林业科学  2003, Vol. 39 Issue (1): 1-9   PDF    
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于澎涛, 徐德应, 王彦辉.
Yu Pengtao, Xu Deying, Wang Yanhui.
应用官司河分布式水文模型模拟流域降雨—径流过程
SIMULATING RAINFALL-RUNOFF PROCESSES BY GSH MODEL, A PHYSICALLY-BASED DISTRIBUTED HYDROLOGICAL MODEL
林业科学, 2003, 39(1): 1-9.
Scientia Silvae Sinicae, 2003, 39(1): 1-9.

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收稿日期:2002-01-29

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于澎涛
徐德应
王彦辉

应用官司河分布式水文模型模拟流域降雨—径流过程
于澎涛, 徐德应, 王彦辉     
中国林业科学研究院森林生态环境研究所 北京 100091
摘要: 由于地理要素(地形、气候、土壤、植被等)的空间异质性,森林的生态服务功能,尤其是涵养水源和保持水土的功能,也存在着空间分异。本文根据森林水文过程和森林水文生态功能的形成机理,建立了通用性较强的官司河分布式水文模型。官司河模型根据流域内部地理要素的空间异质性把流域分成一系列的单元和作用层,以单元和作用层为基本单位,连续计算每个单元和作用层的水文过程和水文要素变化,包括降雨输入、冠层截留、枯落物层吸水、入渗、蒸散、壤中流、地表径流等,进而得到流域水文的时空变化。用此模型模拟了四川绵阳官司河流域的降雨—径流过程,计算结果与观测结果基本吻合。
关键词: 森林水文    分布式水文模型    森林生态效益    空间异质性    
SIMULATING RAINFALL-RUNOFF PROCESSES BY GSH MODEL, A PHYSICALLY-BASED DISTRIBUTED HYDROLOGICAL MODEL
Yu Pengtao, Xu Deying, Wang Yanhui     
The Research Institute of Forest Ecology and Environment, The Chinese Academy of Forestry Beijing 100091
Abstract: The ecological services of forests,especially water and soil conservation,vary spatially due to the spatial heterogeneity of physical geographical elements,such as topography,soil,vegetation,climate. Guansi River hydrological (GSH)model,a general physically based distributed hydrological model on watershed level,was established in this paper. In GSH model,the watershed was distinguished into different regular cells. Each cell was supposed to be homogeneous in canopy structure,litter composition and structure,land surface features,and soil characteristics which were defined as different layers in the model. GSH model calculated water movements through the canopy and soil layers in every cell of the watershed and simulated water flow among neighbor cells,including rainfall,canopy interception,absorption of litter layer,infiltration,evapotranspiration,subsurface runoff and surface runoff. It can be obtained from GSH model the change of water distribution in the watershed when using the change of physical elements in both spatial and temporal dimensions as input of the model. By using GSH model,rainfall runoff processes were simulated in Guansi River watershed,Sichuan Province,Southwest China. The simulated result agreed well with the measured data.
Key words: Forest hydrology    Physically-based distributed hydrological model    Ecological services of forest    Spatial heterogeneity    

森林作为陆地生态系统的主体,它的生长和发育一方面受水分条件限制,另一方面也影响和改变着流域内入渗、径流、汇流等水文过程、水文事件的发生频率和强度以及水文特征在流域内的时空分布,从而形成森林的涵养水源、保持水土等水文生态功能。森林的水文生态功能同时受到森林的生态特征和流域内地理环境条件的影响,是生态过程和水文过程综合作用的结果,并随地表条件而变化。随着有关学科的快速发展和生产需要,准确地预测和评价流域或区域等较大空间尺度的水文过程和水文效益,显得越发迫切和重要,这就需要充分考虑有关地理特征的空间分布对水文过程和水文效益的影响。已有的森林水文学研究是通过选取典型群落和典型地段、建立定位点、进行定位观测、收集数据、建立单点统计模型等步骤进行单点评价(马雪华等,1993),由于没有充分考虑地理要素空间分布格局对水文过程的影响,研究结果不能直接外推到流域或区域尺度上,大大限制了研究结果的实际应用。而兴起于20世纪80年代的区域尺度上分布式水文模型的研究正在改变这种局面(Beven, 1989; Mackay et al., 1997)。它考虑了流域内部地理环境要素和森林植被的空间分异,既能反映与流域内局部变化相对应的水文响应,也能预测和评价流域经营管理活动(如造林、砍伐等)对流域水文状况和水资源的影响,还可推广应用到其它流域,具有巨大的应用前景(Anderson et al., 1985)。

尽管分布式水文模型的发展已有20 a左右的历史,但早期由于GIS技术不成熟等原因而发展缓慢。近年来随着GIS技术的日新月异以及相关学科的迅猛发展,分布式水文模型已经成为森林水文学、水文学、生态学等学科在21世纪的研究热点(Swanson, 1998),代表了水文模型的未来发展方向。

本文以四川省绵阳市的官司河流域为例,建立了分布式水文模型——官司河模型(GSH),它是在GIS支持下,根据流域内各地理环境要素的空间分布和其对水文过程的作用机理,将各水文过程耦合起来而建立的一个通用性较强的模型。利用这一模式,本文模拟了官司河流域的降水—径流过程。

1 官司河分布式水文模型的构建 1.1 对流域内部空间差异性的描述——单元与层的划分

流域内部各地理要素的空间异质性在水平方向上表现为斑块镶嵌状,在垂直方向上表现为成层性。根据景观生态学的结构与功能原理,官司河模型首先把流域划分为一系列大小相同、形状为正方形的单元,并假定每个单元内的有关特征在水平方向上是均匀一致的,即认为单元内海拔高度、植被、土壤等自然属性在水平方向上没有变化。再根据植被和土壤的成层性和不同生态层对水文过程的作用,把每个单元进一步划分为一定的作用层,如乔木层、灌木层、草本层、枯落物层、根系层(又进一步分上层和下层)等。这样,流域就表示成单元和作用层在空间上的组合和搭配,流域内水分循环过程表示为单元之间以及在同一单元内不同作用层之间的水分流动和交换。

1.2 流域汇流路径的确定

考虑到官司河流域的降水产流特点,同时为了简化计算,在官司河模型中只考虑以重力为主要驱动力的单元间水分流动与交换,即饱和壤中流和地表径流。因此,水的流动方向是由单元间的相对高差决定的,即水流总是沿最陡的方向从位于高处的单元流向低处的单元。如编号为1、2、3、4的单元是A单元的4个相邻单元(图 1),A单元中的水流总是流向4个相邻单元中最低的那个单元。

图 1 官司河模型的单元结构图 Fig. 1 A sketch map of cells in the GSH model
1.3 官司河模型考虑的水文过程

在实际情况下,流域内的水文过程是相当复杂的。为便于模拟和讨论,本模型依据水分平衡和能量守恒原理,考虑了如下的主要水文过程:

1.3.1 群落冠层截留群落截留

包括乔木层、灌木层和草本层对水分的拦蓄。假设降雨首先被植被层层拦截,当植物表面持水量饱和后,多余的水量才穿过群落到达地面。

1.3.2 枯落物层吸水

假设到达地面的雨水,首先被枯落物吸收,当枯落物持水量饱和后,剩余的水才向土壤中渗透。

1.3.3 土壤中的水分运动

渗入土壤中的水分首先进入根系层。在根系层土壤含水达到田间持水量以前,假设水分只在表层土壤中依靠表面张力和毛管力作垂直方向的运动(不饱和运动)。当根系层含水量达到并超过田间持水量时,水分开始透过根系层底部以一定的速率向底土层渗透。底土层入渗速率明显小于根系层,超过底土层入渗速率的水量就填充在根系层底部的土壤非毛管孔隙中,形成饱和层。根系层土壤的入渗速率根据Philip入渗公式确定。

1.3.4 蒸发散

在官司河模型中,蒸发散包括群落冠层截持和枯落物层截持降水的蒸发、地表积水的蒸发、根系层土壤含水的蒸发和植物蒸腾。某时刻,单元的实际蒸散量由其潜在蒸散量和单元实际含水量决定,其中潜在蒸散量根据气象条件和植物群落特性计算得出。

单元内不同层的蒸散失水顺序依次为冠层表面截持水量、地表积水、枯落物层持水和根系层土壤水分。

1.3.5 饱和壤中流

官司河模型只考虑饱和壤中流,忽略了单元间的不饱和壤中流。饱和壤中流的流量与流速依据Darcy定律计算。

1.3.6 地表径流

根据动力波原理和曼宁公式计算地表径流的流量和流速。

1.4 官司河模型的参数

官司河模型需要大量的参数,如以单元为单位的地形、植被、土壤三要素的多个特性参数(表 1)、流域初始状态参数和降雨信息。其中,流域的初始状态参数包括初始时刻流域内各单元的植物群落截留量、土壤含水量、地表积水厚度等。

表 1 官司河模型所需地形、植被和土壤特性参数 Tab.1 Topography, vegetation and soil parameters required by the core programs of the GSH model
2 对官司河流域降雨—径流过程的模拟 2.1 流域的自然地理特征

① 四川省林业科学研究院等,1995.长江中上游典型防护林综合效益监测与计量评价技术研究报告(内部资料).

官司河流域位于长江中上游的四川省绵阳市境内,东经104°46′~104°49′和北纬31 °32′~31°37′,面积为21.1 km2

流域地貌为浅—深切割丘陵,海拔高度变化在500~638 m之间,切割深度约100 m。流域地表分水界线明显,汇水面积基本闭合。土壤主要有姜石黄壤、老冲积黄壤、紫色土、灰白砂土四种类型。气候属北亚热带湿润季风气候,年平均气温16.1℃,年平均相对湿度为79%,年均降水量921.0 mm,其中降雨是主要形式,且主要集中在夏秋季节,7、8两月降雨最集中,是暴雨多发季节。

官司河流域为典型的农林复合生态系统(表 2),由于开发时间较长,自然条件较好的地段均已为耕地,如坡顶和较缓的山坡为旱地,坡脚和沟底为水田,只有较陡的山腰由于无法耕作才用作林地。整个流域的森林覆盖率约16.7%,森林多为天然次生林和人工林,主要有柏木(Cupressus funebris)林、马尾松(Pinus massoniana)林、桤木(Alnus cremastogyne)柏木混交林、马尾松柏木混交林、马尾松栎树混交林,其中以马尾松、柏木与麻栎(Quercus acutissima)、栓皮栎(Q. variabilis)混生构成的针阔混交林为主。群落结构简单,可分为明显的乔、灌、草三层。林下灌木以黄荆(Vitex negundo)、铁仔(Myrsine africana)、火棘(Pyracantha fortuneana)、胡颓子(Elaeagnus pungens)等为主,草本层以牛筋草(Eleusine indica)和白茅(Imperata cylindrica var.major)为主。

表 2 官司河流域(长河堰以上)不同土地利用方式的面积比例 Tab.2 The ratio of different land-use types in the upper of Guansi River watershed
2.2 模型参数的确定 2.2.1 官司河流域内单元的划分

在GIS支持下,将1:10 000地形图扫描数字化后,建立分辨率为50 m×50 m的数字高程模型(DEM,垂直分辨率为0.25 m)。这样把控制断面——长河堰以上的部分划分为7 378个单元,分列在141行、84列之中,其中包括7 097个坡面单元和281个河道单元。

2.2.2 单元性质的确定

根据官司河流域的土地利用图(1:10 000)和森林小班分布图(1:10 000)制成流域综合信息图,然后对该图进行扫描、数字化,按50 m×50 m的精度从矢量转栅格后,与DEM相匹配,确定每个单元的综合信息,包括植被、土壤特性等。其中,每个单元的植物群落的物种组成、结构、群落截留容量、根系层厚度、海拔高度、坡度等参数是根据对每个单元的实际调查资料确定,而枯落物量及其持水能力、土壤孔隙度、田间持水量、饱和含水量、初始入渗速率、入渗曲线、饱和导水率、曼宁阻力系数等模型参数则首先根据野外观测和试验,确定每种下垫面类型的参数值(表 3表 4),每个单元的参数值取其所属下垫面类型的参数值。

表 3 官司河流域不同群落类型的土壤水分常数 Tab.3 Soil water parameters under different plant community types in the Guansi River basin
表 4 官司河流域不同群落类型的土壤入渗参数 Tab.4 Soil infiltration parameters under different plant community types in the Guansi River basin
2.3 流域降雨—径流过程的模拟

选择1998年和1999年的4场降雨(表 5),分别为特大雨、大雨和绵雨,而且与前一次降雨的时间间隔也从1~5 d不等,它们基本反映了官司河流域降雨的主要类型。

表 5 官司河流域的4场降雨 Tab.5 The four rainfall events selected for a test of the GSH model

位于官司河流域的上游和下游的两个雨量观测点的观测结果表明,官司河流域的降雨没有明显的空间分异,因此,在应用这一模型进行该流域水文过程模拟时,可认为全流域降雨均匀一致。雨前流域的水文状况根据水文观测资料确定(表 6)。模拟降雨距前次降雨时间均在2 d以上(表 5),植物截留水量已全部蒸发,前次降雨时产生的地表积水也已全部排掉,故植物群冠持水量和地表水量均为0。

表 6 降雨前官司河流域水文状况 Tab.6 Hydrological conditions before the rainfall in the Guansi River basin

应用官司河模型,根据降雨强度和径流量采用不同的时间步长计算官司河流域的水文过程(图 2~5),其中,1998-08-18的特大暴雨的径流模拟中,径流速度特别是河道内的流速非常快,水位变化比较剧烈,采用1 min作为计算时间步长,另外3场降雨的径流量相对小得多,流速也较慢,采用5 min作为时间步长。

图 2 应用官司河模型模拟计算的1998-08-18~23降雨—径流过程 Fig. 2 Simulated runoff processes of Aug. 18~23, 1998 by the GSH model —模拟的径流过程 Simulated runoff process —△—观测的径流过程 Observed runoff process下同。The same below.
图 3 应用官司河模型模拟计算的1999-06-12~13降雨—径流过程 Fig. 3 Simulated runoff processes of Jun. 12~13, 1999 by the GSH model
图 4 应用官司河模型模拟计算的1999-07-02~04降雨—径流过程 Fig. 4 Simulated runoff processes of Jul. 02~04, 1999 by the GSH model
图 5 应用官司河模型模拟计算的1999-06-24~26降雨-径流过程 Fig. 5 Simulated runoff processes of Jun. 24-26, 1999 by the GSH model

图 2~5中可以看出,官司河模型计算的降雨—径流过程与实际观测情况基本吻合,但存在一定的时滞,洪峰出现的时间较观测到的洪峰晚,降雨量愈大,洪峰延迟的时间越长。其中洪峰流量的最大误差为+8.5%,次降雨总径流量的最大误差为+13.6%。当降雨量过大或过小时误差较大,如1998-08-18的特大暴雨和1999-06-24的小雨的计算出的总径流量与实际观测的径流量的误差明显大于另外2场降雨的径流量误差(表 7)。

表 7 官司河模型的计算径流过程特征与观测值比较 Tab.7 Comparison between simulated runoff processes by GSH model and observed runoff processes

产生时滞的原因是在官司河模型中单元内的水总是均匀的分布在单元内,并以片流的形式向外流动,阻力不随水量的增加而减小。这与实际情况有一定差别,实际情况是随着水量增加,水会从层流变为紊流,或者是二者的混合,流速加快,阻力减小,而且逐渐汇集到单元内的纹沟或细沟内,而不是均匀的分布在整个单元内,沿纹沟或细沟向外流动,这就大大缩小了过水断面,增加了水深,减小了阻力,水流速度加快,到达河道的时间就比模型计算出的时间短,而且降雨量越大,径流量越大,这种作用越明显。然而,目前要准确、定量描述地表径流的这种流态和流阻的变化还很困难(柯克比,1989),特别是准确描述流域内地表径流流态的时空变化几乎不可能,这是每个分布式水文模型都遇到的一个无法克服的难题。今后需开展单元水量与水流流态和阻力关系试验,确定水流流态随水量及其它环境条件变化的参数,来修正模型,使得模型描述的流域水文过程与实际更加接近。

3 结论与展望

根据流域的空间异质性,官司河模型把流域在水平上分成一定数量的单元,在垂直上把单元分为一定数量的作用层,以单元和作用层为基本计算单位,充分考虑了流域内部的空间差异对水文过程和水文特性的影响,使模拟的水文过程更接近流域的真实状况。

对一场典型降雨-径流事件的模拟表明,官司河模型能够比较准确的预测流域的降雨—径流过程,洪峰流量和次降雨总径流量均与实际观测结果基本吻合,但洪峰的出现存在一定的时滞,这是由于模型中“单元中的水总以片流的形式流动、阻力恒定”的假设与实际水文过程有一定出入造成的,然而,准确描述流态的时空变化目前还无法做到。

官司河模型以单元为单位进行水文过程的模拟和计算,它可以预测流域的局部变化所产生的水文效应,将会为精确预测和评价诸如洪水灾害、污染物迁移扩散、水土流失等有关水文过程和水文特性变化,进行生态效益计量,科学制定流域治理和生态环境建设规划等提供有力的科技支撑。

参考文献(References)
柯克比主编.山坡水文学(刘新仁等译).哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1989
马雪华. 1993. 森林水文学. 北京: 中国林业出版社.
Anderson M G and Burt T P. Hydrological forecasting. John Wiley & Sons, New York, 1985 http://cn.bing.com/academic/profile?id=d894f925424d76d2b6d72807a0a189b1&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
Beven K J. 1989. Changing ideas in hydrology-The case of physically-based models. Journal of Hydrology, 105: 157-172. DOI:10.1016/0022-1694(89)90101-7
Mackay D S and Band L E. 1997. Forest ecosystem processes at the watershed scale: Dynamic coupling of distributed hydrology and canopy growth. Hydrological Processes, 11: 1197-1217. DOI:10.1002/(SICI)1099-1085(199707)11:9<1197::AID-HYP552>3.0.CO;2-W
Swanson R H. 1998. Forest hydrology issues for the 21st century: A consultant's viewpoint. Journal of the American Water Resources Association, 34(4): 755-764. DOI:10.1111/j.1752-1688.1998.tb01513.x