VIC模型在大洋河流域水量時空分布式模擬研究

2016-07-14 05:31:04劉佳

水利技術監督 2016年2期

劉佳

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110046）

劉佳

（遼寧省沈陽水文局，遼寧沈陽110046）

摘要：隨著計算機技術和地理信息技術的快速發展，分布式水文模型被廣泛用于流域水文分布式模擬，為此，文章引入分布式水文模型VIC模型，以大洋河沙里寨水文站以上集水區域作為研究流域，定量模擬了大洋河流域2000～2010年水量的時空分布。研究結果表明：VIC模型在大洋河流域具有較好的模擬精度，模擬的徑流深相對誤差小于4.9%，確定性系數達到0.81以上，大洋河流域徑流深空間分布總體上呈現南大北小趨勢，和流域降雨空間分布呈現一致性。研究成果對于大洋河流域徑流深空間分布模擬以及流域水資源評價提供參考價值。

關鍵詞：VIC模型；徑流深時空分布；分布式水文模擬；大洋河流域

0 引言

集中式水文模型由于不能考慮下墊面信息對流域水文模擬的影響，常運用概化方式對流域下墊面信息進行處理，因此在流域水文預報方面存在一定的缺陷。進入20世紀初，地理信息技術和計算機編程技術的快速發展，充分考慮流域下墊面信息的分布水文模型逐步被國內外許多學者廣泛用于流域的分布式水文模擬中，并確定一定的研究成果［1-4］，在這些分布式水文模型中，VIC模型由于操作原理簡單，模型精度較好，被國內許多學者廣泛用于流域分布式水文模型中，何思為［5］運用VIC模型模擬了黑河流域的水量時空分布，模擬結果表明VIC模型在黑河流域徑流時空模擬具有較好的適用性，較好的模擬了黑河流域徑流的時空分布。王寧［6］運用分布式水文模型VIC模型模擬西北干旱地區的水文時空分布，研究結果表明VIC模型較好的模擬了西北干旱地區的水文模擬，特別是VIC模型自動的地下水模擬模塊，可較好的模擬西北干旱地區的地下水時空分布。張蘭影［7］運用分布式水文模型 VIC模型在我國濕潤區域進行了水文模擬，并和在我國運用較為廣泛的集中式水文模型新安江模型進行了對比分析，研究結果表明VIC模型在豐水期模擬效果要好于新安江模型。以上研究結果表明VIC模型無論在我國西北干旱地區還是濕潤區域都具有較好的模擬精度，但VIC模型在大洋河流域水文分布式模擬運用研究成果較少，特別是在大洋河大城子干流以上研究流域中沒有得到具體運用，為此，該文引入分布式水文模型VIC模型，運用該模型模擬大洋河流域徑流的空間分布，研究成果對于大洋河流域的分布式水文模擬和水資源評價提供參考價值。

1 VIC模型運用

1.1 研究區域概況

大洋河屬于獨流如海的河流，河流全長230.2km，流域面積為6554km2，流域多年平均徑流量為3.1×109m3，流域年徑流主要集中在7～9月份，降雨空間分布較為不均與，該文以大洋河沙里寨水文站作為研究區域，其中沙里寨水文站以上集水面積為4810km2，為大洋河的主要控制站，流域內有9個降雨站點，流域主要的土地利用方式為林地、耕地。

本文運用分布式水文模型VIC模型來模擬大洋河流域徑流時空分布，VIC模型將土壤分為3層，并同時考慮流域蓄滿產流和超滲產流2種產流方式，在產流計算時，VIC模型考慮不同土壤層之間的土壤水分的擴散量，并在模型計算單元網格內同時考慮流域土徑流的壤和不同土地利用覆被對流域徑流的影響。流域在垂向上同時考慮陸面～水汽間的能量平衡。分布式水文模型VIC模型是具有一定物理過程的物理模型，考慮了大氣～土地利用覆被～土壤之間的物理交換過程，并考慮土壤、土地利用覆被以及土壤之間水交換和物理交換的過程。

VIC模型水文模擬的主要特點：第一是同時考慮陸面～水汽之間的能量平衡。第二是同時考慮蓄滿產流和超滲產流2種產流機制。第三是考慮了計算單元內流域下墊面對流域徑流深的影響并考慮計算網格單元內的降水分布昂不均勻性。第四是VIC模型考慮了積雪融化模塊?？紤]文章篇幅原因，VIC模型具體模擬方程可詳見參考文獻［7］。

1.2 VIC模型輸入資料準備

VIC模型主要輸入的數據包括2個方面。第一方面為流域下墊面的信息，下墊面信息包括流域地形數據、土地利用數據以及土壤類型數據，本文下載流域數字高程數據、土壤類型分布數據以及土地利用類型數據，以上3種數據下載來源詳見參考文獻［8-10］。第二方面需的數據為水文數據，收集大洋河干流沙里寨水文站2000～2010年水文數據。

1.3 VIC模型模擬

本文運用大洋河沙里寨水文站2000～2010年水文數據和流域下墊面信息數據，采用 VIC模型模擬大洋河流域2000～2010年流量，模擬結果見表1和表2以及圖3。

表1 VIC模型水量模擬參數值

表2 VIC模型水量模擬結果

圖1 代表年份月流量模擬與實測對比圖

從表2中可以看出，VIC模型模擬的大洋河沙里寨2000～2010年徑流模擬的相對誤差小于5%，最大值為-4.80%，徑流深相對誤差最小值為 -2.34%，可見，VIC模型在大洋河流域徑流模擬具有較好的適用性，模擬精度符合流域水文模擬的精度規范要求中模擬的徑流深相對誤差小于10%的要求。其次，從表2中還可以看出分布式水文模型VIC模型在水文過程上模擬精度也較高，模擬的大洋河2000～2010年確定性系數均在0.8以上，其中確定性系數最大值為0.877，確定性系數最小值為0.837，可見分布式水文模型 VIC模型模擬的流量過程和實測過程吻合度較高，VIC模型具有較好的模擬精度，從圖1中選取的代表年份實測流量過程和分布式水文模型VIC模型模擬的流量過程對比結果可以看出，VIC模型模擬的流量過程和實測的流量過程較為相似，比較吻合。綜上分布式水文模擬結果可以看出，VIC模型適合于大洋河流域徑流模擬，且具有較高的模擬精度。

1.4 大洋河流域徑流時空模擬

VIC模型為分布式水文模型，模型將流域離散成不同計算單元網格，并充分考慮不同計算網格單元對流域水文模擬的影響，本文運用VIC模型模擬了大洋河沙里寨水文站以上流域2000～2010年徑流深時空分布，考慮文章篇幅原因，本文選定2004年為代表年份，呈現徑流深空間分布，如圖2所示。

從圖中可以看出，大洋河沙里寨以上研究流域徑流深空間分布總體上呈現南大北小的趨勢，這主要是和流域降水空間分布的不均勻性相關，大洋河沙里寨以上流域降水空間分布總體上為南邊大，北邊小的空間分布特點，由于降水量的大小很大程度上決定了流域徑流深空間分布，使得大洋河沙里寨以上流域空間徑流深總體上呈現南邊大北邊小的趨勢。流域徑流深空間分布對于分析土地利用類型以及氣候變化主要為降水量變化對流域徑流深空間影響提供模擬平臺。