基于VIC模型的龍灘水庫流域 徑流模擬研究

黃 亞，肖偉華，陳立華

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西南寧530004；2.中國水利水電科學研究院水資源所，北京100038)

在認識和模擬流域水文過程方面，流域水文模型發揮著日益重要的作用，根據復雜水文過程的概化方式、概化程度以及概化假設的不同，可以將流域水文模型分為集總式水文模型和分布式水文模型，其中分布式水文模型對水文循環物理過程的模擬更接近客觀世界，更能真實地模擬水文循環過程，且能與多種模型耦合嵌套使用，成為當前流域水文模擬的重要發展趨勢之一[1]。在眾多分布式水文模型中，VIC(Variable Infiltration Capacity)模型由于操作原理簡單，模型精度較好，已被廣泛應用于流域徑流模擬、氣候變化對水資源影響、陸氣耦合及土壤含水量模擬研究，并在不同尺度流域均已成功應用[2-5]。山翠紅[6]運用VIC模擬了西江流域徑流過程，模擬結果能夠基本再現流域內水文站點日徑流過程，在流域內具有良好的適用性。金君良[7]利用VIC模型分析了西北干旱半干旱地區地區水量及能量平衡，結果表明VIC模型對西北干旱半干旱地區能量的模擬效果優于水量的模擬。張蘭影[8]VIC模型在我國濕潤區域進行了水文模擬，并和集中式水文模型新安江模型進行了對比分析，發現VIC模型在豐水期模擬效果要好于新安江模型。以上研究表明VIC模型在我國不同地區已經得到應用，且得到了良好的模擬效果。

本文利用DEM、植被覆蓋數據、土壤等下墊面數據，基于0.5°×0.5°網格分辨率，選取位于我國西南地區的龍灘水庫流域，采用VIC模型與匯流模型耦合，進行參數率定與流量過程的模擬，探討VIC模型在龍灘水庫流域徑流的模擬效果與適用性，研究成果可對龍灘水庫流域的分布式水文模擬和水資源管理提供參考依據。

1 研究區概況

龍灘水庫位于102°14′E～107°32′E，23°11′N～27°01′N，水庫壩址坐落于中國西南部廣西、云南和貴州三省的交界處，是一座兼具發電、防洪、灌溉等多功能的大型水利樞紐工程，是紅水河梯級開發的龍頭水庫，流域總面積98 500 km2。龍灘水庫流域地處喀斯特山區，屬于亞熱帶氣候區，氣候溫和多雨，地勢自西北向東南傾斜，流域平均海拔高程1 450 m。流域內各地的多年平均降雨量在760～1 860 mm之間，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現在6月份，占多年平均降雨量的19%，其次是7月、8月和5月，流域內各地區多年平均氣溫在12.3～21.3 ℃之間。

2 數據來源與分析方法

2.1 數據來源

本文VIC模型構建所需數據為DEM數據、土壤數據、植被覆蓋數據和氣象數據。其中DEM數據為地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn/)提供的90 m空間分辨率的SRTM_DEM數據；土壤質地分類是根據美國NOAA文辦公室提供的全球5 min的土壤數據(http:∥www.fao.org/soils-portal/en/)；植被覆蓋采用Maryland大學發展的全球1 km分別率的植被覆蓋分類數據(http:∥www.landcover. orgdatalandcover/data.shtml)；氣象數據為中國氣象數據共享網(http:∥data.cma.cn/)提供的流域內18個國家基準氣象站1981年～2010年逐日降水、最高氣溫、最低氣溫以及風速數據，對部分站點缺測數據利用ArcGIS克里金插值以及多元回歸插值進行補全；然后，利用反距離權重法將氣象數據插值到模型計算網格；模型率定驗證所用的水文數據來自于龍灘水庫下游天峨水文站1981年～2010年逐日徑流量數據。

2.2 VIC模型簡介

可變下滲能力水文模型VIC[9-10]是由美國華盛頓大學、加利福尼亞大學伯克利分校、普林斯頓大學的研究者基于Wood等[11]共同發展的具有物理機制的、基于正交網格的大尺度分布式水文模型，它能夠同時模擬地表間的能量平衡和水量平衡[12-13]，在世界上很多流域得到了廣泛的應用[13-16],并且獲得了很好的模擬結果，例如長時間的地表通量模擬，流域徑流模擬及預報，干旱事件的重構、分析和預報，以及區域水資源管理等[15,17]。VIC 模型本身無匯流模塊，為分析模型對徑流的模擬能力，采用由Dag Lohmann等發展的匯流模型模擬流域的徑流過程，該模型采用單位線法進行面匯流計算，利用圣維南方程進行河道匯流的演算[18]。

2.3 參數率定與檢驗方法

在模型的率定和檢驗中采用Nash-Sutcliffe效率系數Ef[19]和相對誤差Er對模型的模擬結果進行評價，Nash-Sutliffe效率系數用來分析模型的模擬結果與實測結果的擬合程度。其值越接近1，說明擬合程度越高。Er用來反映模型的模擬結果與實測結果在總量上的偏離程度，其值越接近0說明模型的模擬結果越接近實測結果。即

(1)

(2)

3 模擬結果與分析

3.1 模型參數率定

將1981年～2000年設定為模型率定期，2001年～2010年為驗證期，在移植濕潤地區VIC模型參數[8,20]的基礎上進行手動調整參數，模型參數率定結果見表1和模擬效果見圖1。

表1 VIC模型模擬龍灘水庫流域模型參數取值

圖1 龍灘水庫流域模擬及實測月徑流過程對比

根據Nash-Sutcliffe效率系數和相對誤差計算結果對模擬流量數據與實測流量數據進行定量的對比分析。由圖1可知，VIC模型在模型率定期和驗證期內各年的Ef均在0.85以上，Er在0.05%以內。通過參數率定，VIC模型在率定期內模擬流量能夠較好的反映龍灘水庫流量過程的基本特征。率定期和驗證期內的效率系數和相對誤差能夠滿足該流域水資源評價與規劃的要求。

1981年～2010年各月份實測徑流均值與模擬徑流均值對比見圖2，其Ef為0.979，Er為0.023%。從圖2可看出，VIC模型在龍灘水庫流域月尺度平均流量的整體模擬效果良好。

圖2 1981年～2010年各月實測徑流均值與模擬徑流均值對比

3.2 VIC模型模擬效果分析(豐枯年模擬效果分析)

為了進一步分析VIC模型在龍灘水庫流域的模擬效果，選擇1981年～2010年中的典型豐水年(1997年、2000年)以及典型枯水年(1989年、2003年)實測及模擬的日徑流過程進行分析(見圖3)。

圖3 典型年實測及模擬日徑流過程對比

從圖3可以看出模擬的日徑流和實測日徑流過程基本吻合，能夠對峰現時間進行較好的模擬，對于峰值流量的模擬還存在較大誤差；豐水年模擬得到的Ef高于枯水年模擬得到結果，而豐水年模擬得到的徑流Er的絕對值小于枯水年模擬得到的值。總體上豐水年模擬效果優于枯水年模擬效果，且對流量的模擬在枯水年存在偏大的情況，而豐水年則存在模擬偏小的情況。

3.3 龍灘水庫流域徑流時空分布

龍灘水庫流域多年平均徑流深以及多年平均降雨量的空間部分統計資料顯示，其徑流與降水在空間分布上具有較強的相似性，在流域中、東部地區徑流分布較多，而在流域西部地區分布較少；對比1981年～2000年與2001年～2010年多年平均徑流深，流域徑流整體上呈現出一定的減少，徑流的時空分布變化主要受到降水時空變化的影響。

4 結 語

本研究結果表明：VIC模型在龍灘水庫流域能夠建立良好的降水徑流關系，可以有效反映龍灘水庫的徑流過程，驗證期模擬的流量相對誤差均小于5%，模擬的流量過程確定性系數大于0.8，在流域內具有良好的適用性；VIC模型對龍灘水庫流域徑流過程中較大洪峰模擬效果欠佳，對于參數率定結果的不確定性引起的模擬結果誤差，可以通過對參數率定方法進行更深入的研究予以減小；龍灘水庫流域徑流空間分布總體呈現東多西少的分布規律，這主要與流域的降水空間分布有關，受降水量減少的影響。