基于VIC模型的天然径流还原研究

范辉, 肖恒, 马金一, 柳华武

(1.水利部海河水利委员会 水文局,天津 300170； 2.华北水利水电大学 黄河科学研究院,河南 郑州 450045)



基于VIC模型的天然径流还原研究

范辉1, 肖恒2, 马金一1, 柳华武1

(1.水利部海河水利委员会 水文局,天津 300170； 2.华北水利水电大学 黄河科学研究院,河南 郑州 450045)

具有一致性的水文径流系列是进行水资源评价、水利水电工程设计的基础,然而随着人类活动的不断加剧，水文观测系列的一致性遭到了破坏。针对传统径流还原工作量大、难以解决因下垫面变化引起的径流变异等问题,提出了基于VIC模型的天然径流还原方法,并在漳河上游进行了应用。结果表明:基于VIC模型的天然径流还原方法在漳河上游具有较好的适用性,模型率定期和验证期与传统径流还原方法的相对误差都在5%以内,两者拟合Nash-Sutcliffe效率系数均在0.80左右。

VIC 模型;天然径流还原;水资源评价；漳河上游

天然径流量是指河流、湖泊、冰川等地表水体中由当地降雨形成的、可以逐年更新的动态水量。受水利工程拦蓄、分洪、用水消耗等影响,目前大部分水文站实测径流过程已不能反映天然情况,需要对测站以上受人类影响部分的水量进行还原,此过程即为天然径流还原。我国于20世纪80年代初开展了第一次水资源评价,提出了1956—1979年天然径流系列,为各地区经济发展、水资源规划利用、农业区划等提供了重要的科学依据。20世纪80年代以来,随着天然来水的减少、人类活动的加剧、下垫面情况的不断变异,第一次水资源评价的成果已不能反映全国水资源情势。为此，原国家计划委员会、水利部组织开展了全国水资源综合规划编制工作,将天然径流系列修正增补至1956—2000年。

海河流域水资源评价[1]中单站径流还原主要采用分项调查法进行。它以水量平衡为基础,根据各项措施对径流的影响程度采用逐项还原或对其中的主要项目进行还原。该方法概念明确,适用于供、用、耗水资料较为齐全的地区。但是该方法也存在很多不足:①社会调查工作量大,往往耗费大量的人力、物力和财力;②当还原水量占据天然径流量主体时,采用该方法得到的结果可靠性难以保证,即可能存在“还原失真”的问题;③无法解释同一流域在不同时代降水变化不大情况下,产流量却变化较大的现象,即可能存在“还原失效”的问题。

分布式水文模型以产汇流理论为基础,综合考虑了气象因素、地形、地表覆盖类型的不均匀性,可以较好地反映人类活动条件下流域产汇流规律,具备较为完善的物理基础。该模型的发展为解决传统径流还原方法中工作量大、可能存在的“还原失真”“还原失效”等问题提供了可能。目前,将分布式水文模型应用于径流还原尚处于研究阶段,贾仰文等[2]将分布式流域水文模型(WEP-L)和集总式水资源调配模型(WARM)相耦合,建立了水资源二元演化模型,用于黄河流域水资源演变规律的研究，结果表明，所构建的模型具有较高的模拟精度;魏怀斌等[3]将SWAT模型用于天津市水文还原分析,有效地解决了下垫面的变化及人类取用水过程对水文循环的影响。笔者将大尺度分布式水文模型——可变下渗能力模型(Variable Infiltration Capacity，VIC)应用于漳河观台天然径流还原中，获取的天然径流系列与传统径流还原方法获得的径流系列基本一致，具有较高的精度。

1 VIC模型简介

VIC模型是可变下渗能力模型(Variable Infiltration Capacity)的简称,是由美国华盛顿大学Liang Xu等[4]最早提出的一种基于土壤-植被-大气水分与能量交换思想的大尺度分布式水文模型。该模型同时考虑陆-气间水分和能量收支过程、次网格内地面植被类型不均匀性、土壤蓄水能力的空间分布不均匀性、基流退水的非线性和山区地形对降雨与气温的影响。该模型考虑了11种植被类型的冠层蒸散发、蒸腾作用和裸土蒸发等3层蒸散发;采用新安江模型中蓄满产流思想并以蓄水能力曲线表示流域土壤蓄水能力的不均匀性。它的汇流模块由Lohmann等[5]开发,网格内的水流量以网格内的流域面积占整个网格的比例为权重进行计算,假定水流在流出网格之前先汇集到网格内的河道中,然后流到相邻8个方向中的1个网格中,流出网格的水流不再参与网格内的水循环过程。由产流模块计算得到的地表径流和基流在网格内的汇集过程都采用单位线方法汇入河道,然后采用线性圣维南方程组将各网格水量演算到流域出口。VIC模型自研发以来,通过不断地发展和完善,已经在陆-气耦合、流域径流模拟、土壤含水量的模拟、气候变化对水资源的影响等领域得到了广泛应用[6-9]。

2 VIC模型在漳河上游天然径流还原中的应用

2.1 流域概况

漳河发源于山西高原与太行山山区,地跨山西、河北、河南3省,流域面积19 537 km2,水系呈扇形分布,大部分处于海拔1 000 m以上的山区。漳河上游有清漳河和浊漳河两大支流,清漳河分东西两源;浊漳河分南、西、北3源,共有漳泽、后湾、关河3座大型水库，其中漳泽、后湾、关河总库容分别为4.273、1.303、1.399 亿m3。除3座大型水库外,漳河上游还有中型水库10余座、小型水库上百座,总库容超过3.0 亿m3。

此外,漳河上游水量是红旗渠、跃进渠、大跃峰渠、小跃峰渠四大灌区的重要水源,四大灌渠的引水能力均大于100 m3/s。由于水资源严重短缺并涉及上下游和两岸山西省、河南省、河北省的利益关系,浊漳河侯壁、清漳河匡门口到漳河观台区间是全国水事矛盾最突出的区域之一。人类活动对流域水资源时空分布影响较大,水文系列的一致性遭到破坏。为获取可用于水资源评价、水利水电工程设计的天然径流系列，本文以漳河观台以上流域为研究对象，对VIC模型的适用性进行了检验。该流域水系及国家基本气象站点分布如图1所示。

图1 漳河上游水系及国家基本气象站点分布情况

2.2 模型构建

本文采用0.25°×0.25°空间尺度和24 h(日)时间尺度进行VIC模型产汇流计算。VIC模型的输入参数包括土壤参数、地表覆盖参数、背景参数、气象参数及水文参数5类。为保持与海河流域水资源评价中径流还原成果的下垫面情况一致,土壤参数、地表覆盖参数分别基于全球10 km的土壤数据库[10]和全球1 km的陆地覆盖类型数据库[11]来确定;背景参数采用漳河上游及周边国家基本气象站1951—2000 年实测日最高气温、日最低气温、日降水量资料进行标定。采用距离反比方法将气象数据插值到网格中心,其中不考虑高程对降水的影响，但考虑其对气温的影响(高程每增加100 m,气温降低0.65 ℃)。水文参数是流域水文特性的综合反映,一般要通过参数率定来确定。VIC模型产流模块中需要率定的水文参数有7个,分别为B(入渗能力形状参数) 、Ds(当基流非线性增长发生时,所占Dm的比例)、Dm(底层土壤1 d内产生基流的最大值)、Ws(当基流非线性增长发生时,底层土壤含水量与最大土壤含水量的比值)、d1(表层土壤厚度)、d2(第2层土壤厚度)和d3(第3层土壤厚度)。由于d1敏感性较低,一般取0.1 m。汇流模块中有3个参数需要率定,分别为网格内汇流单位线UH、水流波速C和扩散系数D。

2.3 参数率定与验证

采用海河流域水资源评价中漳河观台站1980—2000年天然径流数据对VIC模型产汇流模块的水文参数进行率定。首先根据流域特性确定各参数取值范围及参数优选初始值,然后采用基于Resonbrock方法[12]的参数自动优选程序进行模型率定,优选程序选用了以下两个目标函数。

反映总量精度的多年径流相对误差Er(%):

(1)

Er越接近于0,模拟精度越高。

反映径流过程拟合程度的Nash-Sutcliffe效率系数Ec:

(2)

Ec越接近1,径流过程拟合越好,模拟精度越高。

使用率定得到的水文参数对漳河上游观台以上流域1956—2000年逐月天然径流系列进行模拟,参数率定期(1980—2000年)、参数验证期(1956—1979年)模拟结果分别如图2和图3所示,其中参数率定期、参数验证期参考值分别为海河流域水资源评价中1980—2000年经逐项还原后的径流系列、1956—1979年经过一致性修正后的天然径流系列。

图2 参数率定期VIC模型模拟结果与传统径流还原结果对比

图3 参数验证期VIC模型模拟结果与传统径流还原结果对比

2.4 模拟结果分析

从参数率定期和验证期VIC模型与传统径流还原结果的对比可以看出,VIC模型模拟的径流过程与传统径流还原的结果具有较高的一致性,两者相对误差Er都在5%以内, Nash-Sutcliffe效率系数Ec都在0.80左右,但也有个别年份采用两种方法得到的结果偏差超过30%。

漳河观台以上流域面积17 800 km2,流域内仅有3个国家基本气象站点,国家基本气象站代表面积近6 000 km2,气象观测数据的代表性不是太理想,会对模型模拟造成一定偏差,此外由于模型缺少地下水运动的模拟,也会带来一定的误差。当然,传统的径流还原方法也有可能存在重复统计、漏项统计的情况。对于两种方法精度的评定还需要进一步研究。

对VIC模型生成的漳河上游观台站1956—2000年径流系列进行了频率分析,并与海河流域水资源评价中传统径流还原方法得到的系列进行了对比,结果见表1。总体来说,两种方法在漳河上游地区取得的结果较为一致,但VIC模型建模快捷方便,在一定的下垫面完成建模后,便可以使用气象数据驱动模型,生成相应下垫面下具有一致性的天然径流过程。

表1 漳河观台站VIC模型、传统径流

3 结语

本文针对传统径流还原方法中存在的工作量大、“还原失真”、“还原失效”等问题,提出应用具备物理机制的大尺度分布式水文模型——VIC模型进行径流还原的方法,并将此方法应用到人类活动影响较大的漳河上游地区。与传统径流还原方法得到的结果相比,基于VIC模型的径流还原方法在一定程度上可以弥补传统径流还原方法存在的不足,该方法可行,在今后的水资源评价、水利水电工程设计中可以引入VIC模型与传统径流还原方法进行对比、参考,从而获取更加接近天然状况下的径流系列。此外,VIC模型在计算径流量的同时,还可以模拟蒸发量、地下径流量、土壤含水量等水文要素,这对于研究下垫面变化条件下的产汇流规律具有较高的应用价值。

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(责任编辑：乔翠平)

Study on Restoring Computation of Runoff Based on VIC Model

FAN Hui1, XIAO Heng2, MA Jinyi1, LIU Huawu1

(1.Hydrology Bureau of Haihe River Water Conservancy Commission, Ministry of Water Resources, Tianjin 300170, China; 2.Yellow River Institute of Science, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Scientific and reasonable runoff series is the base of water resource assessment and hydraulic design of water conservancy and hydropower engineering. However, with the development of human society, the coherence of the runoff series is destroyed. In view of the heavy workload of the traditional runoff reduction and the difficulty in solving the runoff variation caused by the underlying surface change, a natural runoff reduction method based on VIC model is put forward and applied to calculate the runoff of the upstream of Zhanghe River.The results show that the method of natural runoff reduction based on VIC model has a good applicability in the upstream of Zhanghe River.Compared with the traditional runoff reduction method, the relative errors of the model during the calibration and validation periods are both less than 5%, and the Nash-Sutcliffe efficiency coefficients are both about 0.80.

VIC model; natural runoff reduction; water resources evaluation; the upstream of Zhanghe River

2016-10-28

国家重点研发计划资助项目(2016YFC0401407)；河南省高等学校重点科研资助项目(16A570003)。

范辉(1986—),男,河北隆尧人,工程师,硕士,从事水文水资源方面的研究。E-mail:hhafan10@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.002

TV11

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1002-5634(2017)02-0007-04