VIC模型在东江流域城市化水文响应研究中的应用 Application of VIC Model to Hydrological Response Caused by Urbanization in Dongjiang Basin

doi:10.12677/JWRR.2014.31013

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Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2014, 3(1), 78-83

http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2014.31013 Published Online February 2014 (//www.abtbus.com/journal/jwrr.html)

Application of VIC Model to Hydrological Response

Caused by Urbanization in Dongjiang Basin

Zengxin Yu1, Jiaquan Deng2, Cheng Liu2

1South China U niversity of Tec hnology, Guangzhou

2Pearl River Hydraulic Research Institute, Guangzhou

Email: jiaquandeng@163.com

Received: Sep. 30th, 2013; revised: Nov. 20th, 2013; accepted: Nov. 26th, 2013

permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the

Abstract: As a grid based semi-distributed hydrological model, VIC is the important tool in evaluating the

basin hydrological response to environmental changes. The Dongjiang VIC model is established at the spatial

resolution of 0.25˚ by using the University of Maryland Global Land Cover Facility 1 km dataset, Harmo-

nized World Soil Database and the Meteorological Data from the meteorological or precipitation stations lo-

cated in the Dongjiang basin. Based on the characteristics of the flow confluence in Dongjiang Basin, the

routing model developed by Dag Lohmann is coupled with the VIC to calculate the stream-flow. Monthly

values of simulated stream-flow are compared with observations collected from Boluo hydrologic station

(1961-1970) to calibr ate and ver ify the VIC model. The results show that the relative errors of average annual

runoff are respectively 6.2% and 2.0%, and the Nash-Sutcliffe coefficients are respectively 90.1% and 84.3%,

which means that VIC model has good adaptability to the hydr ological simulation of Do ngjiang Basin. A im-

ing at the parameterization deficien cy of VIC model for stream-flow generation from urbanized areas, the in-

fluence of different types of land use and Ksat value s to str eam-flow generation for grid cell is discussed. The

results show that there are no key parameters in the vegetation file for stream-flow generation from urbanized

areas, while to adjust the value of Ksat in the soil file has a positive effect on simulating the base-flow and

runoff generation from urbanized areas.

Keywords: VIC Model; Hydrologic Simulation; Dongjiang Basin; Urbanization

VIC 模型在东江流域城市化水文响应研究中的应用

余增鑫 1，邓家泉 2，刘诚2

1华南理工大学，广州

2珠江水利科学研究院，广州

Email: jiaquandeng@163.com

收稿日期：2013 年9月30 日；修回日期：2013 年11 月20 日；录用日期：2013 年11 月26 日

摘要：VIC 作为基于单元网格的半分布式水文模型，是目前评价流域环境变化下水文响应的重要工

具。本文以东江流域为研究对象，利用 Maryland 大学研制的 1 km植被数据、HWSD 土壤数据集以及

流域内气象和雨量站资料，构建了东江流域空间分辨率 0.25˚ × 0.25˚的VIC 模型。利用博罗水文站

1961~1970 年月流量实测数据并结合东江流域的汇流特点，采用Dag Lohmann汇流模型进行参数率定

和验证。结果表明：多年平均径流相对误差分别为 6.2%和2.0%，效率系数分别为 90.1%和84.3%，模

型对流域水文模拟具有较好适用性。针对 VIC 城镇区域产流的不足，利用模型讨论了不同植被和 Ksat

作者简介：余增鑫

(1988-)

，男，广东汕尾人，硕士研究生，从事流域水文模拟、城市化水文响应研究。

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余增鑫，等：VIC 模型在东江流域城市化水文响应研究中的应用

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对网格径流的影响，结果表明植被文件中没有城镇面积产流关键的参数，而调整土壤文件中的 Ksat 值

则能很好模拟城镇面积的产流计算。

关键词：VIC 模型；水文模拟；东江；城市化

1. 引言

土地利用/覆被变化(L and-Use and Land-Cover

Change, LUCC)是城市化进程的主要环境变化之一，

由此引起的汇流加快、洪峰增大、总量增加等洪水过

程的变化是城市内涝问题日益突出的重要原因。珠江

三角洲洪水发生的气候环境特别是下垫面条件发生

了深刻变化，城市化雨洪效应使城市洪涝灾害加重[1]。

目前，国内外土地利用/覆被变化在流域内水文效应的

研究方法有多种，可归纳为：实验流域法、特征变量

时间序列法、水文模型法以及综合法等[2]。水文模拟

法基于对水文现象的认识，分析其成因及各要素之间

的关系。尤其是基于物理过程描述的分布式水文模型，

因其明确反映出植被、土壤和降雨等因素的空间变异

性，正成为研究城市化水文响应的重要工具。VIC 模

型是一种基于 SVA TS (Surface Vegetation Atmospheric

Transfer Scheme)的大尺度网格单元半分布式水文模

型，可同时考虑陆气之间水量平衡和能量平衡过程的

模拟，已在全球范围内都有了成功的应用[3-5]。

本文就以珠江的东江流域为例，构建研究区域

VIC 模型，对模型进行率定，检验其在流域径流模拟

中的应用能力。并针对 VIC 模型自身的原理方法，探

讨在 VIC 模型中考虑城市化面积的有效方法。

2. 流域概况和 VIC 模型

2.1. 东江流域概况

东江作为珠江流域水系主要河流之一，发源于江

西省寻乌县桠髻钵。上游寻邬水流入广东境内，至龙

川合河坝与安远水汇合成东江，自东北向西南流经河

源、紫金、惠阳、博罗至东莞石龙，经虎门注入狮子

洋。东江干流总长 562 km，流域总面积35,340 km2。

东江流域属亚热带季风气候，多年平均气温为 20.4℃，

年气温变化不大；流域内多年平均雨量为 1750 mm，

降雨年内分配不均，多集中于汛期(4~9 月)。流域内土

地利用以耕地、林地为主，其次为草原、水体及城镇

用地等；流域成土母质以花岗岩和砂页岩为主，土壤

类型主要是地带性赤红壤。

本次研究选取博罗水文站以上流域，面积 25,325

km2。流域内及附近有河源、惠阳、连平、寻乌、增

城、深圳 6个气象站，以及部分雨量站，站点分布如

图1所示。

2.2. VIC 模型概述

VIC 模型(见图 2)是一种基于 SVATS 思想的大尺

度半分布式水文模型，可同时对水循环过程中大气–

植被–土壤之间的能量平衡和水量平衡进行模拟。模

型可在网格内定义不同的植被类型及裸土覆盖，由植

被覆盖层的蒸散发潜力以及空气动力学阻抗、地表蒸

发阻抗和叶面气孔阻抗来计算每种植被的蒸散发量。

模型上层土壤(第1、2层土壤)用以描述土壤对降水过

程的动态反应，而下层土壤(第3层)则反映暴雨过程

影响的缓慢变化。VIC 模型还同时考虑了三层土壤间

的水分扩散，用 Richard 方程来描述垂向一维土壤水

运动，土壤各层间的水汽通量服从 Darcy 定律。经改

进的 VIC模型同时考虑蓄满产流和超渗产流机制以

及土壤性质的次网格非均匀性对产流的影响，并分别

用土壤蓄水容量面积分配曲线和下渗能力面积分配

曲线来表示土壤不均匀性对产流的影响。基流计算采

用ARNO 概念模型，定义在某一阀值之下，基流是线

性消退过程，而土壤含水量高于此阀值时，基流为非

线性。

3. 东江流域 VIC 模型构建

本研究采用 SRTM提供下载的 90 m分辨率DEM

数据，以空间分辨率为 0.25˚ × 0.25˚的单元网格构建

VIC 模型，模型数据库主要包括植被参数文件、土壤

参数文件以及气象驱动文件。并用博罗水文站实测流

量资料率定模型的关键参数，以及验证此东江流域

VIC 模型模拟径流过程的适应性。

3.1. 模型参数

VIC 模型的植被参数主要包括各个网格的植被类

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Figure 1. River system and meteorological station

图1. 东江流域水体概况及水文气象站点

Figure 2. Schematic of the VIC-3L model

图2. VIC模型原理示意图

型总数、每种植被的面积比例、根系比例以及逐月叶

面积指数等。本研究的土地覆盖分类采用 Maryland

大学发展的全球 1 km 土地覆盖数据确定的土地覆盖

分类，分为 14 种土地覆盖类型。参数的确定主要参

考LDAS (Land Data Assimilation System)的成果。图

3为东江流域 1 km × 1 km的植被类型空间分布图。

本研究中使用的土壤数据来自世界粮农组织和

国际应用分析分析学会共同开发的全球土壤数据库

(HWSD)，空间分辨率为 1 km，中国境内的数据来源

于第二次全国土地调查南京土壤所提供的 1:100 万土

壤数据。该土壤数据库共有 13 种土壤质地类型，每

个网格取网格内优势土壤类型作为模型网格的土壤

类型，且分为上下两层，0~30 cm 为上层，30~100 cm

为下层。各种土壤类型的参数主要参考了 Rawls 等的

工作[6]，并采用Saxton 的公式计算土壤饱和水力传导

度、土壤临界含水量和凋萎含水量[7]。图 4、图 5分

别为东江流域上层和下层土壤类型空间分布图。

本研究中，VIC 模型只进行水量平衡计算，模型

步长取日。所需气象数据包括日降水量(P)，日最高气

温(Tmax)、最低气温(Tmin)以及风速(W)。其中日最高气

温(Tmax)、最低气温(Tmin)以及风速(W)数据来自 6个气

象站，各个网格数据根据泰森多边形原则确定。而降

雨数据则根据 6个气象站和 4个雨量站的站点信息采

用反距离权重法 IDW (Inverse Distance Weighted)进行

空间插值而来。

3.2. 率定与验证

利用 Dag Lohmann汇流模型[8]，即坡面汇流采用

单位线法，河道汇流采用线性圣维南方程，将 VIC 模

型生成的各网格的地表径流和地下径流演算至流域

出口断面。本文选取博罗水文站 1961~1970 年的月径

流实测资料对模型参数进行率定和验证。其中选取

1961~1965 年5年的资料对模型中与水文过程密切相

关的 7个土壤数据进行率定，即蓄水容量曲线方次 B、

三层土土壤深度(D1、D2、D3)以及3个基流参数Dm、

Ds和Ws；利用 1966~1970 年的实测资料对率定结果

进行验证。参数率定和验证过程中，采用水文中常用

的两个指标进行衡量：

(1) 保证水文模拟中的水量平衡，反映总量精度

的多年平均径流相对误差 Er(%)：

( )

−

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Figure 3. Distribution of LUCC

图3. 流域植被分布图

Figure 4. Distribution of top-soil

图4. 流域上层土壤分布图

(2) 反映流量过程吻合程度的Nash-Suttcliffe

(N-S)效率系数Ens：

( )

, ,,

io ois io

io o

QQ QQ

EQQ

−− −

−

∑∑

∑

式中：

和

分别为模拟和水文站实测的长时间序

Figure 5. Distribution of sub-soil

图5. 流域下层土壤分布图

列的平均径流量，m3/s，相对误差 Er越接近于零，精

度越高；Qi,o和Qi,s分别为实测和模拟的径流量，m3/s，

确定性系数越接近于 1，精度越高。

经博罗实测资料率定得出的东江流域VIC 模型

的模拟结果如表 1和图 6所示。由此看出，VIC 模型

对东江流域 10 年的模拟结果较好，率定期和验证期

的水量相对误差都控制在 10%以内，率定期的 Nash

效率系数更是达到 90.1%，验证期也能达到 84.3%。

据此可看出，VIC 模型对东江流域的径流过程模拟具

有较好的适应性。

4. 城市化水文研究中的应用

众说周知，城市化因其不透水面积的产生、植被

的减少、消耗性水量的改变以及水量跨流域的转移等

原因影响着流域水文反应。但 VIC 模型现行版本没有

包含城镇化面积产流的参数化方法，国内外很多有关

VIC 模型的研究应用中，要不被划分成裸土，要不就

把其他土地利用类型重分配以消除城镇面积。

一般来说，陆面模型有两种方法来表示城镇面积

[9]。第一种就是调整土壤常数(如体积热容量和热导率)

和参数(如地表反照率、粗糙度和水分有效性)，以适

应城镇不下渗面积。这种方法可以认为是总体参数化

方法，也就意味着它把城镇面块当作一块平整面。第

二种方法把城镇冠层模型耦合到现有的陆面模型。虽

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Table 1. Measurement indexes for simulation results

表1. 模拟结果衡量指标

分析时段相对误差 Er (%) 效率系数

率定期(1961~1965) −6.5 0.901

验证期(1965~1970) −2.0 0.843

(a) (b)

Figure 6. Simulation of the monthly discharge during 1961-1970

图6. 博罗站 1961~1970 年模拟月流量过程图

然，第二种方法能在小尺度的区域研究中得到更好的

模拟结果，但是它需要很详细的资料：如城镇几何形

态、峡谷方位以及建筑物和路网之间物理常数的差异。

收集大尺度区域的所有这些数据将是一个不可能完

成的任务。如果模拟只是应用在大中尺度上，那么这

些详细信息也会在数据均化到模型大网格的过程中

丢失。

在本研究中，利用城镇总体参数化方法以改善

VIC 模型在城市化水文响应研究中的应用。将城镇面

积的热力特性修改成接近城镇的数值，而不是直接套

用裸土的。所应用的总体参数主要根据 Taha[10]的研究

成果：1) 热导率 ≥ 3 Wm−1k−1；2) 体积热容量(VHC)

≥ 3 MJm−3k−1；3) 反照率设置为 0.15。

植被参数直接影响着城镇面积与大气的能量交

换以及水分的蒸散发。任何一种径流成分都是在两种

不同透水性土壤的界面上产生的。上层土壤中的饱和

传导度 Ksat (尤其是第二层土壤)对产流形成关键作用。

因为这个参数控制了上层土壤向下层土壤排水量。一

旦把这个参数设置成很小，由上层传递的水分就不能

顺利地通过界面而进入下层土壤，所以在界面上积聚

水分而形成径流。

为讨论 Ksat 对网格产流的影响以及寻找代表城镇

面积最优的 Ksat 值，先在一个网格上比较不同土地利

用类型和 Ksat 的VIC 模型运行结果，如图7所示。表

2列出了年平均基流、径流及其增长百分比。由图表

可看出，植被参数由混合植被改变成城镇，可能只在

覆盖层上改变能量和水汽交换，而 Ksat 对网格内的产

流则产生重大影响，当Ksat 设置成小于1.0 时，网格

形成的基流开始出现负增长，径流也急剧增大。 Ksat

设置成小于 0.1 时，基流的减少以及径流的增长呈明

显态势。

由此可见，将模型上层土壤饱和水力传导度Ksat

调整至小于 0.1 时，其基流和径流形成都接近于城镇

面积产流。用此方法表示城镇面积产流是东江流域城

市水文响应研究中的有效方法，上述结果也为以后

VIC 模型城市区域产流模拟提供参考和依据。

5. 结语

本文以研究东江流域城市化水文响应为目的，构

建了东江流域 VIC 水文模型，以及利用 Dag L o hmann

开发的汇流模型进行流域汇流计算。分析模型率定期

和验证期的模拟结果表明，模拟结果与博罗水文站流

量的相对误差为 6.5%，2.0%，效率系数为 90.1%和

84.3%，VIC 模型在东江流域的水文模拟中具有较好

的适应性。

针对 VIC模型本身没有包含城镇区域产流的参

数化方法，利用东江流域 VIC 模型继续讨论了上层土

壤饱和水力传导度 Ksat 对网格产流的影响，结果表明

当Ksat ≤ 0.1 时，网格基流和径流的形成跟城镇面积的

产流机理接近。调整 Ksat 可作为流域 VIC模型计算城

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Figure 7. Result of the runs with different LUCC and Ksat

图7. 不同土地利用类型和 Ksat 的运行结果

Table 2. Comparison of the baseflow and runoff within a single grid

表2. 单个网格基流、径流对比

覆被 Ksat/mm∙d−1 年均基流/mm∙d−1 增长/% 年均径流/mm∙d−1 增长/%

混合 - 0.532 - 2.573 -

城镇默认(84.15) 1.054 98.12 2.751 6.92

城镇 0.0 0.062 −88.42 3.921 52.39

城镇 0.05 0.100 −81.18 3.883 50.91

城镇 0.1 0.128 −76.01 3.854 49.77

城镇 1 0.348 −34.50 3.620 40.68

城镇 10 0.747 40.32 3.152 22.48

城镇 50 0.983 84.73 2.845 10.57

镇区域产流计算的简单有效方法，并为 VIC 模型城市

区域的产流模拟提供参考和依据。

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