!""#$%%%&%%’( )#$$&***+,#清华大学学报-自然科学版.
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*%%>年第(>卷第?期
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刘卓颖$=倪广恒$=雷志栋$=王玲*
-$C清华大学水利水电工程系=北京$%%%D(E*C黄河水利委员会水文局=郑州(’%%%(.
收稿日期F*%%’&%G&*?
基金项目F国家自然科学基金资助项目-’%*+?%’%=’%*(?%*(.
作者简介F刘卓颖-$?>?&.=男-汉.=河南=博士研究生H
通讯联系人F倪广恒=副教授=I&J72B F4532K L1234567C<M6C:3
摘要F在考虑了降雨和地形特性基础上开发研究了适用于干旱半干旱地区的中小尺度分布式水文模型!"#$#%&’&()*依据黄土高原水土保持措施的建设原则*将土壤表层离散为不等厚的数层进行饱和非饱和土壤水分运动数值计算+采用所建模型*对相对天然状态下的岔巴沟流域进行了连续,-的模拟计算+除个别洪峰及较小流域外*得出的模拟计算效果在整个流域范围内均较好*相关系数达到./01* 2-34效率系数达到./5.*峰现时间及最大洪峰流量都得到较好再现+结果表明*模型在黄土高原地区具有较好的适用性+
关键词F分布式水文模型6水土保持6黄土高原
中图分类号F0@$*$N C$文献标识码F O 文章编号F$%%%&%%’(-*%%>.%?&$’(>&%’
P Q R S T Q U V S W XY Z X T[\[]Q^_\‘[X W\[a R‘_\\
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g h ij k l m n o p q$=r h s l t p q k u p q$=g v h j k o w m p q$=xy r s g o p q*
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.U R S T_^S F07/23423L A:A312M<07L2A3A1L5<:5707:L<021L2:1A1B A:7B 072317B B73M L A2A407253=7M21L0246L<M53M0A B A42:7BJ A M<B=L5< 0123456723L<407L<M53M0A B A42:7B J A M<B1A01J7B B57L<015<M1=571 <1L74B215<M73M61<M L A737B36<L5<57L<073M1A2B:A31<097L2A3 J<7160<123L5<)57474A657L<015<M23L5<7A<118B7L<76C!3L5< J A M<B=L5<L A21A2B21:7L<4A02<M23L A1<9<07B B73<0152L5M211<0<3L L52:/3<11<1L A:7B:6B7L<L5<1A2B J A21L60<J A9<J<3L2317L607L<M73M 6317L607L<M6A3<1CO12J6B7L2A3A1L5<53M0A B A42:7B:A3M2L2A31A0+ 3<70115A51L57L L5<20<M2:L<MB704<1L2<7/M21:5704<173ML5<L2J< L A2<7/J7L:55<B B52L5L5<A41<09<MM7L755<3L5<57L<015<M2123 70<B7L29<B337L607B1L7L<C05<#715:A<112:2<3L15<0<7B B5245<0L573 %C G%=7B L5A645J A0<737B3121A11A J<12<:212:1B A A M173M1J7B B<0 164&57L<015<M1213<<M<ML AA4L7234<L L<012J6B7L2A30<16B L1C
9W Zd[T X R F M21L0246L<M53M0A B A42:7B J A M<B E1A2B:A31<097L2A3E7A<11 8B7L<76
目前国内分布式水文模型大多集中在半干旱半湿润地区或湿润地区较大尺度-流域尺度：时间尺度或网格尺度.的研究;$+<=由于干旱地区或干旱半干旱地区气候复杂多变=产流产沙机理复杂=加之一些常规水文要素观测的内容少=精度低=更由于计算方法和工具的限制=相关的分布式水文模型计算尚不多见H=<11<B等;(<；和"L A B L<；等;’<；在延河上游的陕西安塞县大南沟小流域-+C’/J*.进行了连续+7 -$??D>*%%%年.的实地观测=基于$%J?$%J的栅格数字高程模型-M242L7B<B<97L2A3J A M<B= @I A.=以$’1为计算步长=应用7!"I A-9<012A3 $C>+.模型对观测到的+场-<9<3L.产生径流的降雨进行了产流产沙过程模拟=并对不同土地利用对侵蚀的影响：土壤水力属性的变异性等进行了全面的研究和探索H杨涛等;><；基于*%%J?*%%J栅格@I A=应用=A0L A3和852B22下渗公式模拟计算了无定河岔巴沟流域$?G%>$?D?年期间的$$场洪水=确定性系数为’*C(BC G>C’B H
随着国家开发西部步伐的加快=大规模的水土保持生态建设将在黄土高原地区开展;G<=区域内水文循环途径以及下垫面将会由于人类活动的加强发生重大改变=产流产沙机理也将更加复杂H而D以小流域为治理单元E=大力开展以淤地坝为主体的沟道工程建设和以D退耕还林还草-植树造林.E为主体的坡面工程建设的指导方针=不但对能够考虑流域内时空变异性的分布式水文模型的各种尺度提出了较为严格的限制=也对其能够模拟的内容有较高的要求H如各条沟道中洪峰出现顺序及最大峰值对淤地坝的防洪标准至关重要=不同时期的土壤含水率则对指导林草建设的区域和品种具有重大意义H
本文在充分考虑了黄土高原地区降雨稀少!暴雨集中"沟壑纵横!
且沟道狭短!土层深厚"基流少!河道汇流快!洪峰涨落迅速!地下水位低#变幅小等不同于湿润半湿润地区特点基础上!
建立了适用于干旱半干旱地区的基于$%&的较小尺度的连续
计算分布式水文模型’()(&*+*,-’./01234/0561745682987:;:1/<4;=:86;.+>:7.=4;;+?4567
.268
@A 模型在无定河岔巴沟流域进行了验证应用A B 模型结构及基本原理
考虑到黄土高原地形的复杂多变!以及利用网格型空间信息的方便!’()(&*+*，模型以正方形网格为基本计算单元!
在每一个单元上建立描述水流运动的物理方程!并结合利用&:.4/<
方法处理单元内部信息的空间变异性A 每个网格在垂直方向从上到下又包括植被-城市@冠层#地表储留层#表层土壤#深层土壤#地下水层A 其中表层土壤直接受到降雨和蒸发蒸腾的影响!土壤水分变化剧烈!是控制大气水#地表水#土壤水和地下水C 四水D 转化关系的关键A 表层土壤水分运动采用E /<2478.
方程描述!并考虑沿坡向的壤中流!进行准二维的模拟A 对于深层土壤!只考虑水分的垂向运动!用简化的蓄水方程
来计算F G H A 土壤水分运动部分沿垂直方向的离散化
如图I 所示!其中!J K #L K #M N K #O P K #O Q K 分别为第K 层土壤的含水率#土壤水吸力-=@#层厚-=@#垂向土壤水分通量-=R .@及横向土壤水分通量-=R .@"M Q 为网格宽度-=@".>+>;3S #T 5+>;3S 分别为土壤表层和底层土壤水分通量-=R .@A 接近地表处土壤分层采用较小的厚度!土壤水分变化缓慢的深层土壤部分则采用较大的厚度A
图B 网格垂向结构图
在平面上!模型基于$%&和河网#
排水管网信息得出坡面流的流向以及坡面汇流和河网的连接情况!并且根据地质资料得出地下水含水层厚度及其与河道的位置关系!从而实现对坡面汇流#河道演进#
地下水流动及其和河道水#灌排渠系的水量交换的模拟计算A 模型的状态变量包括地表植被冠层截留水量#各层土壤含水率#地下水水头及河道水位流量等A 模型的主要参数包括地表植被冠层最大截留深#土壤水分参数#地下水导水系数和储水系数#河床材料的透水系数及坡面和河道的糙率等A 这些参数中!多数可
以参考土地利用#土壤类型#河床材料而确定!但土壤水分参数#地下水导水系数等则需要基于实际流量和地下水位资料来进行率定A
模型主要由输入模块#计算模块和输出模块组成A 输入模块的功能是基于各种流域信息!通过时间系列化和栅格化处理得到计算所需要的输入数据#
模型参数等A 计算模块是模型的核心!包括蒸发蒸腾模块#表层土壤水分运动模块#深层土壤水分运动模块#坡面汇流和河道演进模块#地下水模块#人工侧支循环模块A 计算模块实现对各计算单元的水文循环过程以及单元之间水分交换的模拟A 输出模块以水量平衡分析和计算结果的可视化为目的!输出预先指定各时刻#各时段#各空间位置上的计算结果A
各模块之间的关系如图U 所示A
’()(&*+*，模型是连续计算模型!既可以模拟洪水期水文过程!也可以进行长系列的流域水文循环过程模拟计算A
根据研究问题所要求的精度#计算能力#数据情况#输出要求等!可以选择不同的计算时间步长A 同一模拟计算中的时间步长可根据迭代计算的收敛程度而调整!以提高计算效率A
V 研究区域及数据整理
岔巴沟流域位于东经I W X Y Z [\#北纬][Y ]I \!在
无定河流域西部汇入该河一级支流大理河!属于黄土丘陵沟壑区第一副区!曹坪水文站以上面积为
I G [^=U A 流域内降雨多为强度大而历时短的暴雨!且年内分配极不均匀!_‘X 月降雨量占全年的
[W a 以上A
将I b c W W W W 地形图及I b I W W W W 土地利用图进行数值化处理!生成c W =dc W =$%&及土地利用属性!岔巴沟流域由[e Z I WG 万个c W =dc W =正方形网格组成A 根据实测水文站-网@的密度和位置!结
合C 小流域治理单元D 尺度!将全流域划分为_I 个子流域-参见图]@A
[
Z c I 刘卓颖!等f
黄土高原地区中小尺度分布式水文模型
图!"#$#%&’&(模型主体结构
图)岔巴沟流域子流域及河网水系划分
)模拟计算及结果
)*+代表年的选取
由于过大的计算时间步长会坦化暴雨过程，无法真实反映干旱地区的降雨特性，根据实际观测资料精度，本次计算以-*./为计算时间步长，以单个正方形网格为计算单元，对岔巴沟流域012-30124年天然径流过程进行连续5年的模拟计算6其中012-年为7预热期8,0120年为率定期,0124年为验证期6
012-30124年流域内基本上处于天然状态，较少人类活动9如淤地坝：梯田等；影响，适用于率定土壤的一些固有特性参数6各年全流域的平均降雨量依次为52<*-==:2-0*1==及5->*5==，分别为平：丰：枯水年份，且暴雨中心位置及雨强变化都较大，具有较强的代表性6
)*!模型率定
模型计算中的一部分参数可以参考野外观测资料：土地利用：土壤类型：河床材料而确定，如土壤饱和含水率
@
及残余含水率?
A
依据子洲径流实验站的实测资料确定B C D E F A G D=H公式中所用的参数I 及J根据实测洛川马兰黄土土壤水分曲线K1L及文K5L拟合确定6对于土壤饱和导水率M@，由土壤类型可以给出其初始值，最后取值则需要模型率定6
为充分考虑M
@
的水平方向的空间变异性9忽略
垂直方向;，以子流域为单元对M
@
进行率定，对较大子流域或观测水文资料比较详细的流域9如蛇家沟：驼耳巷等；同时考虑本流域的上下游6考虑流域内某些枯水年.月和0-月的径流比重较大，因此将.3 0-月均作为汛期，率定基本原则是模
拟与实测的径流深误差最小9扣除基流影响6基流的计算采用改进的7退水曲线置换法8对日平均径流过程进行切割K0-L;，同时兼顾洪峰6
率定结果在全流域范围内或较大子流域内较好，个别较小子流域模拟结果不理想9如驼耳巷;6图N为流域出口站曹坪水文站在0120年洪水期9<；月40日--O--3>月4日--O--；的模拟径流与实测径流对比图，相应的相关系数及P D@/效率系数分别
为-*><:-*<26率定后的土壤饱和导水率M
@
值的分布情况如图.所示，一般为上游小于下游，差值可达
数倍至数0-倍6M
@
的最大取值出现西庄上游，可能
>
N
.
0清华大学学报9自然科学版;4--2,N291
;
与此区域土壤以老黄土居多或者早期建成较多梯田有关系!图"率定期#$%&$年’
曹坪站模拟径流与实测径流对比图(岔巴沟流域土壤饱和导水率率定值分布
图&验证期#$%&)年’
干支流各站模拟径流与实测径流对比
*+*模型验证
模型率定后，保持所有的模型参数不变，以-./0
年模拟径流过程对模型进行验证!表-为干支流各站在洪水期#1月02日3343356月-2日33433’的模拟结果!图/为干流上游西庄站和出口曹坪站以及支流蛇家沟站同时期模拟与实测径流过程对比
图!从-./0年验证结果看,
各站模拟洪峰峰现时间以及峰值均吻合较好，较小流域的模拟结果也有所
改善，蛇家沟小流域最大洪峰实测值为-+07289，但模拟误差仅有-/+1:#图/;’!相关系数和<=9>
效率系数分别为3+6?@3+.A 和3+13@3+.3，且流
域内不同的较小尺度下的模拟结果均优于全流域尺度!
表$干支流各站$%&)B C D B )*5C E B $*小时径流过程模拟结果
站名最大峰值8#72F 9G -’模拟
实测峰现时间
误差8><=9>效率系数相关
系数西庄-A +--/+033+1?3+6/杜家沟岔2.+12.+-33+.-3+.A 曹坪/.+?A /+033+133+6?驼耳巷A +.?+3H-3+113+66三川口--+/03+A 33+623+.-蛇家沟
-+?
-+0
H-3+11
3+66
注4表中H 表示模拟峰值滞后于实测峰值
"结
语
应用开发研究的I J K J LM N M O 分布式水文模
型在岔巴沟流域的连续2=的初步模拟计算表明，全年内各个洪峰的模拟计算效果在整个流域范围内较好，相关系数达到3+6?以上,<=9>效率系数达到3+13以上,
各子流域峰现时间及最大洪峰流量模拟均较好，显示了模型在干旱半干旱区的适用性!个别洪峰及较小流域模拟效果尚有改进余地，流域下垫面条件的变化如坡改梯P 退耕还林还草P 淤地坝等水土保持措施，可能对个别支流的模拟计算结果产生影响!本文仅模拟了相对天然状态下的径流过程,
下一步将通过长系列的模拟计算，期待对人类活动影响下的黄土高原地区的产流汇流规律有更深刻的认识!
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A -刘卓颖，等4
黄土高原地区中小尺度分布式水文模型
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