基于VIC模型的龙滩水库流域 径流模拟研究

黄 亚，肖伟华，陈立华

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004；2.中国水利水电科学研究院水资源所，北京100038)

在认识和模拟流域水文过程方面，流域水文模型发挥着日益重要的作用，根据复杂水文过程的概化方式、概化程度以及概化假设的不同，可以将流域水文模型分为集总式水文模型和分布式水文模型，其中分布式水文模型对水文循环物理过程的模拟更接近客观世界，更能真实地模拟水文循环过程，且能与多种模型耦合嵌套使用，成为当前流域水文模拟的重要发展趋势之一[1]。在众多分布式水文模型中，VIC(Variable Infiltration Capacity)模型由于操作原理简单，模型精度较好，已被广泛应用于流域径流模拟、气候变化对水资源影响、陆气耦合及土壤含水量模拟研究，并在不同尺度流域均已成功应用[2-5]。山翠红[6]运用VIC模拟了西江流域径流过程，模拟结果能够基本再现流域内水文站点日径流过程，在流域内具有良好的适用性。金君良[7]利用VIC模型分析了西北干旱半干旱地区地区水量及能量平衡，结果表明VIC模型对西北干旱半干旱地区能量的模拟效果优于水量的模拟。张兰影[8]VIC模型在我国湿润区域进行了水文模拟，并和集中式水文模型新安江模型进行了对比分析，发现VIC模型在丰水期模拟效果要好于新安江模型。以上研究表明VIC模型在我国不同地区已经得到应用，且得到了良好的模拟效果。

本文利用DEM、植被覆盖数据、土壤等下垫面数据，基于0.5°×0.5°网格分辨率，选取位于我国西南地区的龙滩水库流域，采用VIC模型与汇流模型耦合，进行参数率定与流量过程的模拟，探讨VIC模型在龙滩水库流域径流的模拟效果与适用性，研究成果可对龙滩水库流域的分布式水文模拟和水资源管理提供参考依据。

1 研究区概况

龙滩水库位于102°14′E～107°32′E，23°11′N～27°01′N，水库坝址坐落于中国西南部广西、云南和贵州三省的交界处，是一座兼具发电、防洪、灌溉等多功能的大型水利枢纽工程，是红水河梯级开发的龙头水库，流域总面积98 500 km2。龙滩水库流域地处喀斯特山区，属于亚热带气候区，气候温和多雨，地势自西北向东南倾斜，流域平均海拔高程1 450 m。流域内各地的多年平均降雨量在760～1 860 mm之间，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现在6月份，占多年平均降雨量的19%，其次是7月、8月和5月，流域内各地区多年平均气温在12.3～21.3 ℃之间。

2 数据来源与分析方法

2.1 数据来源

本文VIC模型构建所需数据为DEM数据、土壤数据、植被覆盖数据和气象数据。其中DEM数据为地理空间数据云网站(http:∥www.gscloud.cn/)提供的90 m空间分辨率的SRTM_DEM数据；土壤质地分类是根据美国NOAA文办公室提供的全球5 min的土壤数据(http:∥www.fao.org/soils-portal/en/)；植被覆盖采用Maryland大学发展的全球1 km分别率的植被覆盖分类数据(http:∥www.landcover. orgdatalandcover/data.shtml)；气象数据为中国气象数据共享网(http:∥data.cma.cn/)提供的流域内18个国家基准气象站1981年～2010年逐日降水、最高气温、最低气温以及风速数据，对部分站点缺测数据利用ArcGIS克里金插值以及多元回归插值进行补全；然后，利用反距离权重法将气象数据插值到模型计算网格；模型率定验证所用的水文数据来自于龙滩水库下游天峨水文站1981年～2010年逐日径流量数据。

2.2 VIC模型简介

可变下渗能力水文模型VIC[9-10]是由美国华盛顿大学、加利福尼亚大学伯克利分校、普林斯顿大学的研究者基于Wood等[11]共同发展的具有物理机制的、基于正交网格的大尺度分布式水文模型，它能够同时模拟地表间的能量平衡和水量平衡[12-13]，在世界上很多流域得到了广泛的应用[13-16],并且获得了很好的模拟结果，例如长时间的地表通量模拟，流域径流模拟及预报，干旱事件的重构、分析和预报，以及区域水资源管理等[15,17]。VIC 模型本身无汇流模块，为分析模型对径流的模拟能力，采用由Dag Lohmann等发展的汇流模型模拟流域的径流过程，该模型采用单位线法进行面汇流计算，利用圣维南方程进行河道汇流的演算[18]。

2.3 参数率定与检验方法

在模型的率定和检验中采用Nash-Sutcliffe效率系数Ef[19]和相对误差Er对模型的模拟结果进行评价，Nash-Sutliffe效率系数用来分析模型的模拟结果与实测结果的拟合程度。其值越接近1，说明拟合程度越高。Er用来反映模型的模拟结果与实测结果在总量上的偏离程度，其值越接近0说明模型的模拟结果越接近实测结果。即

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3 模拟结果与分析

3.1 模型参数率定

将1981年～2000年设定为模型率定期，2001年～2010年为验证期，在移植湿润地区VIC模型参数[8,20]的基础上进行手动调整参数，模型参数率定结果见表1和模拟效果见图1。

表1 VIC模型模拟龙滩水库流域模型参数取值

图1 龙滩水库流域模拟及实测月径流过程对比

根据Nash-Sutcliffe效率系数和相对误差计算结果对模拟流量数据与实测流量数据进行定量的对比分析。由图1可知，VIC模型在模型率定期和验证期内各年的Ef均在0.85以上，Er在0.05%以内。通过参数率定，VIC模型在率定期内模拟流量能够较好的反映龙滩水库流量过程的基本特征。率定期和验证期内的效率系数和相对误差能够满足该流域水资源评价与规划的要求。

1981年～2010年各月份实测径流均值与模拟径流均值对比见图2，其Ef为0.979，Er为0.023%。从图2可看出，VIC模型在龙滩水库流域月尺度平均流量的整体模拟效果良好。

图2 1981年～2010年各月实测径流均值与模拟径流均值对比

3.2 VIC模型模拟效果分析(丰枯年模拟效果分析)

为了进一步分析VIC模型在龙滩水库流域的模拟效果，选择1981年～2010年中的典型丰水年(1997年、2000年)以及典型枯水年(1989年、2003年)实测及模拟的日径流过程进行分析(见图3)。

图3 典型年实测及模拟日径流过程对比

从图3可以看出模拟的日径流和实测日径流过程基本吻合，能够对峰现时间进行较好的模拟，对于峰值流量的模拟还存在较大误差；丰水年模拟得到的Ef高于枯水年模拟得到结果，而丰水年模拟得到的径流Er的绝对值小于枯水年模拟得到的值。总体上丰水年模拟效果优于枯水年模拟效果，且对流量的模拟在枯水年存在偏大的情况，而丰水年则存在模拟偏小的情况。

3.3 龙滩水库流域径流时空分布

龙滩水库流域多年平均径流深以及多年平均降雨量的空间部分统计资料显示，其径流与降水在空间分布上具有较强的相似性，在流域中、东部地区径流分布较多，而在流域西部地区分布较少；对比1981年～2000年与2001年～2010年多年平均径流深，流域径流整体上呈现出一定的减少，径流的时空分布变化主要受到降水时空变化的影响。

4 结 语

本研究结果表明：VIC模型在龙滩水库流域能够建立良好的降水径流关系，可以有效反映龙滩水库的径流过程，验证期模拟的流量相对误差均小于5%，模拟的流量过程确定性系数大于0.8，在流域内具有良好的适用性；VIC模型对龙滩水库流域径流过程中较大洪峰模拟效果欠佳，对于参数率定结果的不确定性引起的模拟结果误差，可以通过对参数率定方法进行更深入的研究予以减小；龙滩水库流域径流空间分布总体呈现东多西少的分布规律，这主要与流域的降水空间分布有关，受降水量减少的影响。