ABSTRACT

With land use data and soil type data, the grid vegetation and soil parameter banks were established respectively. A distributed VIC hydrological model with spatial resolution of 5 km × 5 km was applied in the Poyang Lake uncontrolled intervening basin, and a grid parameterization scheme was proposed to calibrate hydrological model. Application results show that the distributed VIC model performs fair better than lumped model, i.e., the distributed VIC model can basically well simulate runoff hydrograph and water resources quantity in this study area. Meanwhile, with the support of more sophisticated terrain, soil and vegetation data, the application results of distributed VIC model will be considerably promoted. This study will provide a reference and approach for hydrological simulation in the ungauged plain lake basin.

Keywords:Distributed VIC Model, Uncontrolled Intervening Basin, Hydrological Simulation, Poyang Lake

分布式VIC水文模型在鄱阳湖未控区间
流域模拟应用

郭生练^1,2，郭家力^2,3，王  俊^2,4，郭海晋^2,4，吕孙云^2,4

¹武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉

²水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉

³三峡大学水利与环境学院，宜昌

⁴长江水利委员会水文局，武汉

Email: slguo@whu.edu.cn

收稿日期：2014年8月1日；修回日期：2014年10月5日；录用日期：2014年11月10日

摘  要

本文利用土地利用数据和土壤类型资料，分别建立了流域植被网格参数库和土壤网格参数库，构建了鄱阳湖未控区间流域5 km × 5 km网格分布式VIC水文模型，并提出了水文参数网格化方法。应用结果表明，分布式流域模型的模拟结果略优于集总式水文模型，能较好地模拟区域径流过程和水资源量。在更精细的地形、土壤、植被数据支持下，分布式VIC模型的应用效果会有提升空间。本研究首次把分布式VIC水文模型应用于鄱阳湖未控区间流域，对于湖区等无资料地区的水文模拟分析提供了参考和有效途径。

关键词

分布式VIC模型，未控区间流域，水文模拟，鄱阳湖

1. 引言

鄱阳湖区地处长江干流与五河来水的汇合地带，受特殊的地理位置、自然条件及区域经济社会发展的影响，目前湖区的自然灾害仍然频繁，防洪减灾、水资源综合利用、水资源与生态环境保护等任务仍十分繁重[1] 。其中，鄱阳湖未控区间流域属无径流资料地区，该地区的水资源量分析计算及湖区水量平衡分析问题长期困扰着和工程技术和科研人员。

鄱阳湖作为我国第一大淡水湖，一直是学者们研究的热点，主要针对退田还湖对鄱阳湖洪水调蓄能力影响[2] 、洪水灾害评估[3] 、土地利用变化[4] 、河湖关系[5] 以及对鄱阳湖入、出湖水量等的趋势分析[6] 等方面展开，但是集中分析湖区水量平衡问题的研究较少。郭家力等[7] 曾使用水量平衡方法对鄱阳湖湖口流量进行修正并采用系统模型进行验证，但是该研究中使用的水量平衡方法以及多输入单输出系统模型，无法分析模拟水文变量的空间分布规律。分布式流域水文模型(distributed hydrological model)是当今水文科学研究和应用的热点、难点和重点之一。分布式流域水文模型不仅可以帮助人们更加深入地了解水文循环在不同时间和空间尺度上的演变规律和过程，而且为综合解决实践中各种与水文循环紧密相关的问题提供了一个更加有效的框架和平台[8] 。本文将分布式VIC水文模型应用到鄱阳湖未控区间流域，模拟分析径流时空变化规律，为合理有效地评估湖区水资源量提供科学依据。

2. 研究区域和数据

鄱阳湖未控区间是指五河七口(赣江–外洲站、抚河–李家渡站、信江–梅港站、抚河–虎山站、渡峰坑站和修水–虬津站、万家埠站)控制站以下至湖口之间的鄱阳湖区，区间面积约25,082 km²。鄱阳湖流域及未控区间范围见图1。分布式水文模型需要收集地形、土壤、植被以及水文气象等数据。VIC模型所需要的模型输入是降水、时段最高气温和最低气温。研究收集了鄱阳湖未控区间内72个雨量站1999~2009

图1. 鄱阳湖流域及未控区间位置图

年日降水数据，流域周围共收集到16个国家气象站点的1999~2009年逐日最高、最低气温数据。本研究将1999~2005年作为模型的率定期，2006~2009年作为模型的验证期。每个网格的水文气象条件是依据附近雨量站和气象站的观测值采用反距离加权插值方法获得。采用美国马里兰大学研制的全球1 km土地覆被资料，来描述鄱阳湖未控区间集水区域的当前植被覆被分布，该土地覆被分类将全球分为14种陆面覆盖类型，第0类为水体，第1~11类为11种植被类型，第12类为裸土，第13类为城市建筑。土壤质地分类采用世界粮农组织FAO (Food and Agriculture Organization)发布的全球土壤数据，FAO土壤数据对两种深度的土壤特性进行了描述，其中0~30 cm为上层，30~100 cm为下层。

3. 模型构建

VIC (Variable Infiltration Capacity)可变下渗能力水文模型是一个基于空间分布网格化的分布式水文模型。VIC模型是一个具有一定物理概念的水文模型，其主要特点是：1) 同时考虑陆–气间水分收支和能量收支过程；2) 同时考虑两种产流机制(蓄满产流和超渗产流)；3) 考虑次网格内土壤不均匀性对产流的影响；4) 考虑次网格内降水的空间不均匀性；5) 考虑积雪融化及土壤融冻过程。该模型已经在世界上很多地区得到了广泛应用，国内已有专著对其进行的详细介绍[9] ，本文不再赘述。

3.1. 流域空间离散

综合考虑地理信息数据的空间分辨率和计算机的计算能力，同时为以后和区域气候模式的分辨率相匹配，本文采用5 km × 5 km网格单元将鄱阳湖未控区间进行离散。选取东经116˚20′，北纬28˚58′为未控区间中心点，网格尺寸取为0.0417˚，约为5 km，整个未控区间流域共划分了1374个网格(见图2)。该网格分布是构建基于网格的鄱阳湖未控区间分布式水文模型的框架，后续的植被参数网格文件库、土壤参数网格文件库及水文参数网格库的建立均以此网格分布为基础。

3.2. 植被参数网格库

VIC模型中考虑了植被的蒸发蒸腾和冠层截留，对每种植被类型需要标定的参数有：结构阻抗、最小气孔阻抗、叶面积指数、反照率、粗糙率、零平面位移等，这些参数主要根据LDAS的工作来确定，表1中列出了植被类型的部分参数。首先对全球1 km土地覆被数据作投影转换，然后利用流域边界从中切取出鄱阳湖未控区间土地覆被数据，用建好的5 km × 5 km流域网格切割得到鄱阳湖未控区间土地覆被空间分布，以上步骤在ERDAS和ArcGIS软件中实现。建立植被覆盖参数网格数据库，包括各个网格内植被类型的总数、每种植被在该网格所占的面积比例及每种植被根区深度和所占的比例。

3.3. 土壤参数网格库

研究中VIC模型第1、2层的土壤参数取上层土壤数据的值，第3层土壤的土壤参数取下层土壤数据的值。在土壤参数中与土壤特性有关的参数，在模型标定后就不再改动，如土壤饱和体积含水量、饱和土壤水势、土壤饱和水力传导度等，这些参数根据文献确定。选取每个网格内面积比例最大的一类土壤及其对应的土壤参数，生成土壤类型网格参数库。表2给出了各种土壤类型的主要水力属性指标。

3.4. 水文参数网格化

分布式水文模型的优势在于能考虑参数的空间变异。本文采用下述方法将参数进行网格化：

图2. 鄱阳湖未控区间网格示意图

1) 首先将鄱阳湖未控区间流域的网格进行编号，以整型数1、2、3、…、1374作为网格的唯一标识，记录五河七口水文控制站所在网格。

2) 将唯一标识的网格进行分类，参数网格化布局如图 3所示：属于湖泊的网格——A；属于西河流域及类似下垫面条件的网格——B；属于博阳河流域及类似下垫面条件的网格——C；其余网格——D；其中B类与D类、C类与D类之间需要反复调整。

3) A类网格即为VIC模型默认的水面，降雨直接产流；B类网格采用西河流域率定的参数；C类网格采用博阳河流域率定的参数；D类网格的参数需要优选。

4) D类网格参数优选的方案如下：①设定2组初始值：第1组是A类和B类参数的算术平均值；第2组是以汉江流域皇庄站以下区域(与本文研究区域气候下垫面条件较为接近)的参数[10] ；②以2组初始值为上下限，在此之间设置若干套参数，逐个检验，若所得效率系数高于集总式模型，即停止检验；③若此若干套参数检验完毕之后仍未到达要求，返回第②步，将网格划分在B类与D类、C类与D类之间进行调整，直至模型率系数满足要求，最终D类参数的优选结果如表3。

4. 模拟结果与分析

对未控区间进行径流模拟分为两种方式：集总式和分布式。集总方式是将整个研究区域作为一个计算单元，计算流量过程与修正后的湖口流量过程扣除五河七口流量进行对比；分布式即按照上述划分的网格进行分别计算，其中五河七口的入流作为水文站所在网格的产流，将各网格产流汇流至湖口后与修正后的湖口流量进行对比。如表4所示，分布式VIC水文模型率定期模型效率系数为68.59%，年径流相

图3. 鄱阳湖未控区间流域网格参数类型分布图

对误差值为2.69%；检验期模型效率系数为73.56%，年径流相对误差值为−6.53%。由此可见，建立的VIC分布式水文模型比集总式模型在模型效率系数上有所改观，径流总量相对误差也控制在5%左右，由此可见，采用具有较强物理意义的分布式水文模型，能得到比集总式相当甚至更好的模拟效果。

图4(a)和(b)分别绘出了鄱阳湖未控区间VIC模型率定期和检验期日径流过程模拟图。图中所示的计算流量过程即为郭家力等[8] 对湖口流量修正后的结果。从这些图中可以看出，分布式VIC水文模型可以较好地模拟鄱阳湖未控区间的降雨径流过程，但客观来说，目前建立的未控区间流域的VIC分布式水文模型在有更高精度的数据支持下，还具有较大的提升空间。

图4. 鄱阳湖未控区间分布式VIC模型模拟日平均径流过程

5. 结论与展望

本文构建了鄱阳湖未控区间的5 km × 5 km网格，利用收集到的土地利用数据和土壤类型资料，分别建立了流域植被网格参数库和土壤网格参数库；提出了未控区间流域的水文参数网格化方法。在鄱阳湖未控区间流域分别建立集总式和分布式VIC水文模型。应用结果表明，模型的模拟结果良好，基本能模拟水资源量特征。同时可以看到，在更精细的地形、土壤、植被数据支持下，分布式VIC模型的应用效果会有广阔的提升空间。

本研究首次把分布式VIC水文模型应用于鄱阳湖未控区间流域，对于湖区等类似的无资料地区分布式水文模型的应用提供了参考和有效途径。

基金项目

国家自然科学基金资助项目(51190094)。

参考文献 (References)

NOTES

作者简介：郭生练(1957-)，男，福建龙岩人，教授，博士，主要从事水文学及水资源开发利用方面的研究。