论文总字数：17694字

目 录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

2 数据与方法 2

2.1流域概况 2

2.2 VIC模型原理及参数 4

2.2.1 VIC模型原理 4

2.2.2 VIC模型数据准备 5

2.3 均匀设计法 6

2.3.1 均匀设计法原理 6

2.3.2 均匀设计表的使用 8

2.3.3 目标函数的选定 9

3 结果与分析 10

3.1 月径流数据模拟结果及分析 10

3.2 日径流数据模拟结果及分析 14

3.3 误差分析 16

4 结论 17

参考文献 17

致谢 19

基于均匀设计法的鄱阳湖流域VIC模型参数率定

何书情

, China

Abstract:In this paper, the parameters of VIC model of Poyang Lake basin are calibrated by uniform design method, and the runoff of Poyang Lake basin is simulated by VIC model. The runoff dates of four hydrological control stations in Poyang Lake Basin from 1960 to 2003 were selected to test the simulation results and evaluate the rationality of the parameters schemes. The results show that the simulation effect of monthly runoff is satisfactory and the parameter scheme is feasible. The average correlation coefficient of the watershed is 0.96, and the Nash efficiency coefficient of the model is 0.89. The overall simulation results are reliable. So the uniform design method can not only greatly reduce the work of calibrating the parameters of the model,but also can help to get ideal results of the model simulation.

Key words:Poyang Lake basin；VIC model；uniform design method；parameter rate determination；runoff simulation

1引言

水文模型是对复杂的水文系统的一种概化体现，可以模拟水文循环过程、泥沙与营养物质迁移转化过程。其发展历程最早可追溯到19世纪后期人们利用一些经验相关的方法来描述水文现象。然而，当人们对自然界水循环现象及水文要素之间关系了解程度逐渐提高后，发现用经验相关的方法来研究水文现象比较实用和直观，但是因为实际水文过程十分复杂，经验相关方法缺乏这一方面的考虑导致结果显得不够科学严谨。到了20世纪50年代中期，计算机技术迅速发展，水文学理论系统也趋于完整，水文学家们开始将完整的水文循环过程作为一个整体看待，并以其作为研究对象进行实验，水文模型的概念也应运而生。二十世纪六七十年代是流域水文模型发展的黄金时期，一些非常著名的模型就是在这个时期出现的，例如由我国河海大学提出的新安江模型，美国和欧洲的一些发达国家提出的Stanford水文模型，API模型，SACRAMENTO模型，SHE模型，还有日本的TANK模型等都在国际上都有很大影响力。

近年来，随着GIS（地理信息系统）和RS（遥感）技术在水文模型方面的广泛应用，分布式水文模型成为许多水文研究者感兴趣的研究方向。凭借GIS对空间数据的处理和分析功能，研究水文模型的技术方法发生了巨大的改变。GIS不仅方便管理空间数据，并将空间数据作为水文模型的输入和输出，还可以将水文模块嵌入GIS的操作系统，就不需要为水文模型另外提供一个独立的运行环境，在GIS的系统里就可以实现各种操作^[1]。

本文所使用的VIC水文模型就是一个典型的基于GIS和RS技术的分布式水文模型。模型需要将研究流域均匀地划分为大小相同的矩形网格，并逐个模拟网格单元中的水文循环过程。国内外学者对VIC模型做了大量研究，逐步完善其结构和原理，使其被广泛应用于国内外流域径流模拟中，并取得了较满意的结果。如陈小凤等^[2]则将VIC模型与SWAT模型应用到径流模拟中，评估两者的适用性，得出两种模型的模拟结果都是适用的；刘佳^[3]利用VIC模型模拟大洋河流域水量时空分布，研究表明模型在大洋河流域水量模拟方面具有较好的模拟精度；何思为等^[4]用VIC模型模拟黑河上游流域水分和能量通量的时空分布，结果表明VIC模型在径流模拟方面结果较好，但在其它水文要素分布方面仍有改善余地；刘健等^[5]就鄱阳湖基本特征建立的鄱阳湖流域径流模型，模拟结果整体较好，但在流域内某些入湖河流和单个站点的模拟情况准确性不太稳定。郭生练等^[6]将VIC模型应用到汉江流域得到较好的模拟结果，并进一步预测未来一段时间内汉江流域的径流变化情况；赵求东等^[7]将冰川融雪模型耦合到VIC模型中来模拟中国西北部地区的径流过程，结果表明这种方法是可行的。这些研究都具有实际价值，不仅可以验证模型在某个地区的适用性，也可以为研究区域的水资源规划提供一些指导性建议。

在模型参数率定这一块，众多学者也进行了深入研究。目前分布式水文模型的参数率定方法有很多种, 其中比较广泛使用的有面向全局优化的遗传算法、SCE-UA算法、贝叶斯方法、RSA方法和GLUE方法。这些方法中最常使用RSA方法和GLUE方法来分析模型参数的敏感性^[8]。虽然这些方法都具有理论基础，可行性比较高，但是率定参数工作量比较大，而本文采用的均匀设计法只需要对模型进行较少次数率定便可以确定最优参数方案，在减少工作量上具有一定优越性。

2 数据与方法

2.1流域概况

鄱阳湖地处长江中下游，是我国第一大淡水湖。鄱阳湖流域总面积为1.65×10⁵ km²，占江西省行政区域总面积的97%，流域还有小部分位于湖福建，安徽，湖南，浙江，广东等省份^[9]。鄱阳湖是一个过水性、吞吐形、季节性的浅水湖泊，湖区面积随水位变化差异很大。水位较低时（12米），湖区面积只有500 km²，而高水位（20米）时则可达到4125 km²。流域境内水系交错，赣江、抚河、信江、饶河、修河五条主要河流纵贯全境，统称为“五河流域”。鄱阳湖流域由南向北地势逐渐变低，四周向鄱阳湖区倾斜，呈现以鄱阳湖为底部的盆地状地形。流域气候属亚热带湿润季风气候，光照充足，降水量充沛。良好的气候环境和充沛的降水也给植物提供了良好的生长环境，鄱阳湖流域的森林覆盖率高达60.05%，居全国第二位。气候特征方面，鄱阳湖流域多年平均气温为16～20℃，多年平均降水量为1400～1900mm，年平均水资源总量为1422×10⁸m³。丰富的水利资源和得天独厚的气候环境让鄱阳流域成为了我国的商品粮、棉、油等重要产区，在我国的国民经济和社会发展方面发挥了重要作用。

虽然鄱阳湖流域水资源储量丰富，但是由于径流全靠降水补给，流域内降水时空分布不均，年际变化幅度大，年内分配也极不均匀，再加上自然地貌特征和人类活动的影响，流域内洪涝灾害时常发生^[10]。鄱阳湖流域有两个汛期，每年四月份到六月份为主汛期，降水量主要是由锋面降水造成，“五河”径流量骤然加大，流域内易发生洪涝灾害。每年的七月份到九月份则是后汛期，这段时间是长江流域洪涝灾害比较密集的时候，洪水倒灌流入鄱阳湖，增大了鄱阳湖的调蓄压力。近年来，全球气候异常变化和极端天气现象频发更加剧了鄱阳湖流域旱涝灾害^[11]。江西省防洪总指挥部的统计数据显示，自建国以来，流域内共发生19次大洪水，分别为1954、1955、1962、1964、1967、1968、1977、1982、1983、1989、1992、1994、1995、1996、1998、1999、2005、2010、2011年，其中1954年、1998年和2010年更是影响了整个长江流域的大洪水。这些都表明鄱阳湖流域洪涝灾害情况日益严峻。

作为长江流域不可或缺的一部分，鄱阳湖流域内的水资源分布也会影响到长江及下游的水资源情况。然而，自建国以来，人类活动已经严重影响到鄱阳湖和长江之间原有的“江湖关系”。解放初期的长江流域湖泊众多，通江湖泊面积达到28859 km²，然而随着围垦活动逐渐频繁，到了1972年只剩下7600 km²，缩减近74%，而长江中下游的通江湖泊数量也由 102 个锐减至如今的两个——洞庭湖和鄱阳湖，而这两个湖泊的面积也一直在减小^[12]。这一问题使得长江本身调蓄能力下降，进而增加了鄱阳湖和洞庭湖的调蓄压力。汛期来临时，长江的洪水倒灌进入鄱阳湖，使其水位进一步升高，加剧了洪灾的危害性。长江干流和流域内其它河流上水利工程设施数目剧增，大型的水利设施如三峡工程对流域的径流分布也存在一定影响^[13]。所以，用VIC模型来模拟鄱阳湖流域径流过程可以研究流域内径流的变化情况，并为防洪抗旱、水利施工等方面提供科学依据。

本文使用SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)数据采样间隔为90m的DEM数据来划定鄱阳湖流域边界和流域水系图，具体的高程资料可以从网上免费下载。由于VIC模型计算时采用的网格分辨率为0.1°，所以可以将整个鄱阳湖流域划分为1620个网格。提取出的流域水系边界图如下图1 所示。采集了鄱阳湖流域内共计79个气象站的逐日气象数据，包括日降水量、风速、最大风速、日最高气温、日最低气温及日平均气温。同时收集了鄱阳湖流域上游地区高沙站，赛塘站，梅港站，峡山站四个水文控制站的径流资料。这些气象资料和径流资料的时间序列为1960年到2003年。

图1 鄱阳湖流域水系边界图

从图中可以看到选取的四个水文控制站地理位置分布。图中梅港站位于上饶市余干县境

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