模块化建模方法在东北严寒区水文过程模拟中的应用

侯铁铮

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)



模块化建模方法在东北严寒区水文过程模拟中的应用

侯铁铮

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

中国东北严寒地区广泛分布着大面积的积雪和冻土，因此该地区重要的水文变化过程就是每年冬、春交换季节的冰雪和冻土融化过程。基于此，文章将重点结合模块化的建模思想，针对我国东北严寒地区某小流域冰雪融化和融雪下渗这一水文变化过程进行模拟，以此经过长期数据观测，构建寒区水文模型，对该研究区水文及冰雪消融这一自然现象引起的径流过程进行分析。

模块化建模；东北严寒区；水文要素；演变过程；模拟

中国幅员辽阔，不同的气候地理特征，导致南北气候变化差异较大，尤其是东北处于高纬度地区，冬季气温较低，严寒冻土面积广泛分布。其中，积雪及冻土对河川水资源变化过程会造成巨大影响。中国东北降水少，冬季寒冷，因此大量的水资源在冬季主要以固态水的形式存在于冻土与积雪中。随着春季气温不断升高，伴随着地表土壤水分相变及积雪融化，生态水文过程及地气间水热交换过程会发生明显变化。其中，表现最显著的是该地区径河川流年内分配变化。这一变化过程不仅会对该研究区整个水循环系统产生巨大影响，而且也会影响当地工程建筑及生态保护、农业灌溉等。基于此，文章将立足于东北严寒地区，基于模块化建模方法，对该地严寒区水文变化过程进行模拟分析，以此为当地经济社会发展与农业、工业生产实践提供决策参考。

1 基于模块化建模方法的相关研究述评

当前在世界范围内，各国都对水文气象相关研究高度重视。其中，WCRP以及CLIC作为寒区水文过程分析及地下水循环生态系统模拟研究中的重要组成部分，自从2003年展开高寒无资料及缺少资料山区的径流预报工作以来，冰雪冻土水文一直是业内学者研究的焦点问题。正是在此背景下，模块化思想及数值模拟分析法逐渐被应用到寒区水文研究过程中。学者通过对寒区冻土及冰雪融化、水文运移过程进行数据描述，以此对不同地区水文及生态演变过程进行分析。研究表明，自然变化过程与人类社会生产实践之间存在一种相互作用的机理。通过模块化建模分析法，能够对这一交互作用机理进行全面、系统剖析。文章将以此为出发点，着重选取我国东北辽宁省内两大典型寒区小流域展开模拟研究，通过对不同模型结构与算法进行比较测试，以此合理评估不同水文要素对当地水文循环及径流变化过程造成的影响[1]。基于此，文章通过研究拟解决两方面的问题：

1)在相关研究参数未经率定的前提下，基于CRHM平台科学构建模块化寒区水文模型，以此针对寒区冰雪消融及冻土融化这两大水文变化过程进行模拟分析；

2)针对不同模型构架方案及不同模块化分析思想，对选取的两大寒区小流域水文演变过程产生的影响进行分析。

2 文章研究的背景资料分析

结合上述研究目的，文章选取的高寒区大致位于44°50′-48°N，该地区气候寒冷，冬季时间长，春秋时间短，年平均气温在0℃-5℃之间，极端气温在-32.1℃--42.1℃。其中，年降水量和海拔高度分别为1400-4700mm及80-750m。无霜期为120-149d，土壤为黑土及暗棕壤，另外该流域实际面积为36.29km2。高寒草甸为该研究区主要的地表生态景观，冬季气候严寒，平均雪深和最大雪深分别可达0.5m和0.8m。每年9月份出现雨雪交替现象，再加上当地海拔高、风速大，因此在地形和风力双重影响下，积雪呈不规则分布状态[2]。基于此，文章在研究区设立自动气象观测站，重点对该研究区内的降水及气温和相关温度、湿度、风速和风力、风向等气象参数进行观测记录，观测时间为2013年11月6日-2015年7月15日，数据监测时间间隔为10min；另外采用流速仪对该研究区河流径流及水流流速变化过程进行观测，观测频率为每日2次[3]。具体区域示意图、观测指标及相对误差如图1、表1：

表1 自动气象站主要观测参数及相关误差

图1 研究区区域概况示意图

3 东北严寒区水文过程模拟中模块化建模方法的应用

高寒区水文建模环境又称CRHM，这一建模环境是基于面向对象的模块化建模环境MMS逐渐发展而来的一个综合的寒区水文建模技术平台。这一水文建模环境的主要优点在于能够为高寒区模块化建模研究提供一个数据化的逻辑框架，能够对国际先进的寒区水文变化过程模拟理论及模拟方法等进行模拟分析。因此，在不断发展变化过程中，形成了完整而系统的寒区水文过程模块库。

这一建模方法主要功能是基于寒区降水及风吹雪、积雪升华、积雪融化和冻土坡面汇流等变化过程进行模拟分析，从而使研究者能够结合固有经验理论算法及驱动数据和数据目标、参数优化方案等构建科学的分布式水文模型。故文章将针对该研究区冰沟融雪径流的具体水文特征，通过在CRHM模块库中对寒区流域内不同的子水文模块进行选取，以此基于物理机理，对各个子模块的融雪径流过程与积雪过程进行模拟分析。具体模块化建模流程图如图2。

图2 东北严寒区水文过程模拟 中模块化建模流程示意图表2 东北严寒区监测点的水文模型参考表

水文模型参数监测点1监测点2监测点3监测点4监测点5高程/m36704238359645442892纬度/N45.08°46.81°44.05°46.29°48.04°面积/km231.2812.0516.8456.8228.91坡度/°12516818植被高度/m0.220.260.270.230.19气温递减率/℃·100m-10.670.670.670.670.67积雪反照率/%0.890.890.890.890.89土壤补给持水能力/mm2527303035持水时间/d99999汇流时间/d0.250.50.50.59.5风吹雪运移距离20002500340026001500

在实际模拟分析过程中，文章主要采用CRHM建模方法，对该研究区水文过程进行分析评估。通过对该寒区积雪的累积和消融过程及融雪径流过程进行模拟分析，科学评估冻土冻融过程对径流造成的影响。为了直观对研究区相关模型的参数指标进行合理验证和评估，文章采用ME、RMSE及NSE3个不同统计学指标对相关数据进行计算分析，具体计算公式如下：

(1)

式中：N为样本数；X为东北严寒区水文过程观测值的均值；X0bs,t为东北严寒区水文过程观测值；Xsim,t东北严寒区水文过程模拟值。

结合上述参数指标及计算公式，文章通过采用同样的方法进行观测参数设置及驱动数据计算，以此对比不同积雪消融模块的水文过程模拟结果，从而科学反映该研究区风吹雪及升华对积雪物质平衡造成的相关影响，最终通过模型拟合得到如下东北严寒区水文过程模拟中的气温及风速指标、流域模拟径流及土壤冻融过程的具体变化情况，如图3、图4。

图3 东北严寒区水文过程模拟中的气温及 风速指标的实际变化趋势

图4 东北严寒区水文过程模拟中的 模拟径流与实测径流指标变化趋势

通过对上述冻土过程的径流模拟结果与实测流量结果进行对比发现，东北严寒区水文过程模拟中的流速模拟值与实测值分别为0.45m3/s和0.56m3/s。这一结果表明，基于模块化的建模方法能够对该严寒区冻土融化引起的春季径流过程及降水引起的径流过程进行合理模拟。尤其是在冬、春季节，该模型能够准确对该研究区冻土融化引起的河道径流过程进行描述，通过对冻土区的地表径流进行分析发现，该严寒区每年冻土融化期大致在5月上旬，而不同时段的总地下径流量差异较大。其中，2015年该研究区总地表产流量是2013年的两倍之多。综上模拟结果可知，该研究区冻土融化过程会对每年春季地下径流产流总量造成一定的影响，冰雪融水也是该地区春季径流的主要组成部分。与此同时，冻土融化过程会对该研究区水量平衡及季节性土壤水文动态、河道径流时空演变造成一定的影响。因此，冻土作为高寒区水文循环过程评估的重要因子，它是调节生态结构平衡的重要指标。文章通过此次研究分析，希望能够为该研究区水文要素演变控制及合理利用水文变化规律进行生产提供参考和决策支持。

4 结 语

综上所述，寒区是我国东北地区广泛存在的一种地质区域。由于气候条件及水文条件和地质条件等与其它地区存在很大差异。因此，对水文要素及流域生态结构变化过程进行分析较为复杂，在实际研究过程中不仅需要充分结合地质以及气候条件对水文过程进行分析评估，更要就寒区气象资料及融雪、冰冻等情况对河川径流造成的影响进行分析。文章结合该研究区实际地理和气候特征，通过选取冰雪融水及积雪反照率、纬度等相关指标进行模块化分析，使松散的模块化集成分析模式取代了传统模型分析过程中嵌入式分析模式，同时使参数及指标的计算和分析要求大大降低。尤其是建模者可充分结合研究区实际水文特征及观测数据并结合区域实际研究需求，构造相应的区域水文特征模型结构，然后选择相应的子模块构建寒区水文过程分布式分析模型。这一模块化分析方法保证数据资料率定条件在十分有限的前提下，提高了寒区水文过程模拟的真实性与可靠性。文章通过对寒区积雪消融模型和土壤冻融模型进行科学构建，由此全面反映了该研究区在气候变化条件下和人与环境要素共同构成并相互作用与反馈条件下的复杂自然资源系统管理问题，从而为今后解决更加复杂的自然科学问题提供了良好的途径。

[1]严登华，何岩，王浩，等.生态水文过程对水环境影响研究述评[J].水科学进展，2005(05)：747-752.

[2]王春素.高效节水灌溉措施及效益评价[J].水利技术监督,2014(04):50-52.

[3]高素丽.辽阳市水资源开发利用和管理保护对策[J].水土保持应用技，2011(04)：45-47.

1007-7596(2017)01-0143-03

2016-12-12

侯铁铮(1974-)，男，辽宁辽阳人，工程师，从事水文水资源勘测、整编、论证、评价工作。

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