RCCC-WBM水量平衡模型在辽宁省的适用性研究

曹 虎

(辽宁省铁岭水文局，辽宁 铁岭 112000)

环境变化对区域水资源的影响正随着社会经济的快速发展以及全球气候变化的加剧而逐渐显现，对变化环境下区域水文过程的动态模拟和不同驱动要素条件下的水资源影响评估已成为水资源评价分析的重要基础和必要前提[1]。流域水文模拟技术正随着计算机技术的发展和对区域水文循环认识的深入而日益成熟，已成为目前水资源评价和环境影响分析的有效工程和重要方法[2]。当前，应用于水资源模拟、洪水预报分析以及环境变化影响评价等方面水文模型多种多样，然而考虑到不同流域产流机制以及水文气候特征的差异，各水文模型在不同流域也具有各自的适用性[3- 6]。所以，对模型的适用性只有经过代表性流域的充分验证和检验后方可将该模型应用于相应的区域。

为满足辽宁省水资源调查评价相关要求，本文以辽宁省典型的3个流域实测水文气象数据资料为基础利用RCCC-WBM模型进行径流模拟分析，验证了该模型在辽宁省的适用性与可靠性，以期为该区域环境影响评价分析以及水资源的科学管理提供决策依据和参考。

1 数据来源

本文在综合考虑了辽宁省气候特征、地理位置、流域尺度以及数据资料可获取性的基础上[7]，选取了该区域3条典型流域即大凌河、浑河和太子河进行RCCC-WBM适应性分析，所选取的水文站主要有朝阳水文站、沈阳水文站和本溪水文站，各流域水文特征信息见表1。

表1 辽宁省3条典型河流的水文特征信息

本研究所选取的典型流域基本可覆盖辽宁省的各个区域，3条典型流域的尺度范围和径流量变化较大，而气温和降水量相差不大，据此可在不同水文特征下反映各流域的产流差异。

2 建立RCCC-WBM水量平衡模型

为应对气候环境变化水利部研究中心结合相关研究成果完善并研发了大尺度水文模型即RCCC-WBM水量平衡模型，该模型在考虑了融雪、积雪和降雪过程特征的基础上通过对蓄满、超渗2种产流机制的合理概化，并可对水文过程进行准确模拟分析[8]。模型以月时间步长进行融雪、地下和地面径流3种成分径流量模拟预测，其中气温、水面蒸发量以及逐时段降水量为模型输入的主要参数资料，可利用Penman等公式对水面蒸发估算。模型结构框架及流程如图1所示。

图1 RCCC-WBM模型结构

结合上述模型基本参数和特征可知，地面、地下和融雪径流系数Ks、Kg、Ksn以及土壤需水容量Smax为模型需要率定的主要参数；其中Ks、Kg、Ksn为无量纲参数，值位于0～1范围；而土壤蓄水容量通常位于100～500mm范围。在进行参数率定时，通常要求拟合过程与实测数据具有较高的拟合度，并且尽量保证模拟水量误差符合精度要求。因此，目标函数选取模拟总量相对误差RE和Nash效率系数进行验证，RE值越趋近于1，NSE值越趋近于0则代表该模型的拟合效果越优。

3 结果与分析

3.1 水文特征分析

不同流域的产流特征因不同的下垫面、土壤类型以及气候条件等要素的差异而不同[9]，大凌河流域和浑河2个流域的径流量、气温和降水年内分配过程如图2所示。

图2 辽宁省典型流域径流量、气温和降雨年内分配过程

由图2可知，2个流域的气温年内分配状况大致保持相同，气温最高和最低月份分别出现在每年的7和1月，温度最低值约为-10℃；大凌河和浑河的降水量在7月最大，主汛期为7—9月，期间降水量分别占全年的62%和68%；2个流域的降水量在冬季均较低，不足全年的5%；流域受主汛期降水量的影响径流量均在60%以上，然而2个年内径流量分配也存在较大差异，由图可知大凌河和浑河年内径流量分别表现出双峰和单峰过程。考虑到辽宁省气候环境特征，该区域为半干旱环境其产流机制主要为超渗产流和降雨集中，在汛期降水形成的地表径流是形成8月径流峰值的关键因素；同时可以发现，降水量最大为7月，相对于径流峰值提前了1个月，由此表明区域产流受前期降水量的作用影响较为显著。冬季由于具有较低的气温，每年的12月至次年1月气温均在零度以下，因此该期间主要是以降雪为主，其主要成分为地下径流。随着时间的推移，寒冷的冬季即将结束，气温逐渐变暖，积雪逐渐融化并形成春汛，在此期间地下径流和融雪为径流的主要组成。大凌河流域的融雪径流模型相对浑河而言，其径流峰值较为明显，峰值出现在3月左右，而浑河流域径流峰值不明显，其变化相对平缓。综上分析，流域径流变化与气温的改变存在密切关系，每年的12月至次年的2月大凌河流域的气温较低，往往处于-5℃以下，此后气候转暖，融雪径流较为显著；而浑河流域在冬季的气温相对较好，温度回升平缓并引起积雪的渐渐融化，此期间形成融雪径流相对于大凌河并不明显。

3.2 参数的率定及流量过程模拟

自20世纪80年代以来在辽河流域开展了大规模的水利工程建设，对水文资料一致性产生了严重的破坏[10]。据此，本文考虑到数据的准确性与可获取性并为降低水文模拟受人类活动的影响，水文模拟和模型参数率定所需的数据资料统一采用1986年以后的相关资料。辽宁省典型的3个流域模拟效果和参数率定结果见表2。

表2 辽宁省典型流域月径流过程模拟效果和模型参数率定

由表2拟合和率定结果可知，最大土壤需水容量在3个典型流域相差不大，处于155～180mm范围，其原因可能与2个流域土壤类型差异相关；模型地面、地下、融雪径流系数存在较大差异，并以大凌河流域参数值最大，由此表明该流域径流较为充足，而太子河虽然具有较大的Ks系数，但是其Kg相对较小，由此表明地表径流为该区域的主要类型，相对于其他流域其地下径流占比较低，并且浑河流域的融雪径流均大于其他流域；各流域Nash系数均在75%以上，并且其水量拟合误差均低于2.0%位于精度要求范围之内；在浑河和大凌河流域的Nash系数均高于80%，由此表明在辽宁省典型流域月水文径流过程该水文模型具有较强的适用性与可靠性。

图3 辽宁省典型流域径流模拟与实测年内分配

研究表明：朝阳和沈阳水文站月径流实测结果与模型拟合结果较好，流域水文过程能够采用该模型进行准确地反映和表征。本溪水文站的模拟结果整体优于其他站点，此研究结果与上述结果一致，在模拟后期沈阳站的月径流模拟结果误差较大。依据相关文献研究，浑河流域实测径流序列在1990年以后因人类活动影响已发生较大的改变，该流域后期径流模拟误差较大的主要原因可能与人类大规模活动引起产流条件的改变相关。

3.3 模型适用性分析

上述分析初步显示辽宁省典型流域的径流过程能够采用RCCC-WBM模型进行准确、客观地表征和反映。为更好地评估区域水资源状况，模型应能够较好的模拟年际和年内水资源分配变化特征，而且应保证水资源总模拟误差满足精度要求。辽宁省3个典型流域的多年平均年内分配过程如图3所示。

由图3可知，径流年内分配径流模拟值与实测值具有良好的吻合度，模型不仅可对非汛期的融雪径流峰值进行很好地模拟，而且对汛期峰值的模拟具有更好的准确度与可靠性。3个水文站点的模拟径流量点群在径流量过程曲线中大多集中在1∶1附近范围，由此表明年径流量实测值与模拟值非常接近。由此进一步说明对年径流量的模拟分配特征和大小可以采用该模型进行模拟分析，该模型在辽宁省区域具有较强的适用性与可靠性。

通过对比分析汛期和非汛期的误差大小可知，在汛期的径流量模拟相对于非汛期偏大，而在非汛期则表现出偏小的特征；模型具有大流量模拟偏大，而小流量模拟偏小的特征。深入分析发现，NSE系数的大小在很大程度上可由模型参数率定过程中的某些或某个高值流量的模拟决定，其中目标函数往往是以模拟总量相对误差RE最小化和实现Nash效率系数NSE最大化为基础和条件，并因此造成对于大值流量模型的模拟效果较好，而对于低值流量和中等流量过程模型的模拟效果仍有待进一步的提升。

4 结论

(1)流域径流变化与气温的改变存在密切关系，每年的12月～次年的2月大凌河流域的气温较低往往处于-5℃以下，此后，气候回暖，融雪径流较为显著；而浑河流域在冬季的气温相对较好，温度回升平缓并引起积雪的渐渐融化，此期间形成融雪径流相对于大凌河并不明显。辽宁省典型流域Nash系数均在75%以上，并且其水量拟合误差均低于2.0%位于精度要求范围之内；在浑河和大凌河流域的Nash系数均高于80%，由此表明在辽宁省典型流域月水文径流过程该水文模型具有较强的适用性与可靠性。

(2)朝阳和沈阳水文站月径流实测结果越模型拟合结果较好，流域水文过程能够采用该模型进行准确地反映和表征，本溪水文站的模拟结果整体优于其他站点，此研究结果与上述结果保持一致；浑河流域实测径流序列在1990年以后因人类活动影响已发生较大的改变，该流域后期径流模拟误差较大的主要原因可能与人类大规模活动引起产流条件的改变相关。

(3)NSE系数的大小在很大程度上可由模型参数率定过程中的某些或某个高值流量模拟决定，其中目标函数往往是以模拟总量相对误差RE最小化和实现Nash效率系数NSE最大化为基础和条件，并因此造成对于高值流量模型的模拟效果较好，而对于低值流量和中等流量过程模型的模拟效果未达到最优。