洪水资料一致性审查，水文资料一致性审查

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概括

VIC模型普遍广泛应用于3000km2以上大流域的径流模拟。但原有单位线汇流法的时间尺度为日，难以实现小时尺度的汇流计算，了VIC模型在中小流域洪水预报中的应用。开发和应用。利用基于Gamma分布函数的单位线法对现有VIC模型的汇流方法进行改进，将VIC径流模型与改进的分布式汇流模型耦合，实现基于VIC模型的小时尺度洪水预报，以碧流河流域为例进行验证。结果表明速率期和验证期确定性系数平均值为081，径流深度预报合格率为95，洪峰流量预报合格率为90，模型模拟精度较高。高。改进后的汇流模型能够更好地模拟洪水的涨落，能够满足流域洪水预报的需要，具有一定的应用价值。

关键词

VIC模型；伽马分布；单位线；洪水模拟；碧流河；

关于作者

李晓阳，1998—，男，博士生，主要从事流域洪水预报研究。

叶雷，1989—，男，副教授，博士，主要从事流域洪水预报与水文分析研究。

基金

中央高校基本科研业务费DUT20RC3019；

引用

李晓阳，叶蕾，吴健，等.VIC模型汇合改进及其在流域洪水预报中的应用研究J水利水电技术中英文，2022,537:18-26

李晓阳，叶磊，吴健，等。VIC模型改进及其在流域洪水预报中的应用研究J水利水电工程，2022，537:18-26

0前言

洪水预报是防洪减灾领域重要的非工程措施之一。及时准确的预报信息为防洪调度决策提供了有力保障。水文模型作为流域洪水预报的核心工具，是提高预报精度、延长预报周期的关键。早期的洪水预报主要采用集中模型，常用的水文模型有新安江模型、API模型、大伙房模型等。随着地理信息系统和遥感技术在水文领域的应用，分布式模型取得了巨大的发展。进步。与集总模型相比，分布式模型能更好地反映流域内降雨时空分布不均及下垫面状况。特征，更准确地描述降雨径流过程，已成为近年来水文学领域的热点之一。目前国内外主流的分布式模型有HEC-HMS模型、VIC模型、SWAT模型、流溪河模型等，在洪水预报中取得了良好的预报精度。未来，随着对流域复杂水文循环过程和机制认识的逐步提高，分布式水文模拟理论和技术将得到进一步发展。

VICVariable入渗能力模型是典型的大规模分布式模型，其参数具有明确的物理意义。它已广泛应用于日或月径流模拟、水资源管理、气候变化对河流径流的影响等领域。但VIC模型用于汇流计算的坡度单位线时间尺度为日，汇流时间只有几个小很难准确描述洪水过程，了VIC模型在洪水预报中的应用。中小型流域。近年来，有学者将改进的汇流模型与VIC模型耦合，应用于流域小时尺度的洪水模拟。例如，范辉等人。采用Muskingum法-康吉法计算网格间流量，建立实测水文数据与汇流参数之间的经验关系，将构建的网格汇流模型与VIC径流模型耦合并应用于西江。流域基本满足流域洪水预报精度要求。吴等人。建立了新的汇流模型，在VIC径流模型和河网分类汇流模型DRTR的基础上，构建了时间分辨率为3h、空间分辨率为12km的全洪水监测系统GFMS。应用结果表明，该系统在全尺度洪水模拟中表现出了良好的性能。现有研究成果虽然表现出了一定的小时尺度洪水模拟能力，但对VIC模型现有的汇流方法进行了较大改变或转用了新的汇流模型，模型的适用性有待进一步验证。

伽玛分布是概率论和数理统计中常用的数学函数。基于二参数Gamma分布的单元线广泛应用于水资源工程领域，通过优化直接确定单元线参数，无需对流域内单元线进行实际测量。在缺乏径流数据的流域具有良好的应用价值。本文基于Gamma分布的坡度单元线对原有汇流模型进行改进，与原有汇流模型具有良好的一致性，构建了基于VIC模型的小时尺度分布式洪水预报模型。以某流域为例进行案例研究，为该流域洪水预报提供技术支撑。

1研究方法

11VIC模型的基础知识

VIC模型是基于网格划分的大规模分布式模型，可以模拟大气-植被-土壤之间的水和能量传递过程，并考虑植被覆盖类型和土壤类型的子网格异质性。在VIC-3L中，LIANG和XIE提出的径流计算方案同时考虑了全库径流和超渗径流机制。为了考虑土壤性质的亚网格异质性，模型采用土壤储水能力-面积分布曲线和入渗能力-面积分布曲线，计算公式为

式中，i表示土壤储水量；im表示土壤最大储水量；A表示土壤储水量小于或等于i的面积比；b为土壤储水量形状特征参数，代表土壤储水量空间分布不均匀，b越小越均匀；f为入渗能力，fm为最大入渗能力；C为入渗能力小于或等于f的面积比例；B为入渗能力形状特征参数，表示土壤入渗能力空间分布的不均匀性。

VIC模型独立计算每个网格内每种植被覆盖类型的直接径流、基流、蒸散量和入渗过程，最终累加网格内所有土地覆盖类型的计算结果，输出每个网格的直接径流。径流和基流序列。

12融合模型改进

VIC模型的原始汇流计算采用LOHMANN等人开发的分布式汇流模型。该模型计算了VIC模型计算出的各计算单元内的直接径流和基流，并通过单元线计算计算出各计算单元出口处的水流过程。然后，水流通过简化的圣维南方程组流至分水岭出口。一方面，现有的VIC径流模型可以模拟复杂的水文过程，可以模拟小时尺度的径流过程，但原汇流模型采用的最小时间尺度为日，无法模拟小时尺度的洪水过程。另一方面，汇流的计算假设从各个单元到流域出口的路径是独立的，互不干扰。各单元的流量分别计算到流域出口处，然后线性叠加到流域出口处的流量过程中，也称为“先作用后组合”。该方法独立计算各单元的汇流过程，没有考虑水流的非线性影响，即水流累积对汇流过程的影响，因此与实际水文过程不一致。

改进的分布式流域模型采用基于高分辨率矢量河网的大规模流域方法MizuRoute，可以对水文模型或地表模型的径流输出文件进行后处理，输出流域内所有河流断面和出水口截面流动过程。两种分布式汇流模型的结构比较如表1所示。

与LOHMANN等人开发的网格汇流模型相比，改进的汇流模型采用了子流域的划分方法，模拟周期可以在1h到1d之间选择，满足了小时尺度汇流的要求。汇流计算采用逐单元法。将上游各支流的流动过程计算在各支流的汇合点处叠加，然后继续计算叠加的流动过程在下一条支流的汇合点处叠加，向着支流的出口逐渐计算。盆地。这种方法也可称为“先结合，后行动”。模型的计算过程分为斜坡汇流和河道汇流两部分。

1斜坡汇流阶段的改进。

VIC模型原汇流模型的单位线时间尺度是固定的，只能模拟日或月径流过程。对于汇流时间小于1天的流域，难以准确描述网格内的洪水涨落过程。改进的流域模型采用基于二参数Gamma分布的坡度流域单元线，该模型在水利工程领域得到广泛应用。流域单元线形状由参数a和控制，参数可直接通过优化确定，无需对流域内单元线进行实际测量。Gamma分布函数的计算公式为

式中，t代表时间；a是分布函数的形状参数；表示时间尺度参数；a和与单位线形状和洪峰有关。根据Gamma分布函数的计算公式，得到坡度汇合单元线，其形状如图1所示。

图1斜坡上汇合的单位线示意图

利用Gamma分布函数和径流深度序列卷积计算当前径流比，未来各时期径流的计算公式为

式中，q为时间步t时的放电量；R表示水文模型输出的子流域总径流深度，包括直接径流和基流；tmax表示Gamma分布的最大时间长度。

2.河流汇合阶段。

改进的分布式合流模型为通道合流提供了灵活的选择，包括两种不同的通道合流方案移动波法和扩散波法。运动波法忽略了圣维南方程中的惯性项和附加坡度，适用于河底坡度较大的山区河流；漫波法模仿LOHMANN等人提出的河道合流模型，基于一维漫波方程进行河道合流，适用于一般的天然河流，广泛应用于河流的合流阶段。漫波法的汇流计算公式为

式中，q为截面流量；x是沿河的距离；C为流速；D是扩散系数。式5可以通过卷积积分求解

在

式中，Ut-s为t-s时刻产生的径流深度。

13模型结构

将VIC径流模型与改进的分布式汇流模型相结合，建立了能够进行小时尺度洪水模拟的改进VIC模型。模型结构如图2所示。通过日常模型调试，为改进的VIC模型提供初始状态变量，以周期性降雨量和前期土壤含水量作为模型输入，各层的地表径流和基流序列通过VIC模型的径流计算输出网格，作为改进汇流模型的输入，从而得到小时尺度的洪水模拟结果。由于VIC模型的网格划分方法与改进的汇流模型中的子流域划分不同，因此需要先对VIC模型输出的地表径流和基流序列进行预处理，网格的产量为转换到汇流模型的各子流域内，该过程按面积加权计算生产流量。并利用ARCGIS工具处理流域DEM数据，提取流域水系并划分子流域，输入汇流模型计算上下游河道的拓扑关系，然后利用地表径流以各子流域上的基流为输入，通过单元线法和扩散波法计算汇流，最终输出流域内所有河段和出水断面的水流过程。

图2改进后的VIC模型结构

2应用实例

21碧流河流域概况

碧流河流域位于辽东半岛南部，东经12217-12254，北纬3933-4021，流域面积2814平方公里。碧流河水库位于碧流河干流上。坝址以上控制面积2085平方公里，占整个碧流河流域面积的741%。流域基本情况见图3。流域地处北温带湿润气候区，年平均气温84103，年平均风速125m/s，年均风速125m/s。平均降水量7466毫米。流域内植被覆盖类型以森林和旱地为主，占植被覆盖面积的90%以上。流域土壤类型主要为棕壤和草甸土。碧流河流域的主要生产方式是农业，农田水大部分来自自然降水。流域水系发育，其中控制流域面积100平方公里以上的河流有4条以上。碧流河流域上游支流于2001年修建玉石水库，其控制流域面积313平方公里，仅占碧流河水库控制面积的150%。总库容8857万立方米，新立库容7757万立方米。由闸门控制，主要任务是向营口市鲅鱼圈区供水。玉石水库投入使用后，对碧流河水库的洪水过程产生了一定的影响。

图3碧流河流域概况

22研究数据的引入和处理

VIC模型构建所需数据包括流域水文气象数据和下垫面数据。降雨量数据取自1988年至2013年桂云华等10个雨量站逐日降雨量资料和汛期降雨量资料。流量数据是根据实测实时水位、库容损失和泄流量等数据，对碧流河水库来水流量进行反演。气象数据为从中国气象数据网下载的瓦房店、岫岩等4个国家气象站的日最高、最低气温和风速，以及从国家青藏高原科学研究院下载的“中国区域高分辨率气象驱动数据集”数据中心。》，该数据集提供了中国空间分辨率为01、时间分辨率为3h的气象数据。植被覆盖度数据来源于马里兰大学发布的全1km1km植被覆盖度数据。土壤类型数据来源于联合国粮食及农业组织FAO发布的全10km10km土壤类型分布数据。

将流域划分为267个分辨率为3km3km的网格，利用碧流河流域DEM数据、植被覆盖度、土壤类型分布

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