WEP模型的開發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬

1、WEP模型的開發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬WEP模型的開發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬 WEP模型的開發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬 WEP模型的開發(fā)與分布式流域水循環(huán)模擬摘要:本文介紹了WEP模型的開發(fā)和驗證情況,闡述了分布式流域水循環(huán)模擬的意義和作用。在分析分布式流域水循環(huán)模擬的研究狀況及面臨問題的根底上,考慮到我國流域尺度大、人類活動影響深、環(huán)境復雜多變的實際情況,作者認為,基于物理概念和變時空步長的、模擬對象包括水循環(huán)的各要素過程而不僅是產(chǎn)匯流過程的分布式流域水循環(huán)模型將是將來的開展方向。作者主張,應加快開發(fā)適應我國自然地理特征與氣候特點的各類基于GIS的耦合式應用系統(tǒng),為流域水資源管理、洪水預報調(diào)度

2、、水環(huán)境評價、水土流失監(jiān)視治理及水生態(tài)環(huán)境分析等提供強力支持關鍵詞:流域 水循環(huán) 水文 分布式 模型 WEP一、分布式流域水循環(huán)模擬的意義與作用地球環(huán)境變化和人類活動的影響改變了水的自然循環(huán)規(guī)律, 加劇了我國水資源的供需矛盾,許多地區(qū)出現(xiàn)了水環(huán)境與水生態(tài)惡化的嚴重局勢。地表水、地下水及人工側(cè)支循環(huán)水等各類水資源轉(zhuǎn)化頻繁,狹義的水資源概念與傳統(tǒng)的水資源評價方法已顯不適。20世紀80年代中期以來,隨著計算機技術、地理信息系統(tǒng)和遙感技術的開展,從水循環(huán)過程的物理機制入手并考慮水文變量的空間變異性問題,即分布式流域水文(水循環(huán))模型或稱“白箱模型的研究在國內(nèi)外受到廣泛重視,涌現(xiàn)出許多分布式或半分布式模

3、型,如SHE模型、IHDM模型及TOPMODEL模型等(參見文獻1)。另外,全球大循環(huán)(GCM)研究對陸地地表過程模擬提出了越來越高的要求,土壤-植物-大氣連續(xù)體(SPAC)研究受到重視,出現(xiàn)了各類SVATS(土壤-植物-大氣通量交換方案)模型,從另一方面加強了水循環(huán)的研究。本文使用“流域水循環(huán)模擬而不是“流域水文模擬,意在強調(diào)需要將流域水循環(huán)系統(tǒng)的所有要素過程聯(lián)絡起來研究而不僅僅是產(chǎn)匯流模擬。二、WEP模型的開發(fā)與驗證 1.1 WEP模型的開發(fā)為進步計算效率,WEP模型對非飽和土壤水運動的模擬采取了比SHE模型簡化的算法,但強化了對植物生態(tài)耗水與熱輸送過程的模擬,對水熱輸送各過程的描繪大都是

4、基于物理概念。(1)模型構(gòu)造。各網(wǎng)格單元的鉛直方向構(gòu)造如圖-1(a)所示。從上到下包括植被或建筑物截留層、地表洼地儲留層、土壤表層、過渡帶層、淺層地下水層和深層地下水層等。狀態(tài)變量包括植被截留量、洼地儲留量、土壤含水率、地表溫度、過渡帶層儲水量、地下水位及河道水位等。主要參數(shù)包括植被最大截留深、土壤浸透系數(shù)、土壤水分吸力特征曲線參數(shù)、地下水透水系數(shù)和產(chǎn)水系數(shù)、河床的透水系數(shù)及坡面和河道的糙率等。為考慮網(wǎng)格內(nèi)土地利用的不均勻性,采用了“馬賽克法即把網(wǎng)格內(nèi)的土地歸成數(shù)類,分別計算各類土地類型的地外表水熱通量,取其面積平均值為網(wǎng)格單元的地外表水熱通量。土地利用首先分為水域、裸地-植被域、不透水域三大

5、類。裸地-植被域又分為裸地、草地與耕地、樹木3類、不透水域分為都市地外表與都市建筑物。另外,為反映表層土壤的含水率隨深度的變化和便于描繪土壤蒸發(fā)、草或作物根系吸水和樹木根系吸水,將裸地-植被域的表層土壤分割成3層。(a)(b)圖-1 WEP模型的構(gòu)造:(a)網(wǎng)格單元內(nèi)的鉛直方向構(gòu)造,(b)平面構(gòu)造WEP模型的平面構(gòu)造如圖-1(b)所示。首先,為追跡計算坡面徑流,根據(jù)流域數(shù)字高程(DEM)及數(shù)字化實際河道等,設定網(wǎng)格單元的匯流方向(落水線)。然后,將坡面徑流沿著落水線用1維運動波法由流域的最上游端追跡計算至最下游端。關于各支流及干流的河道匯流計算,視有無下游邊界條件采用1維運動波法或動力波法由上

6、游端至下游端追跡計算。地下水流動采用多層模型進展數(shù)值解析,并考慮其與地表水、土壤水及河道水的水量交換。(2) 水循環(huán)過程的模擬。蒸發(fā)蒸騰包括植被截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、水面蒸發(fā)和植被蒸騰等。WEP模型按照土壤-植被-大氣通量交換方法(SVATS)、采用Penman-Monteith公式詳細計算了蒸發(fā)蒸騰。由于蒸發(fā)蒸騰過程和能量交換過程客觀上融為一體,地表附近的輻射、潛熱、顯熱、熱傳導及地表溫度的計算不可缺少。為減輕計算負擔,熱傳導及地表溫度的計算采用了強迫復原法(FRM)。GREEN-AMPT入滲模型物理概念明確,所用參數(shù)可由土壤物理特性推出,并已得到大量應用驗證,因此,WEP模型采用GREEN-

7、AMPT鉛直一維入滲模型模擬降雨入滲及超滲坡面徑流。GREEN-AMPT模型僅適用于降雨入滲過程。而非降雨期的表層土壤(通常是非飽和狀態(tài))水分量的再分配將影響到降雨入滲時的初期水分量、土壤和植被的蒸發(fā)蒸騰和對淺層地下水的補給等,為減輕計算負擔,WEP模型將表層土壤分成數(shù)層,按照非飽和狀態(tài)的達西定律和連續(xù)方程進展計算。 在山地丘陵等地形起伏地區(qū),同時考慮坡向壤中徑流及土壤浸透系數(shù)的各向變異性。地下水流動采用多層模型進展數(shù)值解析。淺層地下水運動按照BOUSINESSQ方程進展二維數(shù)值計算,源項包括表層土壤的降雨補給、地下水取水、深層滲漏及地下水溢出(或來自河流的補給)等。在河流下部及周圍,河流水和

8、地下水的互相補給量根據(jù)其水位差與河床材料的特性等按達西定律計算。為考慮包氣帶層過厚可能造成的地下水補給滯后問題,在表層土壤與淺層地下水之間設一過渡層,用儲流函數(shù)法處理。另外,WEP還考慮了雨水人工儲留浸透設施的模擬、防災調(diào)節(jié)池的計算及水田的模型化等。2.2 WEP模型的驗證 WEP模型具有較高的計算效率。以谷田川流域的計算為例,共有16661個計算網(wǎng)格單元,計算時段步長采用1小時,在CPU為1.4GHZ的微機上,一年的計算時間約為3小時。圖-2 WEP模型的流量模擬結(jié)果例如(谷田川流域)圖-3 WEP模型的地下水位模擬結(jié)果例如(海老川流域)圖-4 WEP模型的土壤水分模擬結(jié)果例如(海老川流域)三、分布式流域水循環(huán)模擬面臨的難題與對策分布式流域水循環(huán)模擬在我國推廣應用所面臨的主要難題有:(1)水文變量及參數(shù)的空間變異性與尺度問題。我國流域尺度大、人類活動影響深。可根據(jù)流域不同地區(qū)的地形地貌特點,分區(qū)選取不同的計算網(wǎng)格步長,然后根據(jù)網(wǎng)格內(nèi)土壤等參數(shù)的概率分布規(guī)律考慮其空間變異性對產(chǎn)