模塊化建模方法在東北嚴寒區(qū)水文過程模擬中的應用

侯鐵錚

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

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模塊化建模方法在東北嚴寒區(qū)水文過程模擬中的應用

侯鐵錚

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

中國東北嚴寒地區(qū)廣泛分布著大面積的積雪和凍土，因此該地區(qū)重要的水文變化過程就是每年冬、春交換季節(jié)的冰雪和凍土融化過程?；诖?，文章將重點結(jié)合模塊化的建模思想，針對我國東北嚴寒地區(qū)某小流域冰雪融化和融雪下滲這一水文變化過程進行模擬，以此經(jīng)過長期數(shù)據(jù)觀測，構建寒區(qū)水文模型，對該研究區(qū)水文及冰雪消融這一自然現(xiàn)象引起的徑流過程進行分析。

模塊化建模；東北嚴寒區(qū)；水文要素；演變過程；模擬

中國幅員遼闊，不同的氣候地理特征，導致南北氣候變化差異較大，尤其是東北處于高緯度地區(qū)，冬季氣溫較低，嚴寒凍土面積廣泛分布。其中，積雪及凍土對河川水資源變化過程會造成巨大影響。中國東北降水少，冬季寒冷，因此大量的水資源在冬季主要以固態(tài)水的形式存在于凍土與積雪中。隨著春季氣溫不斷升高，伴隨著地表土壤水分相變及積雪融化，生態(tài)水文過程及地氣間水熱交換過程會發(fā)生明顯變化。其中，表現(xiàn)最顯著的是該地區(qū)徑河川流年內(nèi)分配變化。這一變化過程不僅會對該研究區(qū)整個水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響，而且也會影響當?shù)毓こ探ㄖ吧鷳B(tài)保護、農(nóng)業(yè)灌溉等?；诖?，文章將立足于東北嚴寒地區(qū)，基于模塊化建模方法，對該地嚴寒區(qū)水文變化過程進行模擬分析，以此為當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展與農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)實踐提供決策參考。

1 基于模塊化建模方法的相關研究述評

當前在世界范圍內(nèi)，各國都對水文氣象相關研究高度重視。其中，WCRP以及CLIC作為寒區(qū)水文過程分析及地下水循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)模擬研究中的重要組成部分，自從2003年展開高寒無資料及缺少資料山區(qū)的徑流預報工作以來，冰雪凍土水文一直是業(yè)內(nèi)學者研究的焦點問題。正是在此背景下，模塊化思想及數(shù)值模擬分析法逐漸被應用到寒區(qū)水文研究過程中。學者通過對寒區(qū)凍土及冰雪融化、水文運移過程進行數(shù)據(jù)描述，以此對不同地區(qū)水文及生態(tài)演變過程進行分析。研究表明，自然變化過程與人類社會生產(chǎn)實踐之間存在一種相互作用的機理。通過模塊化建模分析法，能夠?qū)@一交互作用機理進行全面、系統(tǒng)剖析。文章將以此為出發(fā)點，著重選取我國東北遼寧省內(nèi)兩大典型寒區(qū)小流域展開模擬研究，通過對不同模型結(jié)構與算法進行比較測試，以此合理評估不同水文要素對當?shù)厮难h(huán)及徑流變化過程造成的影響[1]?；诖?，文章通過研究擬解決兩方面的問題：

1)在相關研究參數(shù)未經(jīng)率定的前提下，基于CRHM平臺科學構建模塊化寒區(qū)水文模型，以此針對寒區(qū)冰雪消融及凍土融化這兩大水文變化過程進行模擬分析；

2)針對不同模型構架方案及不同模塊化分析思想，對選取的兩大寒區(qū)小流域水文演變過程產(chǎn)生的影響進行分析。

2 文章研究的背景資料分析

結(jié)合上述研究目的，文章選取的高寒區(qū)大致位于44°50′-48°N，該地區(qū)氣候寒冷，冬季時間長，春秋時間短，年平均氣溫在0℃-5℃之間，極端氣溫在-32.1℃--42.1℃。其中，年降水量和海拔高度分別為1400-4700mm及80-750m。無霜期為120-149d，土壤為黑土及暗棕壤，另外該流域?qū)嶋H面積為36.29km2。高寒草甸為該研究區(qū)主要的地表生態(tài)景觀，冬季氣候嚴寒，平均雪深和最大雪深分別可達0.5m和0.8m。每年9月份出現(xiàn)雨雪交替現(xiàn)象，再加上當?shù)睾０胃?、風速大，因此在地形和風力雙重影響下，積雪呈不規(guī)則分布狀態(tài)[2]?；诖?，文章在研究區(qū)設立自動氣象觀測站，重點對該研究區(qū)內(nèi)的降水及氣溫和相關溫度、濕度、風速和風力、風向等氣象參數(shù)進行觀測記錄，觀測時間為2013年11月6日-2015年7月15日，數(shù)據(jù)監(jiān)測時間間隔為10min；另外采用流速儀對該研究區(qū)河流徑流及水流流速變化過程進行觀測，觀測頻率為每日2次[3]。具體區(qū)域示意圖、觀測指標及相對誤差如圖1、表1：

表1 自動氣象站主要觀測參數(shù)及相關誤差

圖1 研究區(qū)區(qū)域概況示意圖

3 東北嚴寒區(qū)水文過程模擬中模塊化建模方法的應用

高寒區(qū)水文建模環(huán)境又稱CRHM，這一建模環(huán)境是基于面向?qū)ο蟮哪K化建模環(huán)境MMS逐漸發(fā)展而來的一個綜合的寒區(qū)水文建模技術平臺。這一水文建模環(huán)境的主要優(yōu)點在于能夠為高寒區(qū)模塊化建模研究提供一個數(shù)據(jù)化的邏輯框架，能夠?qū)H先進的寒區(qū)水文變化過程模擬理論及模擬方法等進行模擬分析。因此，在不斷發(fā)展變化過程中，形成了完整而系統(tǒng)的寒區(qū)水文過程模塊庫。

這一建模方法主要功能是基于寒區(qū)降水及風吹雪、積雪升華、積雪融化和凍土坡面匯流等變化過程進行模擬分析，從而使研究者能夠結(jié)合固有經(jīng)驗理論算法及驅(qū)動數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)目標、參數(shù)優(yōu)化方案等構建科學的分布式水文模型。故文章將針對該研究區(qū)冰溝融雪徑流的具體水文特征，通過在CRHM模塊庫中對寒區(qū)流域內(nèi)不同的子水文模塊進行選取，以此基于物理機理，對各個子模塊的融雪徑流過程與積雪過程進行模擬分析。具體模塊化建模流程圖如圖2。

圖2 東北嚴寒區(qū)水文過程模擬 中模塊化建模流程示意圖表2 東北嚴寒區(qū)監(jiān)測點的水文模型參考表

水文模型參數(shù)監(jiān)測點1監(jiān)測點2監(jiān)測點3監(jiān)測點4監(jiān)測點5高程/m36704238359645442892緯度/N45.08°46.81°44.05°46.29°48.04°面積/km231.2812.0516.8456.8228.91坡度/°12516818植被高度/m0.220.260.270.230.19氣溫遞減率/℃·100m-10.670.670.670.670.67積雪反照率/%0.890.890.890.890.89土壤補給持水能力/mm2527303035持水時間/d99999匯流時間/d0.250.50.50.59.5風吹雪運移距離20002500340026001500

在實際模擬分析過程中，文章主要采用CRHM建模方法，對該研究區(qū)水文過程進行分析評估。通過對該寒區(qū)積雪的累積和消融過程及融雪徑流過程進行模擬分析，科學評估凍土凍融過程對徑流造成的影響。為了直觀對研究區(qū)相關模型的參數(shù)指標進行合理驗證和評估，文章采用ME、RMSE及NSE3個不同統(tǒng)計學指標對相關數(shù)據(jù)進行計算分析，具體計算公式如下：

(1)

式中：N為樣本數(shù)；X為東北嚴寒區(qū)水文過程觀測值的均值；X0bs,t為東北嚴寒區(qū)水文過程觀測值；Xsim,t東北嚴寒區(qū)水文過程模擬值。

結(jié)合上述參數(shù)指標及計算公式，文章通過采用同樣的方法進行觀測參數(shù)設置及驅(qū)動數(shù)據(jù)計算，以此對比不同積雪消融模塊的水文過程模擬結(jié)果，從而科學反映該研究區(qū)風吹雪及升華對積雪物質(zhì)平衡造成的相關影響，最終通過模型擬合得到如下東北嚴寒區(qū)水文過程模擬中的氣溫及風速指標、流域模擬徑流及土壤凍融過程的具體變化情況，如圖3、圖4。

圖3 東北嚴寒區(qū)水文過程模擬中的氣溫及 風速指標的實際變化趨勢

圖4 東北嚴寒區(qū)水文過程模擬中的 模擬徑流與實測徑流指標變化趨勢

通過對上述凍土過程的徑流模擬結(jié)果與實測流量結(jié)果進行對比發(fā)現(xiàn)，東北嚴寒區(qū)水文過程模擬中的流速模擬值與實測值分別為0.45m3/s和0.56m3/s。這一結(jié)果表明，基于模塊化的建模方法能夠?qū)υ搰篮畢^(qū)凍土融化引起的春季徑流過程及降水引起的徑流過程進行合理模擬。尤其是在冬、春季節(jié)，該模型能夠準確對該研究區(qū)凍土融化引起的河道徑流過程進行描述，通過對凍土區(qū)的地表徑流進行分析發(fā)現(xiàn)，該嚴寒區(qū)每年凍土融化期大致在5月上旬，而不同時段的總地下徑流量差異較大。其中，2015年該研究區(qū)總地表產(chǎn)流量是2013年的兩倍之多。綜上模擬結(jié)果可知，該研究區(qū)凍土融化過程會對每年春季地下徑流產(chǎn)流總量造成一定的影響，冰雪融水也是該地區(qū)春季徑流的主要組成部分。與此同時，凍土融化過程會對該研究區(qū)水量平衡及季節(jié)性土壤水文動態(tài)、河道徑流時空演變造成一定的影響。因此，凍土作為高寒區(qū)水文循環(huán)過程評估的重要因子，它是調(diào)節(jié)生態(tài)結(jié)構平衡的重要指標。文章通過此次研究分析，希望能夠為該研究區(qū)水文要素演變控制及合理利用水文變化規(guī)律進行生產(chǎn)提供參考和決策支持。

4 結(jié) 語

綜上所述，寒區(qū)是我國東北地區(qū)廣泛存在的一種地質(zhì)區(qū)域。由于氣候條件及水文條件和地質(zhì)條件等與其它地區(qū)存在很大差異。因此，對水文要素及流域生態(tài)結(jié)構變化過程進行分析較為復雜，在實際研究過程中不僅需要充分結(jié)合地質(zhì)以及氣候條件對水文過程進行分析評估，更要就寒區(qū)氣象資料及融雪、冰凍等情況對河川徑流造成的影響進行分析。文章結(jié)合該研究區(qū)實際地理和氣候特征，通過選取冰雪融水及積雪反照率、緯度等相關指標進行模塊化分析，使松散的模塊化集成分析模式取代了傳統(tǒng)模型分析過程中嵌入式分析模式，同時使參數(shù)及指標的計算和分析要求大大降低。尤其是建模者可充分結(jié)合研究區(qū)實際水文特征及觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H研究需求，構造相應的區(qū)域水文特征模型結(jié)構，然后選擇相應的子模塊構建寒區(qū)水文過程分布式分析模型。這一模塊化分析方法保證數(shù)據(jù)資料率定條件在十分有限的前提下，提高了寒區(qū)水文過程模擬的真實性與可靠性。文章通過對寒區(qū)積雪消融模型和土壤凍融模型進行科學構建，由此全面反映了該研究區(qū)在氣候變化條件下和人與環(huán)境要素共同構成并相互作用與反饋條件下的復雜自然資源系統(tǒng)管理問題，從而為今后解決更加復雜的自然科學問題提供了良好的途徑。

[1]嚴登華，何巖，王浩，等.生態(tài)水文過程對水環(huán)境影響研究述評[J].水科學進展，2005(05)：747-752.

[2]王春素.高效節(jié)水灌溉措施及效益評價[J].水利技術監(jiān)督,2014(04):50-52.

[3]高素麗.遼陽市水資源開發(fā)利用和管理保護對策[J].水土保持應用技，2011(04)：45-47.

1007-7596(2017)01-0143-03

2016-12-12

侯鐵錚(1974-)，男，遼寧遼陽人，工程師，從事水文水資源勘測、整編、論證、評價工作。

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