基于集總式模型lascam的西苕溪流域徑流模型

基于集總式模型lascam的西苕溪流域徑流模型

湖泊與河流之間有著密切的水和水之間的關(guān)系。流域流是湖泊水源之一。在流域內(nèi)收集水流，將流域中的污染物帶到湖泊，引起湖泊污染。特別是隨著流域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，流域土地利用類型和植被覆蓋發(fā)生了變化，這些變化改變了流域流的特征。同時(shí)，水土流失、農(nóng)業(yè)肥料、害蟲和其他污染物也應(yīng)盡可能多地聚集在一起。研究湖泊污染，制定防治污染措施時(shí)，應(yīng)考慮流域內(nèi)污染物的分布和污染物負(fù)荷的時(shí)空變化，從源頭上控制污染，并應(yīng)盡量在進(jìn)入湖泊之前清除污染物。污染物以徑流為輸送載體,在研究污染物輸移時(shí),首先應(yīng)對(duì)徑流過程作細(xì)致的研究.目前國際上已開發(fā)了不同類型的模型,這些模型幾乎都同時(shí)包含了徑流子模型和物質(zhì)(泥沙、氮、磷、鹽等)輸移子模型,在定量模擬流域徑流和物質(zhì)輸出對(duì)人類活動(dòng)的響應(yīng)中取得了良好的效果.隨著國內(nèi)在流域監(jiān)測(cè)方面的重視,流域數(shù)據(jù)日趨完善,為開展流域模擬工作創(chuàng)造了條件.本文目的是以西苕溪流域?yàn)檠芯繉?duì)象,采用集總式模型建立其徑流模型,對(duì)模型進(jìn)行率定,并就模型的適用性作探討.所建立的徑流模型也為下一步開展污染物輸移及產(chǎn)出計(jì)算奠定基礎(chǔ).西苕溪流域是太湖主要的水源之一,研究西苕溪流域的徑流過程及污染物產(chǎn)出,有助于了解太湖水文水質(zhì)變化,并為建立太湖地區(qū)其它流域的污染物輸移模型提供可借鑒的技術(shù)方法.1流域地表及蒸發(fā)強(qiáng)度西苕溪流域位于太湖上游地區(qū)的浙西水利分區(qū),屬山區(qū)水系,面積為2267km2.流域地勢(shì)西南高,東北低,依次從山地過渡為丘陵平原,地面高程在2-1578m之間.西苕溪河長(zhǎng)約143km,源于天目山脈,向北流于湖州市杭長(zhǎng)橋與東苕溪匯合入湖,是太湖的重要水源之一.流域內(nèi)地帶性土壤是紅壤,其次為黃壤,耕作土主要是水稻土.土地利用以林地為主,其次為耕地、居民地、草地和水體,其中林地面積占62.4%o,耕地占29.7%,居民地占1.9%.西苕溪流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),多年平均降雨量為1465mm,降雨主要集中于4-9月,降雨量空間分布差異較大,年降雨量從西南山區(qū)的1800mm到東北區(qū)的1200mm呈逐漸遞減.該流域的蒸發(fā)強(qiáng)度呈較為明顯的季節(jié)性變化,夏季蒸發(fā)最大,冬季蒸發(fā)最小.蒸發(fā)強(qiáng)度從西南山區(qū)到東北區(qū)呈增大趨勢(shì),平均年蒸發(fā)量約為1200mm.為了便于將徑流模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,本項(xiàng)研究選擇西苕溪下游范家村站所在位置為流域出口,模擬的流域面積為1934km2.2流量模型2.1流域模型材料分析比較目前國際上常用的模型后,選擇LASCAM(LargeScaleCatchmentModel)模擬西苕溪徑流,主要基于以下幾個(gè)原因的考慮:(1)這是一個(gè)概念化集總模型,計(jì)算單元為基于河系和地形高程剖分的子流域,所需數(shù)據(jù)相對(duì)于分辨率更高的分布式模型少,符合西苕溪流域目前所擁有的數(shù)據(jù);(2)該模型在設(shè)計(jì)上考慮大尺度流域的水文特點(diǎn),適合于類似西苕溪流域尺度的流域;(3)該模型包含了徑流、泥沙、氮、磷、鹽分的模擬模塊,可以同時(shí)對(duì)這些物質(zhì)作模擬,也可以將某模塊單獨(dú)運(yùn)算,比如先進(jìn)行徑流的模擬,再作物質(zhì)產(chǎn)出的模擬,符合模型建立的一般步驟及西苕溪的實(shí)際情況;(4)該模型的核心是定義了3個(gè)儲(chǔ)水區(qū)來描述流域內(nèi)水量的空間分布:河溪附近表層飽和土(A區(qū))、深層地下水區(qū)(B區(qū))以及介于兩者之間的非飽和區(qū)(F區(qū)).這3個(gè)儲(chǔ)水區(qū)之間的水量交換代表真實(shí)條件下水流的運(yùn)動(dòng)和水量在流域內(nèi)的分布.這個(gè)概念化思想簡(jiǎn)單明了,又具有合理的物理基礎(chǔ),符合大多數(shù)流域的水文特征;(5)該模型包含一個(gè)參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化程序,避免了人工試探參數(shù)帶來的繁瑣和盲目,便于作較長(zhǎng)時(shí)間系列的參數(shù)率定.流域物質(zhì)輸移的模擬中,徑流過程的模擬是關(guān)鍵,其結(jié)構(gòu)決定了模型的復(fù)雜程度和模型的仿真效果,同時(shí)又決定了相應(yīng)物質(zhì)輸移的計(jì)算方法.LASCAM包含的水文過程有:(1)降雨的植被攔截:植被葉面對(duì)降雨有攔截作用,降雨去除植被攔截的水量后得到達(dá)到地面的凈降雨量;(2)地面徑流:到達(dá)地面的降雨轉(zhuǎn)化為地面徑流的過程,考慮了超滲地面徑流和飽和地面徑流兩種機(jī)制;(3)地下徑流:入滲地下的水量在3個(gè)儲(chǔ)水區(qū)A、B、F之間的分配和交換,基流通過A儲(chǔ)水區(qū)實(shí)現(xiàn),儲(chǔ)水區(qū)B和F都不直接與河道發(fā)生水量交換;(4)河道徑流:地面徑流和地下基流進(jìn)入河道的水量在河道中向下游運(yùn)動(dòng),最終到達(dá)流域出口斷面;(5)蒸散發(fā):植被攔截水量及A、B、F儲(chǔ)水區(qū)的水量都可以通過蒸散發(fā)損失到大氣中,這些蒸散發(fā)分量的總和構(gòu)成模型總蒸散發(fā)量.LASCAM在模擬流域徑流時(shí),首先將流域剖分為若干個(gè)子流域.以日為計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng),對(duì)每個(gè)子流域作水量平衡計(jì)算,再依據(jù)各子流域在河網(wǎng)中的上下游關(guān)系,將水量匯入河網(wǎng)中,最終匯集到流域的出口斷面.模型的更多細(xì)節(jié)可以參閱文獻(xiàn).2.2模型率定和日降雨按LASCAM子流域剖分要求和西苕溪流域地形水系數(shù)據(jù),整個(gè)流域剖分為47個(gè)子流域如圖1示.這些子流域通過河網(wǎng)連接成上下游關(guān)系,這種關(guān)系通過一定的數(shù)據(jù)格式輸入模型中,實(shí)現(xiàn)水量在各子流域間的傳遞.模型需要的其它輸入條件有土地覆蓋信息、各子流域多年平均年降雨量、年蒸發(fā)量和日降雨量.土地覆蓋信息主要包括葉面指數(shù)(LAI)和城鎮(zhèn)用地.西苕溪流域尚沒有開展葉面指數(shù)的觀測(cè)與計(jì)算,沒有直接的數(shù)據(jù)可以使用.在本次研究中,葉面指數(shù)由下式估算:式中,LAI為某子流域年平均葉面指數(shù);LAImax、LAImin分別為某子流域最大、最小年平均葉面指數(shù)相對(duì)值;FOR為子流域中森林所占的面積(%);顯然,式(1)基于這樣的假定:葉面指數(shù)與森林面積成線性關(guān)系;當(dāng)森林面積占子流域面積100%時(shí),葉當(dāng)森林面積占子流域面積0%時(shí),葉面指數(shù)為L(zhǎng)AImin.這樣算得的葉面指數(shù)基本能反映各子流域間的相對(duì)情況,盡管計(jì)算值與實(shí)際真實(shí)值可能存在誤差,但這個(gè)誤差在模型的率定中能得到補(bǔ)償.LASCAM不特別要求輸入模型的葉面指數(shù)與真實(shí)值吻合,只要求各子流域間的相對(duì)情況得到反映即可.式(1)的系數(shù)LAImax和LAImin在模型率定中作了調(diào)試,發(fā)現(xiàn)其取值分別為3.5和1.5時(shí)較為合適.葉面指數(shù)顯然還與季節(jié)有關(guān),這種年內(nèi)的季節(jié)性變化通過賦予每月權(quán)重系數(shù)加以實(shí)現(xiàn),算法如式(2)示:式中,LAIm為月份m的葉面指數(shù);Cm為月份m的權(quán)重系數(shù).由于目前尚缺乏研究區(qū)的LAI實(shí)測(cè)參數(shù),而LAI與植被指數(shù)(NDVI)都是代表流域地表覆被的生態(tài)參數(shù),LAI的月變化在一定程度上可以通過NDVI來反映,而且LASCAM模型輸入值不需要與真實(shí)值吻合,只要求反映相對(duì)情況,故本項(xiàng)研究采用NDVI的月變化來代表LAI的月變化系數(shù).NDVI數(shù)據(jù)采用USGS＿LPDAAC的1km格網(wǎng)數(shù)據(jù),對(duì)各月數(shù)據(jù)進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換,使其與研究區(qū)其它數(shù)據(jù)投影一致,通過疊加分析統(tǒng)計(jì)研究區(qū)各月的NDVI數(shù)值.由于同一季節(jié)的植被指數(shù)變化不明顯,為簡(jiǎn)便,在同季節(jié)內(nèi)將Cm設(shè)為常數(shù),采用季節(jié)內(nèi)各月平均數(shù)來表示.Cm數(shù)值變化幅度為從冬季的0.5到夏季的1.5.流域內(nèi)城鎮(zhèn)分布根據(jù)土地利用資料獲得.城鎮(zhèn)所在地盡管由不透水的道路和建筑物以及透水的草地組成,但在模型中,城鎮(zhèn)地被處理為不透水地面,不再區(qū)分透水的草地.日降雨條件由流域內(nèi)的8個(gè)降雨觀測(cè)站獲得,它們是杭垓、馬峰庵、老石坎、銀坑、遞鋪、橫塘村、天子崗和范家村,空間分布如圖1示.除了日降雨量,模型還需要各子流域的多年平均年降雨量,用于在模型開始運(yùn)算時(shí)調(diào)整儲(chǔ)水區(qū)A、B、F的初始水位.子流域年降雨量根據(jù)1958-1988年降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)插值獲得.在定義蒸發(fā)條件時(shí),模型需要兩個(gè)條件:一是年蒸發(fā)量;二是描述蒸發(fā)量年內(nèi)分布的函數(shù).年蒸發(fā)量根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和已發(fā)表數(shù)據(jù)獲得.模型要求各子流域的蒸發(fā)量數(shù)值能大致反映流域蒸發(fā)強(qiáng)度空間變化的梯度,而對(duì)其絕對(duì)數(shù)值的正確性沒有嚴(yán)格要求.因?yàn)楹茈y得到每個(gè)子流域?qū)嶋H觀測(cè)的日蒸發(fā)量,模型以年蒸發(fā)量為基礎(chǔ),通過正弦函數(shù)計(jì)算出各子流域的日蒸發(fā)量.正弦函數(shù)可以通過代表性觀測(cè)年的數(shù)據(jù)擬合獲得或者根據(jù)該地區(qū)蒸發(fā)量年內(nèi)分布確定.對(duì)橫塘村日蒸發(fā)量觀測(cè)數(shù)據(jù)(由20cm口徑蒸發(fā)皿觀測(cè)獲得)分析得出的正弦函數(shù)為:其中,A為0.63;D為1年的天數(shù);Φ為295(d);t為時(shí)間(d);由式(3)得日蒸發(fā)量為:e=(1-f)·E/D(4)其中,e為日蒸發(fā)量(mm);E為年蒸發(fā)量(mm);取橫塘村1988年蒸發(fā)觀測(cè)為例,該年度年蒸發(fā)量E為916mm,D為366d,由式(3)、(4)計(jì)算得到的日蒸發(fā)量與實(shí)際觀測(cè)值的比較如圖2示.2.3流量特征的對(duì)比分析模型率定是模型建設(shè)中重要的工作,率定主要有“試錯(cuò)法”和“自動(dòng)參數(shù)估算法”,兩種方法在實(shí)踐中都有應(yīng)用,有時(shí)兩種方法的結(jié)合使用可以取得最佳的效果.LASCAM包含了自動(dòng)優(yōu)化程序,可以有系統(tǒng)地調(diào)整參數(shù)使模型計(jì)算值(徑流量)“最佳”逼近觀測(cè)值.因LASCAM為概念化集總模型,除極少數(shù)參數(shù),如河流流速,具有真實(shí)物理意義外,大多數(shù)參數(shù)為無物理意義的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),這些參數(shù)只有在模型率定中加以確定.本次率定的參數(shù)主要有儲(chǔ)水區(qū)A、B、F的初始儲(chǔ)水量和控制各儲(chǔ)水區(qū)水量?jī)?chǔ)存和相互傳遞的參數(shù)18個(gè),定義河流流速的參數(shù)3個(gè),共計(jì)21個(gè).選擇橫塘村和范家村兩站點(diǎn)1968-1988年的徑流量觀測(cè)值作為模型率定的目標(biāo)值.這兩個(gè)站具有較長(zhǎng)系列的徑流觀測(cè),控制面積分別占整個(gè)流域面積的67%和98%,能較理想地反映整個(gè)流域的徑流特征.其它一些水文站點(diǎn)因靠近水庫下游,觀測(cè)值受水庫影響較大而不適用于模型的率定.圖3和4表示率定時(shí)段內(nèi)模型計(jì)算值與觀測(cè)值(已換算成徑流深度)的比較,總體上說,日徑流量和年徑流量模擬值與觀測(cè)值都有良好的吻合.如果以效率系數(shù)e(e=1-Vr/Vo,Vr為觀測(cè)值與模擬值的差的方差,Vo為觀測(cè)值的方差,e的范圍為1至-∞分別表示“最優(yōu)”至“最差”的吻合)表示模擬值與觀測(cè)值的吻合程度,則橫塘村和范家村兩站點(diǎn)的效率系數(shù)分別為0.844和0.882.從圖3知,模擬的徑流峰值有小于觀測(cè)值的趨勢(shì),這可能由于對(duì)植被覆蓋條件的近似引起,也可能由模型本身對(duì)真實(shí)世界的近似引起.圖3(c)表示整個(gè)流域出口斷面處(1號(hào)子流域)的徑流量,該子流域沒有觀測(cè)值作比較,但應(yīng)該與2號(hào)子流域(范家村站點(diǎn))的徑流量較為接近.在模型率定中發(fā)現(xiàn),西苕溪流域地面徑流的產(chǎn)生可能以飽和地面徑流機(jī)制為主,即在河道附近,由于地下水位較淺,降雨首先使表層包氣帶飽和,隨后產(chǎn)生地面徑流匯入河道;在距離河道較遠(yuǎn)的地方,降雨入滲地下,再以基流形式匯入河道.這得到地下水位觀測(cè)的初步證實(shí),比如,在靠近河道處,地下水埋深較淺,為0.5-2.0m.由模型輸出的儲(chǔ)水區(qū)A、B、F的儲(chǔ)水量變化數(shù)據(jù)分析,西苕溪的徑流特征還表現(xiàn)在儲(chǔ)水區(qū)A(表層飽和土)的水量呈明顯的日波動(dòng)周期,與日降雨量相關(guān)明顯;而儲(chǔ)水區(qū)B(深層地下水)的水量呈年波動(dòng)周期,在每年的汛期,儲(chǔ)水量增加;在旱季,儲(chǔ)水量減少.儲(chǔ)水區(qū)F(介于A和B間的非飽和區(qū))在模型中作用不明顯.這些發(fā)現(xiàn)有助于更確切地概化水文模型以及建立恰當(dāng)?shù)奈廴疚镙斠颇Ｐ?本次模型率定的時(shí)間段為21年,該時(shí)間長(zhǎng)度已基本包含了流域的特征水文條件,檢驗(yàn)了模型在各水文條件下的模擬能力,所以,本文未對(duì)模型作另外時(shí)段的驗(yàn)證.在今后更多數(shù)據(jù)資料具備的基礎(chǔ)上,可以對(duì)模型作進(jìn)一步的驗(yàn)證.3徑流模型的應(yīng)用(1)模型率定效果良好,能較為滿意地重現(xiàn)率定時(shí)段內(nèi)的徑流量.模擬日、年徑流量都與觀測(cè)值吻合良好,模擬值呈現(xiàn)略高于低徑流觀測(cè)值而略低于高徑流觀測(cè)值的趨勢(shì);(2)盡管缺乏足夠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),比如,葉面指數(shù)、蒸發(fā)量、降雨量的空間分布都沒有足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),模型仍能滿意地模擬徑流規(guī)律,表明該模型對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)要求不高,能在