模塊化建模方法在東北嚴寒區水文過程模擬中的應用

侯鐵錚

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

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模塊化建模方法在東北嚴寒區水文過程模擬中的應用

侯鐵錚

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

中國東北嚴寒地區廣泛分布著大面積的積雪和凍土，因此該地區重要的水文變化過程就是每年冬、春交換季節的冰雪和凍土融化過程。基于此，文章將重點結合模塊化的建模思想，針對我國東北嚴寒地區某小流域冰雪融化和融雪下滲這一水文變化過程進行模擬，以此經過長期數據觀測，構建寒區水文模型，對該研究區水文及冰雪消融這一自然現象引起的徑流過程進行分析。

模塊化建模；東北嚴寒區；水文要素；演變過程；模擬

中國幅員遼闊，不同的氣候地理特征，導致南北氣候變化差異較大，尤其是東北處于高緯度地區，冬季氣溫較低，嚴寒凍土面積廣泛分布。其中，積雪及凍土對河川水資源變化過程會造成巨大影響。中國東北降水少，冬季寒冷，因此大量的水資源在冬季主要以固態水的形式存在于凍土與積雪中。隨著春季氣溫不斷升高，伴隨著地表土壤水分相變及積雪融化，生態水文過程及地氣間水熱交換過程會發生明顯變化。其中，表現最顯著的是該地區徑河川流年內分配變化。這一變化過程不僅會對該研究區整個水循環系統產生巨大影響，而且也會影響當地工程建筑及生態保護、農業灌溉等。基于此，文章將立足于東北嚴寒地區，基于模塊化建模方法，對該地嚴寒區水文變化過程進行模擬分析，以此為當地經濟社會發展與農業、工業生產實踐提供決策參考。

1 基于模塊化建模方法的相關研究述評

當前在世界范圍內，各國都對水文氣象相關研究高度重視。其中，WCRP以及CLIC作為寒區水文過程分析及地下水循環生態系統模擬研究中的重要組成部分，自從2003年展開高寒無資料及缺少資料山區的徑流預報工作以來，冰雪凍土水文一直是業內學者研究的焦點問題。正是在此背景下，模塊化思想及數值模擬分析法逐漸被應用到寒區水文研究過程中。學者通過對寒區凍土及冰雪融化、水文運移過程進行數據描述，以此對不同地區水文及生態演變過程進行分析。研究表明，自然變化過程與人類社會生產實踐之間存在一種相互作用的機理。通過模塊化建模分析法，能夠對這一交互作用機理進行全面、系統剖析。文章將以此為出發點，著重選取我國東北遼寧省內兩大典型寒區小流域展開模擬研究，通過對不同模型結構與算法進行比較測試，以此合理評估不同水文要素對當地水文循環及徑流變化過程造成的影響[1]。基于此，文章通過研究擬解決兩方面的問題：

1)在相關研究參數未經率定的前提下，基于CRHM平臺科學構建模塊化寒區水文模型，以此針對寒區冰雪消融及凍土融化這兩大水文變化過程進行模擬分析；

2)針對不同模型構架方案及不同模塊化分析思想，對選取的兩大寒區小流域水文演變過程產生的影響進行分析。

2 文章研究的背景資料分析

結合上述研究目的，文章選取的高寒區大致位于44°50′-48°N，該地區氣候寒冷，冬季時間長，春秋時間短，年平均氣溫在0℃-5℃之間，極端氣溫在-32.1℃--42.1℃。其中，年降水量和海拔高度分別為1400-4700mm及80-750m。無霜期為120-149d，土壤為黑土及暗棕壤，另外該流域實際面積為36.29km2。高寒草甸為該研究區主要的地表生態景觀，冬季氣候嚴寒，平均雪深和最大雪深分別可達0.5m和0.8m。每年9月份出現雨雪交替現象，再加上當地海拔高、風速大，因此在地形和風力雙重影響下，積雪呈不規則分布狀態[2]。基于此，文章在研究區設立自動氣象觀測站，重點對該研究區內的降水及氣溫和相關溫度、濕度、風速和風力、風向等氣象參數進行觀測記錄，觀測時間為2013年11月6日-2015年7月15日，數據監測時間間隔為10min；另外采用流速儀對該研究區河流徑流及水流流速變化過程進行觀測，觀測頻率為每日2次[3]。具體區域示意圖、觀測指標及相對誤差如圖1、表1：

表1 自動氣象站主要觀測參數及相關誤差

圖1 研究區區域概況示意圖

3 東北嚴寒區水文過程模擬中模塊化建模方法的應用

高寒區水文建模環境又稱CRHM，這一建模環境是基于面向對象的模塊化建模環境MMS逐漸發展而來的一個綜合的寒區水文建模技術平臺。這一水文建模環境的主要優點在于能夠為高寒區模塊化建模研究提供一個數據化的邏輯框架，能夠對國際先進的寒區水文變化過程模擬理論及模擬方法等進行模擬分析。因此，在不斷發展變化過程中，形成了完整而系統的寒區水文過程模塊庫。

這一建模方法主要功能是基于寒區降水及風吹雪、積雪升華、積雪融化和凍土坡面匯流等變化過程進行模擬分析，從而使研究者能夠結合固有經驗理論算法及驅動數據和數據目標、參數優化方案等構建科學的分布式水文模型。故文章將針對該研究區冰溝融雪徑流的具體水文特征，通過在CRHM模塊庫中對寒區流域內不同的子水文模塊進行選取，以此基于物理機理，對各個子模塊的融雪徑流過程與積雪過程進行模擬分析。具體模塊化建模流程圖如圖2。

圖2 東北嚴寒區水文過程模擬 中模塊化建模流程示意圖表2 東北嚴寒區監測點的水文模型參考表

水文模型參數監測點1監測點2監測點3監測點4監測點5高程/m36704238359645442892緯度/N45.08°46.81°44.05°46.29°48.04°面積/km231.2812.0516.8456.8228.91坡度/°12516818植被高度/m0.220.260.270.230.19氣溫遞減率/℃·100m-10.670.670.670.670.67積雪反照率/%0.890.890.890.890.89土壤補給持水能力/mm2527303035持水時間/d99999匯流時間/d0.250.50.50.59.5風吹雪運移距離20002500340026001500

在實際模擬分析過程中，文章主要采用CRHM建模方法，對該研究區水文過程進行分析評估。通過對該寒區積雪的累積和消融過程及融雪徑流過程進行模擬分析，科學評估凍土凍融過程對徑流造成的影響。為了直觀對研究區相關模型的參數指標進行合理驗證和評估，文章采用ME、RMSE及NSE3個不同統計學指標對相關數據進行計算分析，具體計算公式如下：

(1)

式中：N為樣本數；X為東北嚴寒區水文過程觀測值的均值；X0bs,t為東北嚴寒區水文過程觀測值；Xsim,t東北嚴寒區水文過程模擬值。

結合上述參數指標及計算公式，文章通過采用同樣的方法進行觀測參數設置及驅動數據計算，以此對比不同積雪消融模塊的水文過程模擬結果，從而科學反映該研究區風吹雪及升華對積雪物質平衡造成的相關影響，最終通過模型擬合得到如下東北嚴寒區水文過程模擬中的氣溫及風速指標、流域模擬徑流及土壤凍融過程的具體變化情況，如圖3、圖4。

圖3 東北嚴寒區水文過程模擬中的氣溫及 風速指標的實際變化趨勢

圖4 東北嚴寒區水文過程模擬中的 模擬徑流與實測徑流指標變化趨勢

通過對上述凍土過程的徑流模擬結果與實測流量結果進行對比發現，東北嚴寒區水文過程模擬中的流速模擬值與實測值分別為0.45m3/s和0.56m3/s。這一結果表明，基于模塊化的建模方法能夠對該嚴寒區凍土融化引起的春季徑流過程及降水引起的徑流過程進行合理模擬。尤其是在冬、春季節，該模型能夠準確對該研究區凍土融化引起的河道徑流過程進行描述，通過對凍土區的地表徑流進行分析發現，該嚴寒區每年凍土融化期大致在5月上旬，而不同時段的總地下徑流量差異較大。其中，2015年該研究區總地表產流量是2013年的兩倍之多。綜上模擬結果可知，該研究區凍土融化過程會對每年春季地下徑流產流總量造成一定的影響，冰雪融水也是該地區春季徑流的主要組成部分。與此同時，凍土融化過程會對該研究區水量平衡及季節性土壤水文動態、河道徑流時空演變造成一定的影響。因此，凍土作為高寒區水文循環過程評估的重要因子，它是調節生態結構平衡的重要指標。文章通過此次研究分析，希望能夠為該研究區水文要素演變控制及合理利用水文變化規律進行生產提供參考和決策支持。

4 結 語

綜上所述，寒區是我國東北地區廣泛存在的一種地質區域。由于氣候條件及水文條件和地質條件等與其它地區存在很大差異。因此，對水文要素及流域生態結構變化過程進行分析較為復雜，在實際研究過程中不僅需要充分結合地質以及氣候條件對水文過程進行分析評估，更要就寒區氣象資料及融雪、冰凍等情況對河川徑流造成的影響進行分析。文章結合該研究區實際地理和氣候特征，通過選取冰雪融水及積雪反照率、緯度等相關指標進行模塊化分析，使松散的模塊化集成分析模式取代了傳統模型分析過程中嵌入式分析模式，同時使參數及指標的計算和分析要求大大降低。尤其是建模者可充分結合研究區實際水文特征及觀測數據并結合區域實際研究需求，構造相應的區域水文特征模型結構，然后選擇相應的子模塊構建寒區水文過程分布式分析模型。這一模塊化分析方法保證數據資料率定條件在十分有限的前提下，提高了寒區水文過程模擬的真實性與可靠性。文章通過對寒區積雪消融模型和土壤凍融模型進行科學構建，由此全面反映了該研究區在氣候變化條件下和人與環境要素共同構成并相互作用與反饋條件下的復雜自然資源系統管理問題，從而為今后解決更加復雜的自然科學問題提供了良好的途徑。

[1]嚴登華，何巖，王浩，等.生態水文過程對水環境影響研究述評[J].水科學進展，2005(05)：747-752.

[2]王春素.高效節水灌溉措施及效益評價[J].水利技術監督,2014(04):50-52.

[3]高素麗.遼陽市水資源開發利用和管理保護對策[J].水土保持應用技，2011(04)：45-47.

1007-7596(2017)01-0143-03

2016-12-12

侯鐵錚(1974-)，男，遼寧遼陽人，工程師，從事水文水資源勘測、整編、論證、評價工作。

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