simple biosphere model(SB)for use within general circulation models[J].J A tmos Sci,1986,43(6):506-531.

[11] 齐丹,赵平,屠其璞,等.区域气候模式中径流计算方案的数值试验[J].南京气象学院学报,2006,29(6):782-789.

[12] 张红平,周锁铨,薛根元,等.区域气候模式(RegCM2)与水文模式耦合的数值试验[J].南京气象学院学报,2006,29(2):158-165.

[13] 孙菽芬.陆面过程的物理、生化机理和参数化模型[M].北京:气象出版社,2005.

[14] 周锁铨,代刊,陈涛,等.陆面过程模式的改进及其检验[J].气象学报,2003,61(3):275-290.

[15] Dickinson R E.The force-restore model for surface temperature and its generalizations[J].J Climate,1988,1(11):1086-1098.

[16] 陈海山,倪东鸿,李忠贤,等.植被覆盖异常变化影响陆面状况的数值模拟[J].南京气象学院学报,2006,29(6):725-734.

[17] 宁远,钱敏,王玉太.淮河流域水利手册[M].北京:科学出版社,2003:1-7.

[18] Zillman J W.A study of some aspects of the radiation and heat budgets of the southern hemisphere oceans[M].Canberra:Australian Government Publishing Service,1972:742-753.

[19] 刘春蓁,程斌,程兴无,等.用BATS模型模拟径流的个例研究[J].水文,1998(1):8-13.

[20] 赵人俊.新安江流域模型[M].北京:水利电力出版社,1984:255-269.

Numerical Simulation of Land Surface Hydrological Process over Huaihe River Bas in

ZHAO Jin,CHENG Xing-wu

(Bureau of Hydrology of Huaihe River Water Resources Commission,MWR,Bengbu 233001,China)

The BATS(Biosphere Atmosphere Transfer Scheme)model was used to simulate the thunderstorm and flood events in the mountains and plains of the Huaihe River basin in 1998.And the inherent relationships among runoff,soil moisture content,soil texture and vegetation distribution were exposed via the simulation of water exchange between land and atmosphere.Results show that the effect of soil moisture content in root layer,soil texture,and soil color on the runoff in the mountains is similar to that in the plains,whereas with different sensitivities.However,the effect of soil moisture content in deep layer and vegetation canopy ratio on the runoff in the mountains is opposite to that in the plains.The meteorological and land surface conditions are different be tween the mountains and the plains,so their hydrological characteristics are different,showing the different atmospheric-hydrologic relationship.

Huaihe River basin;land surface hydrological process;BATSmodel;hydrological simulation

P399

A

1674-7097(2010)06-0762-07

2009-12-11;改回日期:2010-08-18

水利部公益性行业科研专项(20091024)

赵瑾(1979—),女,江苏扬州人,工程师,研究方向为水文气象、水资源分析,zhaojin@hrc.gov.cn.

赵瑾,程兴无.淮河流域陆面水文过程的数值模拟[J].大气科学学报,2010,33(6):762-768.Zhao Jin,Cheng Xing-wu.Numerical simulation of land surface hydrological process over Huaihe River basin[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):762-768.

(责任编辑:倪东鸿)