建立基于RS和GIS的大尺度水文模型.doc

建立基于RS和GIS的大尺度水文模型 全国径流模拟系统 刘志雨1 林朝辉2 谢正辉2 （1水利部水文局 2中国科学院大气物理所） 【摘 要人均水资源仅300～400m3， 3. 可行性分析 3.1 短期气候预测 作为国际上最早开展数值气候预测的单位之一，中国科学院大气物理研究所早在1988年就率先利用气候系统模式开展跨季度数值气候预测，随后在此基础上建立了IAP短期气候预测系统[1,2]。有别于一般的统计学模型，该数值气候预测系统是基于大气－海洋动力学模式的基础上建立起来的，总体说来由五个分系统组成的：（1）IAP ENSO预测系统（IAP-TOGA.I加海洋初值形成技术），（2）积分方案和“距平耦合”技术系统，（3）集合预测技术系统，（4）订正系统，（5）预测产品和分析系统。IAP 短期数值气候预测系统结构见图2。 该预测系统从1998年起更是连续年很好地预报出我国夏季的大范围旱涝灾害，如1998年夏季发生在我国长江流域和东北松花江、嫩江流域的特大洪涝灾害；1999年我国南涝北旱的大范围旱涝形势；2000年我国主要雨带位于黄淮之间，而北方地区持续干旱少雨的形势。另外该预测系统对2001我国北方大部地区干旱少雨，而在长江下游地区存在降水正距平中心的大范围旱涝形势也预报得很好。特别需要指出的，1999年该预测系统是全国所有预测方法中预报效果最为成功的一个，预测评分为，相关系数为对2000年夏季旱涝形势的预测，IAP跨季度数值气候预测的预测结果也是最好的，其预测评分为，相关系数为。 图2 IAP 短期数值气候预测系统框图 3.2 径流预报模型和方法 目前，中长期径流预报主要是为了改善水资源的合理利用而提供的区域性河流径流和水库来水量的枯季径流预测服务，采用的方法大多为数学统计模型，如退水曲线法、前后期径流量相关法、河网蓄水量法、前后径流模数相关法等, 只有少数为概念性水文模型，如美国国家天气局河流预报系统（NWSRFS）的中长期径流预报（ESP）模型中采用的就是萨克门托土壤湿度计算水文模型。近年来，随着遥感(RS)和地理信息系统（GIS）等高新技术在水文、水资源和环境的应用研究不断深入，在传统的统计学模型、概念性模型的基础上，趋向于研制和应用具有物理概念的网格化的分布式水文模型[3]，以便更好地模拟气象要素（如降雨、蒸散发）的时空变化和流域下垫面条件（如地形、地貌、植被和土壤等）非均匀性。 本径流模拟系统中拟采用VIC-3L（Variable Infiltration Capacity-3Lays）模型[4,5]作为径流计算的水文模型，并对其土壤蓄水容量曲线和土壤深度参数的获取方法作适当的改进。VIC模型是一个具有一定物理概念的大尺度水文模型，它将土壤分为三层，顶层分出一个0.1m的薄层，它允许土壤层与层之间的土壤水的扩散，并考虑了表层土壤水动态变化的描述和地下水水位的动态表示，同时考虑了蓄满产流和超渗产流机制（见图3）以及土壤、植被性质的次网格非均匀性的径流机制。VIC-3L模型可同时进行陆-气间能量平衡和水量平衡的模拟，输出每个格点上的径流深和蒸散发，再通过汇流模型将网格上的径流深转化成流域出口断面的流量过程，弥补了传统水文模型对热量过程描述的不足。该模型已分别用于美国的Mississippi、Columbia、Arkansas-Red等流域以及Delaware等大尺度区域径流模拟。在我国，谢正辉等人以VIC-3L模型为基础，构建了气候变化对中国径流影响评估模型的框架，建立了与土地覆盖类型及土壤质地有关的全国60km网格植被参数库和土壤参数库，完成了740个站点包含1980～1990年11年日资料的强迫数据在全国60km网格上的插值。VIC模型在全国2604个网格上连续运行，独立输出每个网格上1980～1990年的日径流深（mm）系列，结果显示网格多年平均计算径流深与多年平均降水在空间分布上呈现良好的对应关系，他们还对淮河流域蚌埠以上区域和渭河部分流域的模拟与实测月流量过程进行了对比分析，结果显示月过程峰形吻合较好。 图3 VIC-3L模型中(a)上层土壤蓄水能力的空间分布, (b)上层土壤在超渗产流中入渗能力的空间分布 3.3数据来源及模型参数 地形、土壤和植被等网格资料可从因特网（Internet）上免费获取。可以从美国地质调查局（USGS）提供的GTOPO30公共域的服务获取全球各区域相当于1 km网格尺度的数字高程网格资料，从美国马里兰大学（UMD）网站可以下载全球相当于1 km网格尺度的植被网格资料，从美国国家航空和宇宙航行局（NASA）哥世德航天中心（GSFC）的全球土地资料同化系统（GLDAS）中可以获取相当于10 km网