云南省漁洞水庫山區(qū)流域降雨徑流過程模擬

李姣姣,種丹,李浩杰,范碩,張世強

西北大學城市與環(huán)境學院,陜西西安710127

云南省漁洞水庫山區(qū)流域降雨徑流過程模擬

李姣姣,種丹,李浩杰,范碩,張世強*

西北大學城市與環(huán)境學院,陜西西安710127

山區(qū)降水和蒸散發(fā)的準確估計對于理解降雨徑流過程至關(guān)重要，同時也是徑流模擬和預估的難點所在。本研究以云南省漁洞水庫山區(qū)流域為例，對比了三種潛在蒸發(fā)量計算方案及三種降水修正方案對徑流模擬的影響。結(jié)果表明：單獨采用不同降水修正方案和蒸發(fā)高程修正方案，模擬的結(jié)果均比未修正的精度高，將任一降水修正方案與蒸發(fā)高程修正方案的組合，都能取得更好的徑流模擬效果；P-M和Allen蒸發(fā)計算方案對于山區(qū)流域具有適應(yīng)性，但模擬結(jié)果低于20 cm觀測方案，說明觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)的重要性；觀測的降水量低于修正后的降水量，反映出采用降水校正對認識流域徑流過程中各組分的實際構(gòu)成具有一定的作用。

山區(qū)流域;降水修正;蒸發(fā)修正;影響

降水和蒸發(fā)是全球水循環(huán)和氣候變化研究的基礎(chǔ)資料。在水文模型和水資源評價中降水和蒸發(fā)也是必不可缺少的參數(shù)，降水數(shù)據(jù)的準確性直接影響了流域尺度的水文過程的模擬和預估[1-5]。降水在觀測時由于受到雨量器的濕潤作用、風速和水汽蒸發(fā)等各種因素影響使得觀測的降水數(shù)據(jù)存在誤差。國際上19世紀70年代開始對各種雨量器進行對比觀測，完成了觀測降水的誤差分析及其修正方法[6-8]。我國對降水觀測誤差的組成及其影響的系統(tǒng)評價表明在大部分地區(qū)由風速作用引起的動力損失是主要的誤差來源,但在降水較少的地區(qū)濕潤和微量降水觀測損失也起著重要作用[3]。諸多研究[9-12]表明,誤差訂正后的降水量較原有實際觀測的降水量都有顯著的提高,在北極等高緯度固態(tài)降水比例較大的地區(qū)提高的程度更大。

蒸散發(fā)是流域水量平衡計算中重要組成部分[13],實際蒸散發(fā)難以直接觀測，常通過潛在蒸散發(fā)計算。對于潛在蒸散發(fā)的計算也有很多研究[14-20]。常用的方法包括水面蒸發(fā)法、溫度法、輻射和綜合法四大類方法[21]，山區(qū)由于觀測站點少，且觀測站點常在海拔較低的山谷，在山區(qū)直接引用站點計算的蒸散發(fā)是否合理尚有疑問。綜合考慮降水誤差和不同蒸發(fā)估算方案及其組合對于山區(qū)降雨徑流過程模擬的影響研究還十分有限。因此，本研究以云南漁洞水庫山區(qū)流域為例，運用和對比具有一定物理基礎(chǔ)且在濕潤區(qū)和干旱區(qū)具有廣泛適用性的P-M公式[22]、在美國濕潤區(qū)資料得到的Allen經(jīng)驗公式來計算潛在蒸發(fā)以及20 cm觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對比分析了不同降水修正、蒸發(fā)校正方案的對徑流模擬的影響，降雨徑流模擬采用MIKE11模型。MIKE11從上世紀60年代起被廣泛應(yīng)用到世界各地不同的氣象水文條件下，經(jīng)過大量工程實踐驗證[23-25]，本文使用MIKE11NAM模塊對流域的降雨徑流過程進行模擬。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

漁洞水庫位于云南省昭通市昭陽區(qū)西北、長江上游金沙江流域橫江支流灑漁河正源的居樂河上，位于東經(jīng)103°19′～32′，北緯27°10′～34′之間，如圖1所示。漁洞水庫以上流域面積709 km2，屬北亞熱帶高原季風氣候，流域內(nèi)地形復雜，山高坡陡，河谷深切，西南地勢高，東北地勢低，海拔在1985～3111.4 m之間，多數(shù)相對高差600～800 m[26]，流域平均高程2241 m，屬于典型的西南山區(qū)流域。

圖1 漁洞水庫山區(qū)流域地理位置Fig.1 The location of watersheds in Yudong reservoir mountainous areas

1.2 模型原理

MIKE 11 NAM是一個概念性集總模型，通過連續(xù)計算四個不同且相互影響的儲水層的含水量來模擬產(chǎn)匯流過程，這四個儲水層代表流域內(nèi)不同的物理單元，分別是積雪儲水層、地表儲水層、土壤或植物根區(qū)儲水層以及地下水儲水層[6]，模型中9個重要的參數(shù)及范圍如表1所示。

模型較敏感的參數(shù)有5個分別是Umax、Lmax、CQOF、CK12、CKBF。Umax、Lmax主要影響蒸發(fā)和總水量的平衡，CQOF主要反映了水分下滲和補給的狀況，對徑流的峰值影響大，與流域的土壤類型有很大的關(guān)系，對于大顆粒沙質(zhì)土壤以及坡降平坦和不飽和層較厚的流域，CQOF值較小，對于下滲較差，覆蓋層較厚、粘性土層流域，其值較大些，漁洞水庫流域土塘類型為黃壤土，下滲較弱，CK12反應(yīng)了集水區(qū)對降雨的響應(yīng)速度，主要控制峰值和峰現(xiàn)時間，匯流時間越長，峰值越低，峰現(xiàn)時間延遲，CKBF演算地下水補給，控制基流過程線形狀，對退水過程和旱期枯水期流量影響較大。當壤中流不占河流的主要組成部分時，TOF只在枯期起作用，其值可從一次大的降雨過程出現(xiàn)時，流量無明顯反映的過程中試錯率定。TG延遲地下水的補給[27]，本文的模型參數(shù)通過人工率定確定的參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)

模型需要輸入的基本數(shù)據(jù)有：降水數(shù)據(jù)、潛在蒸發(fā)數(shù)據(jù)。研究區(qū)有三個雨量站點分別是鐵廠站、托麻站、布初站（圖1），利用泰森多邊形計算流域面降水量。潛在蒸發(fā)數(shù)據(jù)通過兩種計算方法和20 cm觀測數(shù)據(jù)。實際蒸散發(fā)的計算基于模型的參數(shù)和潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)計算。

水文站點漁洞站的水文資料作為模型率定和驗證用。考慮到水庫1995后開始運行后水文資料需要校正，本研究采用了資料完備且未受干擾的1981～1995年的水文資料。模型的模擬時間步長為日尺度，用1981～1990的實測月平均流量值進行率定，1991～1995的實測月平均流量值進行驗證。

1.4 檢驗規(guī)則

模型模擬效果的評價通過對比納什效率系數(shù)（NSE）和相關(guān)性（R）、多年模擬平均流量與多年實測平均流量的差值（D），其公式如下：

在模型率定的過程中要考慮以下幾個目標：總水量的平衡、流量過程線形狀相吻合、流量在大小以及時間在峰值時的吻合、低流量的吻合。

2 試驗方案

2.1 不同潛在蒸發(fā)計算方案

選取研究區(qū)山腳的國家氣象站點（昭通站點），根據(jù)氣象數(shù)據(jù)利用P-M公式（ETP-M）、Allen擬合公式（ETAllen）計算潛在蒸散。具體公式如下。

Rn為凈輻射(MJ/(m2·d))；G為土壤熱通量(MJ/(m2·d)),以天計算蒸散量,可取值G=0[22]；r為濕度計常數(shù)(kPa/℃)；U2為2 m處的風速(m/s)；es、ea分別為計算時段的飽和水汽壓和實際水汽壓，用日平均溫度和平均相對濕度計算(kPa)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率(kPa/℃)；T為平均氣溫，參數(shù)的詳細計算過程參考Allen[22]。

對蒸發(fā)數(shù)據(jù)使用距離研究區(qū)較近的山腳站點數(shù)據(jù)，氣溫隨海拔升高而變化，而氣溫直減率是一個關(guān)鍵的氣象參數(shù)，基于此可推求某海拔高處的氣溫值，一般認為在對流層自由大氣的氣溫直減率為0.6℃/100 m，流域平均高程2241 m，根據(jù)高程差對昭通氣象站點的氣溫數(shù)據(jù)進行校正，進而利用P-M、Allen公式和修正后的氣溫計算得到潛在蒸發(fā)量作為研究區(qū)的潛在蒸發(fā)量。

2.2 不同降水修正方案

對降水數(shù)據(jù)的修正使用了3種方案：（1）Yang方案，主要是楊大慶等利用1985～1991年在烏魯木齊河流域從海拔917 m的烏魯木齊氣象站到3730 m的烏魯木齊河源1號冰川末端進行系統(tǒng)的降水誤差對比觀測獲得,降水修正方法可以表示為[28]：

式中Pc為修正后的降水，Pg位于雨量桶觀測到的降水，Pw和Pe分別代表濕潤和蒸發(fā)損失，Pt為微量降水損失，降水量較小，一般不考慮動力損失，K是動力損失修正系數(shù)。烏魯木齊的河源對比觀測表明我國雨量計的捕捉率與風速的關(guān)系如下：

其中Ws是我國標準的10 m高度日風速（m/s）,雨加雪則按下式計算，

CRrain、CRsnow、CRmixed分別指降雨、降雪、混合降水情況下的風速捕捉率，T是日平均氣溫，氣溫高于2℃按照降雨對待，氣溫低于-2℃按照降雪處理，對沒有降水類型的資料按照此規(guī)律確定雨雪類型，動力修正系數(shù)K=1/CR，依據(jù)風速、降水量以及降水類型，實際的日降水量可以表示為：

（2）Chen方案，是陳仁升等利用2010～2015年在祁連山的黑河流域利用不同標準觀測雨量計來觀測并對比實驗獲得,濕潤損失、微量損失、蒸發(fā)損失同上Yang的修正方法，雨量計捕捉率計算參考其對比觀測實驗[29]：

式中CRrain、CRsnow、CRmixed分別指降雨、降雪、混合降水情況下的風速捕捉率，WS10指10 m高度處日風速。

（3）Kang方案，是根據(jù)康爾泗等[30]使用概念性模型對黑河流域出山徑流預報中所采用的降水修正方案，即液態(tài)降水*1.1，固態(tài)降水*1.3，液態(tài)降水和固態(tài)降水的分離參考Bergstrom[31]，則可近似表示為。

式中TS和TL分別是固態(tài)降水和液態(tài)降水的臨界氣溫，T為日均氣溫，P為日降水量，Ps為固態(tài)降水量。

3 試驗結(jié)果

3.1 觀測數(shù)據(jù)模擬結(jié)果

以20 cm觀測蒸發(fā)數(shù)據(jù)為參考、降水原始數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，率定期與驗證期模擬值與實測值對比如圖2和圖3所示。

圖2 率定期模擬值與實測值的對比圖Fig.2 Comparison between the simulated and observed monthly discharge in the calibration period

率定期1981～1990年，率定期NSE和R分別為0.91、0.98，多年平均差值為-2.02 m3/s，可以看出模擬值和實測月均流量值的趨勢一致，7、8月份模擬值的高峰值低于實測值。

圖3 驗證期模擬值與實測值對比圖Fig.3 Comparison between the simulated and observed monthly discharge in the validation period

驗證期1991～1995年，驗證期NSE為0.86、R為0.95和差值為-1.92 m3/s，仍然是7、8月份實測流量月均值高于模擬值，模擬值與實測值變化趨勢一致，率定期與驗證期NSE和R分別在0.86和0.95以上，使用20 cm觀測的蒸發(fā)模擬的結(jié)果精度較高。

3.2 兩種蒸發(fā)計算及高程修正方案下的徑流對比

以P-M、Allen計算的潛在蒸發(fā)，觀測降水數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果如表2所示。

表2 兩種蒸發(fā)計算方案下模擬的結(jié)果Table 2 Simulation results under two kinds of evaporation calculation schemes

從表2得出率定期Allen計算的潛在蒸發(fā)，降水數(shù)據(jù)不變模擬的結(jié)果NSE和R分別為0.81和0.97，差值為1.94 m3/s，P-M計算的蒸發(fā)NSE低于Allen，多年平均差值為-3.29m3/s，驗證期的結(jié)果具有一致性。以20 cm觀測蒸發(fā)為參考，發(fā)現(xiàn)P-M計算的蒸發(fā)量較大，多年模擬平均流量值小于實測值，而Allen計算的蒸發(fā)較小，多年模擬平均流量大于多年實測均值。

對P-M、Allen兩種方法計算的潛在蒸發(fā)進行修正的率定期與驗證期結(jié)果如表3所示。

表3 蒸發(fā)高程修正方案下率定期和驗證期結(jié)果Table 3 Potential evaporation elevation corrected in the calibration and validation period

表3得出在率定期1981～1990，P-M計算的蒸發(fā)高程修正NSE高于Allen蒸發(fā)高程修正模擬結(jié)果，NSE為0.81，差值為-3.00m3/s，驗證期同樣P-M高程修正的NSE高于Allen高程修正模擬的結(jié)果，但是Allen高程修正模擬的絕對差值小于P-M高程修正模擬的結(jié)果。

兩種方法計算的潛在蒸發(fā)，進行高程修正后的NSE和R較原始數(shù)據(jù)的結(jié)果都有所提高，差值也減少，說明在利用P-M或Allen方案計算山區(qū)潛在蒸散發(fā)時，進行高程校正是很有必要的。而兩種方案高程修正后率定期和驗證期NSE在0.80以上，滿足模擬精度，在沒有測得的蒸發(fā)數(shù)據(jù)時，這兩種方法在該區(qū)域具有適用性。利用兩種蒸發(fā)方案無論是否進行高程校正，模擬的效果均較直接采用20 cm觀測蒸發(fā)模擬的效果差，說明在有區(qū)域蒸發(fā)觀測資料的情況下，利用蒸發(fā)觀測資料可能能取得更好的結(jié)果。

3.3 不同降水修正方案下的徑流對比

潛在蒸發(fā)利用20 cm觀測資料的情況下，分別采用Yang，Chen，Kang三種降水修正方案下模擬的率定期與驗證期結(jié)果如表4所示。

表4 20 cm觀測蒸發(fā)下不同降水修正方案率定期與驗證期結(jié)果對比Table 4 The comparison of difference bias-corrected Precipitation methods in the calibration and validation period

表4得出，20 cm觀測蒸發(fā)下不同降水修正方案模擬的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)驗證期總體模擬結(jié)果好于率定期，率定期NSE在0.85以上，R在0.92以上，驗證期NSE在0.90以上，R都為0.96，對比原始數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，對降水數(shù)據(jù)修正后其絕對差值小于原始數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果，模擬值和實測值更接近。

P-M計算的潛在蒸散下對降水按照三種方法修正得到的率定期與驗證期結(jié)果如表5所示。

表5 P-M計算下不同降水修正方案率定期和驗證期結(jié)果對比Table 5 The comparison of difference bias-corrected Precipitation methods in the calibration and validation period

通過對比表5中的數(shù)據(jù)得出：率定期按照Yang修正方案下，蒸發(fā)數(shù)據(jù)按照P-M方案計算，NSE最佳，且其與多年實測平均流量差值最小；其次是按照Kang方案的結(jié)果較好，三種方案的結(jié)果都是多年模擬均值高于多年實測均值。

驗證期三種方案模擬的NSE均在0.81以上，差別不大；R一致，差值均比較理想，其中最小的是Kang方案，差值為-0.16 m3/s，表明通過降水修正后的降水和蒸發(fā)可能更符合實際情況。

潛在蒸發(fā)按照Allen公式計算，利用不同的降水修正方法對降水數(shù)據(jù)進行修正，得到的結(jié)果如表6所示。

表6 Allen計算潛在蒸發(fā)下不同降水修正方案率定期與驗證期結(jié)果對比Table 6 The comparison of difference bias-corrected Precipitation methods in the calibration and validation period

表6可以得到：率定期Kang方案NSE為0.86，差值為0.65 m3/s，其次是Chen方案模擬的結(jié)果較好，Yang方案NSE為0.81，差值為1.48m3/s，驗證期Kang方案NSE和R的值都較高，且其差值小，Chen方案得到的NSE值次之，但其差值大于其他兩個修正結(jié)果。Allen公式計算的潛在蒸發(fā)量值較P-M計算的值小，但模擬的多年平均流量值較大。

三種潛在計算方案下，三種降水修正方案下模擬的結(jié)果均比未修正的精度高，且觀測值和模擬值之間的差值小，20 cm觀測蒸發(fā)方案下，降水數(shù)據(jù)利用三種方案修正后差值小，與多年模擬平均實測值更接近，其次是P-M和Allen計算方案下，降水數(shù)據(jù)修正的結(jié)果較好。相對而言，降水修正后對模擬的影響更大，說明對于山區(qū)降水的修正有一定意義，修正后的降水數(shù)據(jù)更接近流域的實際降水。

3.4 降水與蒸發(fā)同時修正方案下的徑流對比

在P-M計算潛在蒸發(fā)方案中考慮高程影響情況下，利用三種降水修正方案的結(jié)果如表7所示。

表7 P-M考慮高程影響情況下，利用三種降水修正方案的率定期和驗證期結(jié)果對比Table 7 The comparison of elevation corrected potential evaporation and bias-corrected precipitation methods in the calibration and validation period

如表7所示：率定期模擬效果最好的是P-M考慮高程影響與Yang降水修正方案組合，且其與多年實測平均流量差值小，其次是Kang降水修正方案組合模擬的結(jié)果，NSE為0.80，差值為-1.38 m3/s，與多年實測平均流量差值較大的是Chen降水修正方案模擬得到的結(jié)果。

在驗證期幾種組合方案獲得的NSE差距較小，均在0.8以上。其中模擬效果最佳的是P-M考慮高程影響與Chen降水修正方案的組合，NSE為0.83，其差值為-0.23 m3/s；其次是蒸發(fā)高程修正和Kang降水修正方案組合得到的結(jié)果，差值為-0.12 m3/s。驗證期三個方案差值較率定期的差值低。

在Allen方案計算潛在蒸發(fā)下考慮高程影響，對比三種降水修正方案得到的結(jié)果如表8所示。

表8 Allen考慮高程影響情況下，利用三種降水修正方案的率定期和驗證期結(jié)果Table 8 The comparison of elevation corrected potential evaporationand bias-corrected precipitation methods in the calibration and validation period

表8可以看出，在Allen方案計算潛在蒸發(fā)下，Chen降水修正NSE為0.86，差值為0.59 m3/s，較其他兩種方案的結(jié)果好，蒸發(fā)高程修正，Yang方案NSE值最低，且其差值較大，驗證期與率定期的結(jié)果具有一致性。

總體來看，不同降水修正和潛在蒸發(fā)計算方案中考慮高程影響的組合方案明顯優(yōu)于單獨對降水進行修正或單獨對蒸發(fā)考慮高程影響的修正，這說明在山區(qū)對降水和蒸發(fā)進行修正是很有必要的，這可能與山區(qū)地形復雜，通過考慮山區(qū)地形的影響能夠更好的反映真實的水文要素的空間分布。

4 結(jié)論

通過對比三種蒸發(fā)方案，三種降水修正方案對降水數(shù)據(jù)進行修正，以及對兩種蒸發(fā)計算方案考慮高程影響，及其組合的對漁洞水庫以上山區(qū)流域的徑流模擬表明，P-M和Allen計算得到的潛在蒸發(fā)量在該地區(qū)有一定的適用性，但采用20 cm觀測值時模擬效果仍是最佳，表明觀測數(shù)據(jù)的重要性。在單獨采用不同降水修正方案和蒸發(fā)高程修正方案，模擬的結(jié)果仍較修正前的精度高：考慮高程影響的蒸發(fā)方案模擬的率定期和驗證期效率系數(shù)和相關(guān)性均高于修正前，且多年模擬流量均值與實測值的差異較小,并且降水修正后模擬精度也較高。而將任一降水修正方案與蒸發(fā)修正方案的組合均能較好的模擬徑流過程，表明降水修正和蒸發(fā)校正對山區(qū)流域非常重要，這說明山區(qū)地形和高程的影響是不可忽視的因素。潛在蒸散發(fā)的計算對于不同的地區(qū)應(yīng)選用適合本地區(qū)的計算方法。降水數(shù)據(jù)的修正使得降水量更接近實際值，對于深入理解流域水量平衡各要素的組成具有重要意義。

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Simulation of Rainfall Runoff Process in Mountainous Areas of Yudong ReservoirYunnan Province

LI Jiao-jiao,CHONG Dan,LI Hao-jie,FAN Shuo,ZHANG Shi-qiang*
College of Urban and Environmental Science/Northwest University,Xi’an710127,China

Precise estimation on precipitation and evapotranspiration in mountain areas is essential for understanding rainfall-runoff processes and at the same time also a difficult problem in runoff simulation and prediction.This paper studied the influence of three potential evapotranspiration schemes and three precipitation correction schemes compared with the Yudong Reservoir mountainous areas in the basin of Yunnan Province.The results showed that the accuracy of the simulation was higher than that of the unadjusted ones by using different precipitation correction schemes and evaporation elevation correction schemes separately,besides,the combination of any precipitation correction schemes and the evaporation elevation correction schemes could achieve better runoff simulation results;it demonstrated that the P-M and Allen schemes had some adaptability to the mountainous watersheds,however,the P-M and Allen schemes simulation results were still lower than the 20 cm observation scheme which demonstrated the importance of observational evaporation data;the observed precipitation data were lower than the modified rainfall which indicated that the adoption of precipitation correction had a certain effect on the actual composition of each component in the runoff process.

Mountainous watershed;precipitation correction;evaporation correction;influences

K928

:A

:1000-2324(2017)01-0056-08

2016-07-20

:2016-12-26

水利部公益性行業(yè)科研專項:云南高原湖泊水資源地面-遙感監(jiān)測技術(shù)研究(201401026)

李姣姣(1990-),女,碩士研究生,主要從事于水文模型與水資源.E-mail:1576327580@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:zhangsq@lzb.ac.cn