基于双源蒸散发的新安江模型在淮河上游的应用

陈芸芸，王 烨，陆国宾，李琼芳，张 弘，虞美秀，闫方秀，邹宏荣(1. 河海大学水文水资源学院，南京 210098；2. 河海大学国际河流研究所，南京 210098；3. 河海大学水利水电学院，南京 210098)

0 引 言

新安江模型是河海大学赵人俊教授领导设计的一个概念性流域水文模型，近些年来在湿润地区和半湿润地区的水文预报及水资源规划管理中得到广泛应用[1-3]。蒸散发是新安江模型的重要输入项，其大小的合理估算直接影响到产流量的计算。目前直接测量流域实际蒸散发能力或蒸散发比较困难，一般由蒸散发能力计算模型计算得到蒸散发能力，并由此估算实际蒸散发量。新安江模型中计算流域蒸散发能力的传统方法由蒸发站蒸发皿实测水面蒸发资料乘以一个折算系数获得，再加上流域蒸发站数目非常有限，不能有效地考虑气候、地形、土地利用类型、土壤特性等因子的时空差异性对流域蒸散发能力的影响[4]。因此近年来一些学者对改进新安江模型蒸散发计算模块进行了尝试。姜红梅[5]利用β分布函数考虑土壤非线性化蒸发，以改进新安江模型蒸散发计算模块，并用于汉江流域的日径流模拟，结果表明改进效果不明显。曹丽娟等[6]利用陆面模式SSIB中的大气动力阻抗法以改进新安江模型蒸散发计算模块,但是该研究假定流域内的植被覆盖全都为草地,缺乏考虑流域下垫面植被空间分布的差异性。袁飞[7,8]利用改进的双源蒸散发模型改进新安江模型蒸散发计算模块，但日尺度的叶面积指数是由月尺度值转化得到，不能考虑植被叶面积指数的逐日动态变化。因此，本文将利用能考虑植被叶面积指数逐日动态变化的双源蒸散发能力计算模型改进新安江模型蒸散发模块，选择淮河上游息县以上流域为研究区，构建1 km×1 km网格的分布式新安江模型，基于流域地形、土地利用、气象及水文数据对息县水文站的2000-2008年逐日径流过程进行模拟与分析，并对蒸散发计算改进前后的径流计算结果进行比较，研究成果为改进新安江模型中蒸散发计算模块提供了依据，也可为改进的新安江模型在其他流域的应用提供参考。

1 基于双源蒸散发的新安江模型构建

1.1 新安江模型

三水源新安江模型结构设计为分散性，分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算四部分。采用三层蒸散发模式计算蒸散发量；用蓄满产流模型计算产流量；三水源划分采用自由水蓄水库结构把总径流分为壤中流、地表径流、地下径流；用线性水库法作坡地汇流计算，河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法。

1.2 基于植物生长的双源蒸散发模型

1.2.1简易植物生长模型(EPIC)

叶面积指数(LAI)是植物叶片总面积与植物占地面积的比值，随植物生长不断变化。简易植物生长模型[9]中假定当环境温度达到最低生长温度时，植物才开始生长。收集研究区域内日平均气温资料，根据植物生长期及最低生长温度计算总积温，采用叶面积指数发展曲线分三个时段动态计算植物的日叶面积指数。

第一阶段早期生长期，近线性升高：

LAIi=LAIi-1+ΔLAIi

(1)

ΔLAIi=(frLAImx,i-frLAImx,i-1)·LAImx·

{1-exp[5(LAIi-1-LAImax)]}

(2)

第二阶段成熟期，叶面积指数达到最大值并将保持该最大值。

第三阶段凋零期，植物叶面积指数线性下降：

LAI=16LAImx(1-frPHU)2

(3)

上述公式涉及的参数根据参考文献[9]计算。

1.2.2双源蒸散发模型

双源蒸散发模型分别对土壤表层和植被冠层进行能量的平衡计算，其计算公式为[10,11]：

Ep=Eps+Epc+Ei

(4)

式中：Ep为总蒸散发能力；Eps为土壤蒸发能力；Epc为植被蒸腾能力；Ei为截留蒸发。

(7)

式中：Δ为饱和水汽压梯度，kPa/℃；Rns为土壤表面净辐射，W/m2；G为土壤热通量，W/m2；ρ为平均空气密度，kg/m3；Cp为空气定压比热，kJ/(kg·℃)；D0为冠层源汇高度处的水汽压，kPa；ras为土壤表面与冠层源汇高度间的空气动力学阻抗，s/m；λ为蒸发潜热，MJ/kg；γ为空气湿度常数；rsp为土壤含水量达到田间持水量时的土壤表面阻抗，s/m；Rnc为冠层净辐射，W/m2；rac为冠层总边界层阻抗，s/m；rcp为土壤含水量达到田间持水量时的冠层总气孔阻抗，s/m；Wfr为潮湿冠层比例。

1.2.3植物生长模型与双源蒸散发模型集成

双源蒸散发模型中的Rns、Rnc、ras、rcp的计算均需要LAI，LAI逐日动态变化影响土壤蒸发、植物蒸腾和植物冠层截留蒸发。集成双源蒸散发模型与植物生长模型，由植物生长模型计算逐日动态LAI并将其作为双源蒸散发模型重要输入项计算流域蒸散发能力。

1.3 双源蒸散发模型与新安江模型集成

本文在充分考虑土地利用/覆被、气候特征、土壤含水量、植被叶面积指数等因子的时空差异性和土壤特性、流域地形的空间差异性对流域蒸散发量影响的基础上，将考虑植被叶面积指数逐日动态变化的双源蒸散发模型与新安江模型集成，原来由蒸发皿实测蒸发资料乘以一个折算系数获得的蒸散发能力用改进双源蒸散发模型的计算结果取代，重新作为新安江模型蒸散发能力的输入，并建立基于1 km×1 km网格的分布式新安江模型，实现研究区的日径流模拟计算。该分布式模型利用遥感等数据源，充分考虑流域下垫面分布不均，提高了模型对流域响应的空间变异性的精度，加强模型的物理基础和可靠性。

2 基于双源蒸散发的新安江模型在淮河上游的应用

2.1 研究区域概况

以淮河上游息县水文站以上流域作为研究区，流域位于东经113°15＇～114°46＇，北纬31°31＇～32°43＇之间，面积为10 190 km2。该区域地处我国半干旱气候与湿润气候过渡带，多年平均径流深约371 mm,流域多年平均水面蒸发量为900～1 500 mm，多年平均降水量为920 mm，流域内主要的土地利用方式为耕地和林地[12]。

2.2 资料收集与处理

数据资料需要地形、土地利用、气象、水文数据。数据来源及处理方法主要包括：

(1)地形数据：选用美国国家地球物理中心的全球1 km基础高程资料，DEM空间分辨率为30 m,应用 GIS和SWAT软件提取流域、水系及生成子流域。

(2)土地利用数据：基于中国科学院提供的2000 s全国空间分辨率为1 km×1 km的土地利用图，应用GIS软件切割得到研究流域2000 s的土地利用图。

(3)气象资料：选取流域附近武汉站的2000-2008年日净辐射资料；选取流域内外附近8个气象站的2000-2008年日平均水汽压、日平均气温和日平均风速资料。利用DEM资料对气象变量进行高程修正，再采用距离平方倒数法对气象资料进行插值。

(4)水文资料：选用流域2000-2008年63个雨量站的日降雨资料，采取泰森多边形法对降雨资料进行插值；选用息县水文站2000-2008年日流量资料。

2.3 模型参数率定和检验

以地形、土地利用、气象等资料计算出的流域日蒸散发能力作为新安江模型的输入，选取息县水文站2000-2008年日流量资料对新安江日模型进行参数率定和检验,其中2000-2005年作为率定期,2006-2008年作为检验期。以年径流深相对误差最小和确定性系数最大作为目标函数。模型参数率定和验证结果见表1、表2。

表1 息县流域日模型参数表Tab.1 Calibrated parameters values for the daily runoff simulation in the upper Huaihe River basin above the Xixian station

表2 息县站日径流模拟成果表Tab.2 Statistics of daily runoff validated results in Xixian station

2.4 结果分析

由表2可知:①在大多数年份由日尺度分布式新安江模型模拟计算得到的径流深与实测值相比，年产流量绝对误差小于相对误差在大都在10%以内，且确定性系数大都在0.85以上，模拟取得了满意的精度；②基于双源蒸散发的新安江模型适合模拟淮河上游的降水径流过程，丰水年的模拟效果普遍优于枯水年。如2000年、2002年，年降雨水量分别为1 378.4、 1 173.4 mm,相对误差为-2.4%、 8%，确定性系数为0.85、0.87，表明淮河上游为湿润半湿润区, 产流方式属于蓄满产流模式；2001年、2006年，年降雨水量分别为570.6、883.1 mm,相对误差为12.8%、-8.9%，确定性系数为0.52、0.6，模拟效果相对较差, 淮河上游产流方式虽属蓄满产流模式, 但却处于南北气候过渡带, 尤其是在降水偏少的年份，产流方式可能会出现局部或某段时间内的超渗产流模式。总体上，日尺度新安江模型的模拟成果符合水文模拟精度要求。

选择2000、2004年分别代表研究区的丰水年和枯水年，对各代表年内改进前后的日径流模拟效果进行比较，见图1～4。由图1、2可知，改进后的丰水年参数率定效果较好，模拟日径流过程和实测日径流过程吻合较好。确定性系数为0.85，模拟值与实际值具有很好的一致性，具有显著的线性相关，线性相关系数达到0.92，而改进前确定性系数为0.73，线性相关系数为0.89。说明改进后的模型用于2000年日径流模拟可获得比较理想的结果。由图3、4可知，枯水年参数率定效果一般，模拟日径流过程和实测日径流过程吻合不好。改进前确定性系数为0.45，二者相关系数为0.929，改进后确定性系数为0.73，线性相关性为0.932，确定性性系数都相对不高,这种模拟结果可能来源于两个方面：①枯水年人类活动对河流径流量影响程度较大，研究区内南湾水库、石山口水库等一系列水利工程在枯季的调度方式会对流域水文过程产生影响；②淮河上游处于南北气候过渡带，产流机制复杂， 2004年降水量为986.6 mm，径流深为265.4 mm，其径流系数(0.27)比2000-2008年平均径流系数(0.33)少18%，新安江模型中蓄满产流机制还不能准确地描述其产流过程，导致日径流模拟误差大，产流方式仍需要改进。

图1 息县站2000年日径流模拟结果比较Fig.1 Comparison of measured and simulated daily runoff line of 2000 in Xixian station

图2 息县站2000年日径流实测值和模拟值散点图Fig.2 Scatter-points of measured and simulated daily runoff in 2000 in Xixian station

图3 息县站2004年日径流实测和模拟过程线Fig.3 Comparison of measured and simulated daily runoff line of 2004 in Xixian station

图4 息县站2004年日径流实测值和模拟值散点图Fig.4 Scatter-points of measured and simulated daily runoff in 2006 in Xixian station

3 结 语

本文在充分考虑流域内气象要素时空变化和土地利用/覆被、土壤特性、流域地形的空间变化对流域蒸散发影响基础上，将考虑植被叶面积指数逐日动态变化的双源蒸散发模型与新安江模型集成，构建基于1 km×1 km网格的分布式新安江模型。淮河上游息县以上流域的应用结果表明，日径流过程模拟相对误差在10%以内，确定性系数大都在0.85以上，模拟效果较好，可用于该地区的日降雨径流过程模拟，也可为改进的新安江模型在其他流域的应用提供参考。

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