VIC模型在大洋河流域水量时空分布式模拟研究

2016-07-14 05:31刘佳

水利技术监督 2016年2期

刘佳

（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110046）

刘佳

（辽宁省沈阳水文局，辽宁沈阳110046）

摘要：随着计算机技术和地理信息技术的快速发展，分布式水文模型被广泛用于流域水文分布式模拟，为此，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区域作为研究流域，定量模拟了大洋河流域2000～2010年水量的时空分布。研究结果表明：VIC模型在大洋河流域具有较好的模拟精度，模拟的径流深相对误差小于4.9%，确定性系数达到0.81以上，大洋河流域径流深空间分布总体上呈现南大北小趋势，和流域降雨空间分布呈现一致性。研究成果对于大洋河流域径流深空间分布模拟以及流域水资源评价提供参考价值。

关键词：VIC模型；径流深时空分布；分布式水文模拟；大洋河流域

0 引言

集中式水文模型由于不能考虑下垫面信息对流域水文模拟的影响，常运用概化方式对流域下垫面信息进行处理，因此在流域水文预报方面存在一定的缺陷。进入20世纪初，地理信息技术和计算机编程技术的快速发展，充分考虑流域下垫面信息的分布水文模型逐步被国内外许多学者广泛用于流域的分布式水文模拟中，并确定一定的研究成果［1-4］，在这些分布式水文模型中，VIC模型由于操作原理简单，模型精度较好，被国内许多学者广泛用于流域分布式水文模型中，何思为［5］运用VIC模型模拟了黑河流域的水量时空分布，模拟结果表明VIC模型在黑河流域径流时空模拟具有较好的适用性，较好的模拟了黑河流域径流的时空分布。王宁［6］运用分布式水文模型VIC模型模拟西北干旱地区的水文时空分布，研究结果表明VIC模型较好的模拟了西北干旱地区的水文模拟，特别是VIC模型自动的地下水模拟模块，可较好的模拟西北干旱地区的地下水时空分布。张兰影［7］运用分布式水文模型 VIC模型在我国湿润区域进行了水文模拟，并和在我国运用较为广泛的集中式水文模型新安江模型进行了对比分析，研究结果表明VIC模型在丰水期模拟效果要好于新安江模型。以上研究结果表明VIC模型无论在我国西北干旱地区还是湿润区域都具有较好的模拟精度，但VIC模型在大洋河流域水文分布式模拟运用研究成果较少，特别是在大洋河大城子干流以上研究流域中没有得到具体运用，为此，该文引入分布式水文模型VIC模型，运用该模型模拟大洋河流域径流的空间分布，研究成果对于大洋河流域的分布式水文模拟和水资源评价提供参考价值。

1 VIC模型运用

1.1 研究区域概况

大洋河属于独流如海的河流，河流全长230.2km，流域面积为6554km2，流域多年平均径流量为3.1×109m3，流域年径流主要集中在7～9月份，降雨空间分布较为不均与，该文以大洋河沙里寨水文站作为研究区域，其中沙里寨水文站以上集水面积为4810km2，为大洋河的主要控制站，流域内有9个降雨站点，流域主要的土地利用方式为林地、耕地。

本文运用分布式水文模型VIC模型来模拟大洋河流域径流时空分布，VIC模型将土壤分为3层，并同时考虑流域蓄满产流和超渗产流2种产流方式，在产流计算时，VIC模型考虑不同土壤层之间的土壤水分的扩散量，并在模型计算单元网格内同时考虑流域土径流的壤和不同土地利用覆被对流域径流的影响。流域在垂向上同时考虑陆面～水汽间的能量平衡。分布式水文模型VIC模型是具有一定物理过程的物理模型，考虑了大气～土地利用覆被～土壤之间的物理交换过程，并考虑土壤、土地利用覆被以及土壤之间水交换和物理交换的过程。

VIC模型水文模拟的主要特点：第一是同时考虑陆面～水汽之间的能量平衡。第二是同时考虑蓄满产流和超渗产流2种产流机制。第三是考虑了计算单元内流域下垫面对流域径流深的影响并考虑计算网格单元内的降水分布昂不均匀性。第四是VIC模型考虑了积雪融化模块。考虑文章篇幅原因，VIC模型具体模拟方程可详见参考文献［7］。

1.2 VIC模型输入资料准备

VIC模型主要输入的数据包括2个方面。第一方面为流域下垫面的信息，下垫面信息包括流域地形数据、土地利用数据以及土壤类型数据，本文下载流域数字高程数据、土壤类型分布数据以及土地利用类型数据，以上3种数据下载来源详见参考文献［8-10］。第二方面需的数据为水文数据，收集大洋河干流沙里寨水文站2000～2010年水文数据。

1.3 VIC模型模拟

本文运用大洋河沙里寨水文站2000～2010年水文数据和流域下垫面信息数据，采用 VIC模型模拟大洋河流域2000～2010年流量，模拟结果见表1和表2以及图3。

表1 VIC模型水量模拟参数值

表2 VIC模型水量模拟结果

图1 代表年份月流量模拟与实测对比图

从表2中可以看出，VIC模型模拟的大洋河沙里寨2000～2010年径流模拟的相对误差小于5%，最大值为-4.80%，径流深相对误差最小值为 -2.34%，可见，VIC模型在大洋河流域径流模拟具有较好的适用性，模拟精度符合流域水文模拟的精度规范要求中模拟的径流深相对误差小于10%的要求。其次，从表2中还可以看出分布式水文模型VIC模型在水文过程上模拟精度也较高，模拟的大洋河2000～2010年确定性系数均在0.8以上，其中确定性系数最大值为0.877，确定性系数最小值为0.837，可见分布式水文模型 VIC模型模拟的流量过程和实测过程吻合度较高，VIC模型具有较好的模拟精度，从图1中选取的代表年份实测流量过程和分布式水文模型VIC模型模拟的流量过程对比结果可以看出，VIC模型模拟的流量过程和实测的流量过程较为相似，比较吻合。综上分布式水文模拟结果可以看出，VIC模型适合于大洋河流域径流模拟，且具有较高的模拟精度。

1.4 大洋河流域径流时空模拟

VIC模型为分布式水文模型，模型将流域离散成不同计算单元网格，并充分考虑不同计算网格单元对流域水文模拟的影响，本文运用VIC模型模拟了大洋河沙里寨水文站以上流域2000～2010年径流深时空分布，考虑文章篇幅原因，本文选定2004年为代表年份，呈现径流深空间分布，如图2所示。

从图中可以看出，大洋河沙里寨以上研究流域径流深空间分布总体上呈现南大北小的趋势，这主要是和流域降水空间分布的不均匀性相关，大洋河沙里寨以上流域降水空间分布总体上为南边大，北边小的空间分布特点，由于降水量的大小很大程度上决定了流域径流深空间分布，使得大洋河沙里寨以上流域空间径流深总体上呈现南边大北边小的趋势。流域径流深空间分布对于分析土地利用类型以及气候变化主要为降水量变化对流域径流深空间影响提供模拟平台。