全 文 ：第 v|卷 第 t期
u s s v年 t 月
林 业 科 学
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¤±qou s s v
应用官司河分布式水文模型
模拟流域降雨 ) 径流过程
于澎涛 徐德应 王彦辉
k中国林业科学研究院森林生态环境研究所 北京 tsss|tl
摘 要 } 由于地理要素k地形 !气候 !土壤 !植被等l的空间异质性 o森林的生态服务功能 o尤其是涵养水源和
保持水土的功能 o也存在着空间分异 ∀本文根据森林水文过程和森林水文生态功能的形成机理 o建立了通用
性较强的官司河分布式水文模型 ∀官司河模型根据流域内部地理要素的空间异质性把流域分成一系列的单
元和作用层 o以单元和作用层为基本单位 o连续计算每个单元和作用层的水文过程和水文要素变化 o包括降雨
输入 !冠层截留 !枯落物层吸水 !入渗 !蒸散 !壤中流 !地表径流等 o进而得到流域水文的时空变化 ∀用此模型模
拟了四川绵阳官司河流域的降雨 ) 径流过程 o计算结果与观测结果基本吻合 ∀
关键词 } 森林水文 o分布式水文模型 o森林生态效益 o空间异质性
收稿日期 }ussu p st p u| ∀
基金项目 }国家/九五0攻关项目/生态林业工程建设信息管理系统 !效益观测与评价技术研究0k|y p ssz p sw p syl ∀
ΣΙΜΥΛΑΤΙΝΓ ΡΑΙΝΦΑΛΛ2ΡΥΝΟΦΦ ΠΡ ΟΧΕΣΣΕΣ ΒΨ ΓΣΗ ΜΟ∆ΕΛ o
Α ΠΗΨΣΙΧΑΛΛΨ2ΒΑΣΕ∆ ∆ΙΣΤΡΙΒΥΤΕ∆ ΗΨ∆Ρ ΟΛΟΓΙΧΑΛ ΜΟ∆ΕΛ
≠∏°¨ ±ª·¤² ÷∏⁄¨ ¼¬±ª • ¤±ª≠¤±«∏¬
k Τηε Ρεσεαρχη Ινστιτυτε οφ Φορεστ Εχολογψ ανδ Ενϖιρονµεντo Τηε Χηινεσε Αχαδεµψοφ Φορεστρψ Βειϕινγ tsss|tl
Αβστραχτ } ׫¨ ¦¨²¯²ª¬¦¤¯ ¶¨µ√¬¦¨¶²©©²µ¨¶·¶o ¶¨³¨¦¬¤¯ ¼¯ º¤·¨µ¤±§¶²¬¯¦²±¶¨µ√¤·¬²±o√¤µ¼¶³¤·¬¤¯ ¼¯ §∏¨ ·²·«¨ ¶³¤·¬¤¯ «¨·2
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kŠ≥‹l°²§¨¯o¤ª¨ ±¨ µ¤¯ ³«¼¶¬¦¤¯ ¼¯2¥¤¶¨§§¬¶·µ¬¥∏·¨§«¼§µ²¯²ª¬¦¤¯ °²§¨¯²± º¤·¨µ¶«¨§¯¨ √¨ ¯oº¤¶ ¶¨·¤¥¯¬¶«¨§¬±·«¬¶³¤³¨µq
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≥²∏·«º¨ ¶·≤«¬±¤q׫¨ ¶¬°∏¯¤·¨§µ¨¶∏¯·¤ªµ¨ §¨ º¨ ¯¯ º¬·«·«¨ °¨ ¤¶∏µ¨§§¤·¤q
Κεψ ωορδσ} ƒ²µ¨¶·«¼§µ²¯²ª¼o°«¼¶¬¦¤¯ ¼¯2¥¤¶¨§§¬¶·µ¬¥∏·¨§«¼§µ²¯²ª¬¦¤¯ °²§¨¯o∞¦²¯²ª¬¦¤¯ ¶¨µ√¬¦¨¶²©©²µ¨¶·o≥³¤·¬¤¯ «¨·2
µ¨²ª¨ ±¨ ¬·¼
森林作为陆地生态系统的主体 o它的生长和发育一方面受水分条件限制 o另一方面也影响和改变着
流域内入渗 !径流 !汇流等水文过程 !水文事件的发生频率和强度以及水文特征在流域内的时空分布 o从
而形成森林的涵养水源 !保持水土等水文生态功能 ∀森林的水文生态功能同时受到森林的生态特征和
流域内地理环境条件的影响 o是生态过程和水文过程综合作用的结果 o并随地表条件而变化 ∀随着有关
学科的快速发展和生产需要 o准确地预测和评价流域或区域等较大空间尺度的水文过程和水文效益 o显
得越发迫切和重要 o这就需要充分考虑有关地理特征的空间分布对水文过程和水文效益的影响 ∀已有
的森林水文学研究是通过选取典型群落和典型地段 !建立定位点 !进行定位观测 !收集数据 !建立单点统
计模型等步骤进行单点评价k马雪华等 ot||vl o由于没有充分考虑地理要素空间分布格局对水文过程的
影响 o研究结果不能直接外推到流域或区域尺度上 o大大限制了研究结果的实际应用 ∀而兴起于 us世
纪 {s年代的区域尺度上分布式水文模型的研究正在改变这种局面k…¨ √¨ ± ot|{| ~ ¤¦®¤¼ ετ αλqot||zl ∀
它考虑了流域内部地理环境要素和森林植被的空间分异 o既能反映与流域内局部变化相对应的水文响
应 o也能预测和评价流域经营管理活动k如造林 !砍伐等l对流域水文状况和水资源的影响 o还可推广应
用到其它流域 o具有巨大的应用前景k„±§¨µ¶²± ετ αλqot|{xl ∀
尽管分布式水文模型的发展已有 us ¤左右的历史 o但早期由于 ŠŒ≥技术不成熟等原因而发展缓慢 ∀
近年来随着 ŠŒ≥技术的日新月异以及相关学科的迅猛发展 o分布式水文模型已经成为森林水文学 !水文
学 !生态学等学科在 ut世纪的研究热点k≥º¤±¶²±ot||{l o代表了水文模型的未来发展方向 ∀
本文以四川省绵阳市的官司河流域为例 o建立了分布式水文模型 ) ) ) 官司河模型kŠ≥‹l o它是在
ŠŒ≥支持下 o根据流域内各地理环境要素的空间分布和其对水文过程的作用机理 o将各水文过程耦合起
来而建立的一个通用性较强的模型 ∀利用这一模式 o本文模拟了官司河流域的降水 ) 径流过程 ∀
t 官司河分布式水文模型的构建
1 .1 对流域内部空间差异性的描述 ) ) ) 单元与层的划分
流域内部各地理要素的空间异质性在水平方向上表现为斑块镶嵌状 o在垂直方向上表现为成层性 ∀
根据景观生态学的结构与功能原理 o官司河模型首先把流域划分为一系列大小相同 !形状为正方形的单
元 o并假定每个单元内的有关特征在水平方向上是均匀一致的 o即认为单元内海拔高度 !植被 !土壤等自
然属性在水平方向上没有变化 ∀再根据植被和土壤的成层性和不同生态层对水文过程的作用 o把每个
单元进一步划分为一定的作用层 o如乔木层 !灌木层 !草本层 !枯落物层 !根系层k又进一步分上层和下
层l等 ∀这样 o流域就表示成单元和作用层在空间上的组合和搭配 o流域内水分循环过程表示为单元之
间以及在同一单元内不同作用层之间的水分流动和交换 ∀
1 .2 流域汇流路径的确定
考虑到官司河流域的降水产流特点 o同时为了简化计算 o在官司河模型中只考虑以重力为主要驱动
力的单元间水分流动与交换 o即饱和壤中流和地表径流 ∀因此 o水的流动方向是由单元间的相对高差决
定的 o即水流总是沿最陡的方向从位于高处的单元流向低处的单元 ∀如编号为 t !u !v !w的单元是 „单
元的 w个相邻单元k图 tl o„单元中的水流总是流向 w个相邻单元中最低的那个单元 ∀
图 t 官司河模型的
单元结构图
ƒ¬ªqt „ ¶®¨·¦« °¤³²©¦¨¯¯¶
¬±·«¨ Š≥‹ °²§¨¯
1 .3 官司河模型考虑的水文过程
在实际情况下 o流域内的水文过程是相当复杂的 ∀为便于模拟和讨论 o
本模型依据水分平衡和能量守恒原理 o考虑了如下的主要水文过程 }
t qv qt 群落冠层截留 群落截留包括乔木层 !灌木层和草本层对水分的拦
蓄 ∀假设降雨首先被植被层层拦截 o当植物表面持水量饱和后 o多余的水量
才穿过群落到达地面 ∀
t qv qu 枯落物层吸水 假设到达地面的雨水 o首先被枯落物吸收 o当枯落物
持水量饱和后 o剩余的水才向土壤中渗透 ∀
t qv qv 土壤中的水分运动 渗入土壤中的水分首先进入根系层 ∀在根系层
土壤含水达到田间持水量以前 o假设水分只在表层土壤中依靠表面张力和毛
管力作垂直方向的运动k不饱和运动l ∀当根系层含水量达到并超过田间持水量时 o水分开始透过根系
层底部以一定的速率向底土层渗透 ∀底土层入渗速率明显小于根系层 o超过底土层入渗速率的水量就
填充在根系层底部的土壤非毛管孔隙中 o形成饱和层 ∀根系层土壤的入渗速率根据 °«¬¯¬³入渗公式确
定 ∀
t qv qw 蒸发散 在官司河模型中 o蒸发散包括群落冠层截持和枯落物层截持降水的蒸发 !地表积水的
蒸发 !根系层土壤含水的蒸发和植物蒸腾 ∀某时刻 o单元的实际蒸散量由其潜在蒸散量和单元实际含水
量决定 o其中潜在蒸散量根据气象条件和植物群落特性计算得出 ∀
u 林 业 科 学 v|卷
单元内不同层的蒸散失水顺序依次为冠层表面截持水量 !地表积水 !枯落物层持水和根系层土壤水
分 ∀
t qv qx 饱和壤中流 官司河模型只考虑饱和壤中流 o忽略了单元间的不饱和壤中流 ∀饱和壤中流的流
量与流速依据 ⁄¤µ¦¼定律计算 ∀
t qv qy 地表径流 根据动力波原理和曼宁公式计算地表径流的流量和流速 ∀
1 .4 官司河模型的参数
官司河模型需要大量的参数 o如以单元为单位的地形 !植被 !土壤三要素的多个特性参数k表 tl !流
域初始状态参数和降雨信息 ∀其中 o流域的初始状态参数包括初始时刻流域内各单元的植物群落截留
量 !土壤含水量 !地表积水厚度等 ∀
表 1 官司河模型所需地形 !植被和土壤特性参数
Ταβ . 1 Τοπογραπηψ, ϖεγετατιον ανδ σοιλ παραµετερσ ρεθυιρεδ βψτηε χορε προγραµσ οφ τηε ΓΣΗ µ οδελ
地理要素
Š¨ ²ªµ¤³«¬¦¤¯ ¨¯ °¨ ±¨·¶
地理要素的特性参数
°¤µ¤° ·¨¨µ¶²©ª¨²ªµ¤³«¬¦¤¯ ¨¯ °¨¨ ±·¶
植被
∂ ª¨¨·¤·¬²±
植物群落的物种组成 !结构 ≥³¨¦¬¨¶¦²°³²¶¬·¬²± ¤±§¶·µ∏¦·∏µ¨ ²©³¯¤±·¦²°°∏±¬·¬¨¶
群落截留容量 ¤¬¬°¤¯ ¬±·¨µ¦¨³·¬²± ²©³¯¤±·¦²°°∏±¬·¬¨¶
枯落物量及其持水能力 ±∏¤±·¬·¼ ²© ¬¯·¨µ©¤¯¯¤±§¬·¶º¤·¨µ2«²¯§¬±ª¦¤³¤¥¬¯¬·¼
土壤
≥²¬¯
根系层厚度 ׫¬¦®±¨ ¶¶²©µ²²·¯¤¼¨ µ 孔隙度 °²µ²¶¬·¼
田间持水量 ƒ¬¨ §¯¦¤³¤¦¬·¼ 饱和含水量 ≥¤·∏µ¤·¨§º¤·¨µ¦²±·¨±·
初始入渗速率 Œ±¬·¬¤¯ ¬±©¬¯·µ¤·¬²±µ¤·¨ 入渗曲线 Œ±©¬¯·µ¤·¬²± ¦∏µ√¨
饱和导水率 ≥¤·∏µ¤·¨§¦²±§∏¦·¬√¬·¼µ¤·¨
地形
ײ³²ªµ¤³«¼
海拔高度 ∞¯ √¨¤·¬²± 单元坡度 ≥¯ ²³¨ ²©·«¨ ¨¯ °¨ ±¨·曼宁阻力系数 ¤±±¬±ª¦²¨©©¬¦¬¨±·
河道宽度 •¬§·«²©·«¨ ¦«¤±±¨ ¯ 河床坡度 ≤«¤±±¨ ¯ ¶¯²³¨
u 对官司河流域降雨 ) 径流过程的模拟
2 .1 流域的自然地理特征 ≠
官司河流域位于长江中上游的四川省绵阳市境内 o东经 tswβwyχ ∗ tswβw|χ和北纬 vtβvuχ ∗ vtβvzχ o面
积为 ut1t ®°u ∀
流域地貌为浅 ) 深切割丘陵 o海拔高度变化在 xss ∗ yv{ °之间 o切割深度约 tss °∀流域地表分水
界线明显 o汇水面积基本闭合 ∀土壤主要有姜石黄壤 !老冲积黄壤 !紫色土 !灰白砂土四种类型 ∀气候属
北亚热带湿润季风气候 o年平均气温 ty1t ε o年平均相对湿度为 z| h o年均降水量 |ut1s °° o其中降雨
是主要形式 o且主要集中在夏秋季节 oz !{两月降雨最集中 o是暴雨多发季节 ∀
官司河流域为典型的农林复合生态系统k表 ul o由于开发时间较长 o自然条件较好的地段均已为耕
地 o如坡顶和较缓的山坡为旱地 o坡脚和沟底为水田 o只有较陡的山腰由于无法耕作才用作林地 ∀整个
流域的森林覆盖率约 ty1z h o森林多为天然次生林和人工林 o主要有柏木k Χυπρεσσυσφυνεβρισl林 !马尾松
kΠινυσ µασσονιαναl林 !桤木kΑλνυσχρεµαστογψνεl柏木混交林 !马尾松柏木混交林 !马尾松栎树混交林 o其
中以马尾松 !柏木与麻栎k Θυερχυσ αχυτισσιµαl !栓皮栎k Θq ϖαριαβιλισl混生构成的针阔混交林为主 ∀群落
结构简单 o可分为明显的乔 !灌 !草三层 ∀林下灌木以黄荆k ςιτεξ νεγυνδοl !铁仔k Μψρσινε αφριχαναl !火棘
k Πψραχαντηα φορτυνεαναl !胡颓子k Ελαεαγνυσ πυνγενσl等为主 o草本层以牛筋草k Ελευσινε ινδιχαl和白茅kΙµ2
περατα χψλινδριχα √¤µqµαϕορl为主 ∀
2 .2 模型参数的确定
v
≠ 四川省林业科学研究院等 ot||x q长江中上游典型防护林综合效益监测与计量评价技术研究报告k内部资料l q
第 t期 于澎涛等 }应用官司河分布式水文模型模拟流域降雨 ) 径流过程
表 2 官司河流域(长河堰以上)不同土地利用方式
的面积比例
Ταβ . 2 Τηε ρατιο οφ διφφερεντ λανδ2υσε τψπεσιν τηε υππερ
οφ Γυανσι Ριϖερ ωατερσηεδ
土地利用类型
¤±§2∏¶¨ ·¼³¨
占流域面积的百分比
°¨ µ¦¨±·²©·«¨ ¤µ¨¤²©·²·¤¯ º¤·¨µ¶«¨ §Πh
林地 ƒ²µ¨¶· uw qtx
旱地 ⁄µ¼ ¤¯±§¶ tv qu
水田 °¤§§¼©¬¨ §¯¶ x| qs
果园 ƒµ∏¬·ª¤µ§¨±¶ s qw
水塘 °²²¯¶ u qw
水库 • ¶¨¨µ√²¬µ¶ s q{
建筑用地 ≤²±¶·µ∏¦·¬²± ¤¯±§¶ s qsx
u qu qt 官司河流域内单元的划分 在 ŠŒ≥支持下 o
将 tΒts sss地形图扫描数字化后 o建立分辨率为 xs
° ≅ xs °的数字高程模型k⁄∞ o垂直分辨率为 s1ux
°l ∀这样把控制断面 ) ) ) 长河堰以上的部分划分
为 z vz{个单元 o分列在 twt行 !{w列之中 o其中包
括 z s|z个坡面单元和 u{t个河道单元 ∀
u qu qu 单元性质的确定 根据官司河流域的土地
利用图ktΒts sssl和森林小班分布图ktΒts sssl制
成流域综合信息图 o然后对该图进行扫描 !数字化 o
按 xs ° ≅ xs °的精度从矢量转栅格后 o与 ⁄∞ 相
匹配 o确定每个单元的综合信息 o包括植被 !土壤特
性等 ∀其中 o每个单元的植物群落的物种组成 !结
构 !群落截留容量 !根系层厚度 !海拔高度 !坡度等参
数是根据对每个单元的实际调查资料确定 o而枯落
物量及其持水能力 !土壤孔隙度 !田间持水量 !饱和
含水量 !初始入渗速率 !入渗曲线 !饱和导水率 !曼宁阻力系数等模型参数则首先根据野外观测和试验 o
确定每种下垫面类型的参数值k表 v !表 wl o每个单元的参数值取其所属下垫面类型的参数值 ∀
表 3 官司河流域不同群落类型的土壤水分常数
Ταβ . 3 Σοιλ ωατερ παραµετερσ υνδερ διφφερεντ πλαντ χοµ µ υνιτψτψπεσιν τηε Γυανσι Ριϖερ βασιν
群落类型
°¯¤±·¦²°°∏±¬·¼·¼³¨
土壤类型
≥²¬¯·¼³¨
容重
…∏¯® §¨±¶¬·¼Π
kª#¦°pvl
田间持水量
ƒ¬¨ §¯¦¤³¤¦¬·¼Π
h
饱和含水量
≥¤·∏µ¤·¨§º¤·¨µ
¦²±·¨±·Πh
曼宁系数
¤±±¬±ª. ¶
¦²¨©©¬¦¬¨±·Πν
马尾松林 Πqµασσονιανα©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯¯ ²º ¶²¬¯ t qwy uu qv uz qs y qxss
柏木林 Χqφυνεβρισ©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ t quw u| qx v| qy y q{vy
柏木麻栎林 Χqφυνεβρισ2Θqαχυτισσιµα©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ t qwy ut qu u{ qw | qvvy
马尾松麻栎林 Πqµασσονιανα2Θqαχυτισσιµα©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯¯ ²º ¶²¬¯ t qxs us qv ux qx { qvvy
桤木柏木林 Αqχρεµαστογψνε2Χqφυνεβρισ2°¬¬¨§©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ t qu| u| qu vz qx tt qyzs
麻栎林 Θqαχυτισσιµα©²µ¨¶· 灰白砂土 • «¬·¨¶¤±§¼¶²¬¯ t qwy uw qz u{ qw tv qvws
桤木麻栎林 Αqχρεµαστογψνε2Θqαχυτισσιµα2°¬¬¨§©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ t qwy ut qu u{ qw tv qvws
马尾松柏木林 Πqµασσονιανα2Χqφυνεβρισ2°¬¬¨§©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯¯ ²º ¶²¬¯ t qwz us qs uw qv y q{vy
马尾松柏木麻栎林 Πqµασσονιανα2Χqφυνεβρισ2Θqαχυτισσιµα2°¬¬¨§©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯¯ ²º ¶²¬¯ t qwz us qs uw qv tt qyzs
柏木栓皮栎林 Χqφυνεβρισ2Θqϖαριαβιλισ2°¬¬¨§©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ t qwy ut qu u{ qw ts qsss
湿地松林 Πqελλιοττιι ©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯¯ ²º ¶²¬¯ t qwv t{ qs uw q{ y q{vy
果园 ƒµ∏¬·ª¤µ§¨±¶ 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ t qwz ut q| uy qy { qsss
旱地 ⁄µ¼ ¤¯±§¶ 黄壤 !紫色土 ≠¨¯¯ ²º ¶²¬¯o°∏µ³¯¨¶²¬¯ t qv| uw qw vt qu ts qss
水田 °¤§§¼©¬¨ §¯¶ 黄壤 !紫色土 ≠¨¯¯ ²º ¶²¬¯o°∏µ³¯¨¶²¬¯ t qv| uw qw vt qu v qxss
水塘 °²²¯¶ p p p p s qs{s
水库 • ¶¨¨µ√²¬µ¶ p p p p s qs{s
河流 •¬√¨ µ¶ p p p p s qvss
建筑用地 ≤²±¶·µ∏¦·¬²± ¤¯±§¶ p p p p w qty{
w 林 业 科 学 v|卷
表 4 官司河流域不同群落类型的土壤入渗参数 ≠
Ταβ . 4 Σοιλινφιλτρατιον παραµετερσ υνδερ διφφερεντ πλαντ χοµ µ υνιτψτψπεσιν τηε Γυανσι Ριϖερ βασιν
群落类型
°¯ ¤±·¦²°°∏±¬·¼·¼³¨
土壤类型
≥²¬¯·¼³¨
土壤入渗参数
≥²¬¯¬±©¬¯·µ¤·¬²± ³¤µ¤°¨ ·¨µ¶
αΠk°°#°¬±ptl βΠk°°#°¬±pvΠul
桤木柏木林 Αq χρεµαστογψνε2Χq φυνεβρισ2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ s qxts u qw
柏木林 Χq φυνεβρισ©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ s qy|s t qu
麻栎林 Θq αχυτισσιµα©²µ¨¶· 灰白砂壤 • «¬·¨ ¶¤±§¼ ¶²¬¯ s qtys v qy
马尾松柏木林 Πq µασσονιανα2Χq φυνεβρισ2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ s qtws u qz
马尾松柏木林 Πq µασσονιανα2Χq φυνεβρισ2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 灰白砂壤 • «¬·¨ ¶¤±§¼ ¶²¬¯ s qtys u qw
马尾松林 Πq µασσονιανα©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ s qsts v qs
马尾松疏林 Πq µασσονιανα º²²§¯¤±§ 黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ s qsts u qz
湿地松林 Πq ελλιοττιι ©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ s qsvs v qy
灌丛 ≥«µ∏¥¯¤±§ 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ s qw|s w qs
旱地 ⁄µ¼ ¤¯±§¶ 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ s qs{s v qt
裸地 …¤µ¨ ¤¯±§¶ 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ s quxs t q{
≠根据 °«¬¯¬³入渗方程 φ € α n βu t n t n wαωΠβu Πw ω确定入渗速率 o其中 oα为稳渗率k°°#°¬±ptl oβ为最大入渗速率k°°#
°¬±pvΠul oω为土壤含水量k°°l ∀ ׫¨ ¬±©¬¯·µ¤·¬²±µ¤·¨¶¤µ¨ ¦¤¯¦∏¯¤·¨§¥¼ °«¬¯¬³Œ±©¬¯·µ¤·¬²± ∞´ ∏¤·¬²± φ € α n βu t n t n wαωΠβu Πw ω oº«¨µ¨ α
¬¶ ¬¯°¬·¬±ª¬±©¬¯·µ¤·¬²±µ¤·¨k°°#°¬±ptl o ⬶°¤¬¬°∏°¬±©¬¯·µ¤·¬²±µ¤·¨k°°#°¬±pvΠul o ω¬¶¶²¬¯ °²¬¶·∏µ¨k°°l q
2 .3 流域降雨 ) 径流过程的模拟
选择 t||{年和 t|||年的 w场降雨k表 xl o分别为特大雨 !大雨和绵雨 o而且与前一次降雨的时间间
隔也从 t ∗ x §不等 o它们基本反映了官司河流域降雨的主要类型 ∀
位于官司河流域的上游和下游的两个雨量观测点的观测结果表明 o官司河流域的降雨没有明显的
空间分异 o因此 o在应用这一模型进行该流域水文过程模拟时 o可认为全流域降雨均匀一致 ∀雨前流域
的水文状况根据水文观测资料确定k表 yl ∀模拟降雨距前次降雨时间均在 u §以上k表 xl o植物截留水
量已全部蒸发 o前次降雨时产生的地表积水也已全部排掉 o故植物群冠持水量和地表水量均为 s ∀
应用官司河模型 o根据降雨强度和径流量采用不同的时间步长计算官司河流域的水文过程k图 u ∗
xl o其中 ot||{ p s{ p t{的特大暴雨的径流模拟中 o径流速度特别是河道内的流速非常快 o水位变化比较
剧烈 o采用 t °¬±作为计算时间步长 o另外 v场降雨的径流量相对小得多 o流速也较慢 o采用 x °¬±作为
时间步长 ∀
表 5 官司河流域的 4 场降雨
Ταβ . 5 Τηεφουρ ραινφαλλ εϖεντσσελεχτεδ φορ α τεστ οφ τηε ΓΣΗ µ οδελ
降雨日期
⁄¤·¨ ²©µ¤¬±©¤¯¯ √¨¨ ±·
降雨量
„°²∏±·²©
µ¤¬±©¤¯ Π¯°°
降雨历时
⁄∏µ¤·¬²± ²©
µ¤¬±©¤¯ Π¯«
最大雨强
¤¬qµ¤¬±©¤¯¯¬±·¨±¶¬·¼Π
k°°#°¬±ptl
距前次降雨的时间
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µ¤¬±©¤¯¯ √¨ ±¨·Π§
前次降雨量
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µ¤¬±©¤¯ Π¯°°
t||{ p s{ p t{ usy wu qx t q|v x uw qt
t||| p sy p tu {| q{ vx qy s qyz w yx qs
t||| p sz p su us qv vz q| s qxs t uy qu
t||| p sy p uw ty q| vu qu s qsx u t qy
x 第 t期 于澎涛等 }应用官司河分布式水文模型模拟流域降雨 ) 径流过程
表 6 降雨前官司河流域水文状况
Ταβ . 6 Ηψδρολογιχαλ χονδιτιονσ βεφορε τηε ραινφαλλιν τηε Γυανσι Ριϖερ βασιν
群落类型
°¯ ¤±·¦²°°∏±¬·¼·¼³¨
土壤类型
≥²¬¯·¼³¨
土壤含水量 ≥²¬¯ °²¬¶·∏µ¨ k ΩΠΩ h l
t||{2s{2t{ t|||2sy2tu t|||2sz2su t|||2sy2uw
马尾松林 Πqµασσονιανα©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ ty qx tv qs tx qu tv qu
柏木林 Χqφυνεβρισ©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ u| qx uu qs ut qs ut qw
柏木麻栎林 Χqφυνεβρισ2Θqαχυτισσιµα©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ u{ qs uv qs ut qy uv qw
马尾松麻栎林 Πqµασσονιανα2Θqαχυτισσιµα©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ us qs tw qt tx q| tw qs
桤木柏木林 Αqχρεµαστογψνε2Χqφυνεβρισ2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ u| qu uw qw uv qw uv qy
麻栎林 Θqαχυτισσιµα©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ us qx us qx uw qs uu qx
桤木麻栎林 Αqχρεµαστογψνε2Θqαχυτισσιµα2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ ut qx ut q{ ux qu uv qs
马尾松柏木林 Πqµασσονιανα2Χqφυνεβρισ2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ tx q| tw qw t{ qs t{ q|
马尾松柏木麻栎林 Πqµασσονιανα2Χqφυνεβρισ2Θqαχυ2
τισσιµα2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ ty qx tw qy t{ qv us qt
柏木栓皮栎林 Χqφυνεβρισ2Θqϖαριαβιλισ2°¬¬¨ §©²µ¨¶· 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ u{ qw uv qx ut qs uv qw
湿地松林 Πqελλιοττιι ©²µ¨¶· 黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ tz qs tu qy tx qs t{ qu
果园 ƒµ∏¬·ª¤µ§¨±¶ 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯ t{ q| t{ qx t{ qx tz qx
旱地 ⁄µ¼ ¤¯±§¶ 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯
us qu
t{ qx
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tx qs
tw qs
tx qu
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水田 °¤§§¼©¬¨ §¯¶ 紫色土 °∏µ³¯¨¶²¬¯黄壤 ≠¨¯ ²¯º ¶²¬¯ u{ qx u{ qx u{ qx u{ qx
图 u 应用官司河模型模拟计算的 t||{ p s{ p t{ ∗ uv降雨 ) 径流过程
ƒ¬ªqu ≥¬°∏¯¤·¨§µ∏±²©©³µ²¦¨¶¶¨¶²© „∏ªqt{ ∗ uv ot||{ ¥¼·«¨ Š≥‹ °²§¨¯
) 模拟的径流过程 ≥¬°∏¯¤·¨§µ∏±²©©³µ²¦¨¶¶ ) ϖ ) 观测的径流过程 ’¥¶¨µ√¨ §µ∏±²©©³µ²¦¨¶¶下同 ∀ ׫¨ ¶¤°¨ ¥¨ ²¯º q
从图 u ∗ x中可以看出 o官司河模型计算的降雨 ) 径流过程与实际观测情况基本吻合 o但存在一定
y 林 业 科 学 v|卷
图 v 应用官司河模型模拟计算的 t||| p sy p tu ∗ tv降雨 ) 径流过程
ƒ¬ªqv ≥¬°∏¯¤·¨§µ∏±²©©³µ²¦¨¶¶¨¶²©∏±qtu ∗ tv ot||| ¥¼·«¨ Š≥‹ °²§¨¯
图 w 应用官司河模型模拟计算的 t||| p sz p su ∗ sw降雨 ) 径流过程
ƒ¬ªqw ≥¬°∏¯¤·¨§µ∏±²©©³µ²¦¨¶¶¨¶²©∏¯ qsu ∗ sw ot||| ¥¼·«¨ Š≥‹ °²§¨¯
的时滞 o洪峰出现的时间较观测到的洪峰晚 o降雨量愈大 o洪峰延迟的时间越长 ∀其中洪峰流量的最大
误差为 n {1x h o次降雨总径流量的最大误差为 n tv1y h ∀当降雨量过大或过小时误差较大 o如 t||{ p
s{ p t{的特大暴雨和 t||| p sy p uw的小雨的计算出的总径流量与实际观测的径流量的误差明显大于
z 第 t期 于澎涛等 }应用官司河分布式水文模型模拟流域降雨 ) 径流过程
图 x 应用官司河模型模拟计算的 t||| p sy p uw ∗ uy降雨 p径流过程
ƒ¬ªqx ≥¬°∏¯¤·¨§µ∏±²©©³µ²¦¨¶¶¨¶²©∏±quw p uy ot||| ¥¼·«¨ Š≥‹ °²§¨¯
另外 u场降雨的径流量误差k表 zl ∀
表 7 官司河模型的计算径流过程特征与观测值比较
Ταβ . 7 Χοµ παρισον βετωεεν σιµ υλατεδ ρυνοφφ προχεσσεσ βψ ΓΣΗ µοδελ ανδ οβσερϖεδ ρυνοφφ προχεσσεσ
模拟计算的场次 ≥¬°∏¯¤·¨§µ∏±²©© t||{ p s{ p t{ t||| p sy p tu t||| p sz p su t||| p sy p uw
洪峰流量误差 ∞µµ²µ²©³¨¤®§¬¶¦«¤µª¨Πh v q{ { qx 没有明显洪峰
‘²·¼³¬¦¤¯ ³¨ ¤®
没有明显洪峰
‘²·¼³¬¦¤¯ ³¨ ¤®洪峰出现的时间差 °¨ ¤® ¤¯ªΠ« y qx w qy
总径流量误差 ∞µµ²µ²©µ∏±²©©√²¯∏°¨Πh n tv qy n s q| p t qt n { qs
产生时滞的原因是在官司河模型中单元内的水总是均匀的分布在单元内 o并以片流的形式向外流
动 o阻力不随水量的增加而减小 ∀这与实际情况有一定差别 o实际情况是随着水量增加 o水会从层流变
为紊流 o或者是二者的混合 o流速加快 o阻力减小 o而且逐渐汇集到单元内的纹沟或细沟内 o而不是均匀
的分布在整个单元内 o沿纹沟或细沟向外流动 o这就大大缩小了过水断面 o增加了水深 o减小了阻力 o水
流速度加快 o到达河道的时间就比模型计算出的时间短 o而且降雨量越大 o径流量越大 o这种作用越明
显 ∀然而 o目前要准确 !定量描述地表径流的这种流态和流阻的变化还很困难k柯克比 ot|{|l o特别是准
确描述流域内地表径流流态的时空变化几乎不可能 o这是每个分布式水文模型都遇到的一个无法克服
的难题 ∀今后需开展单元水量与水流流态和阻力关系试验 o确定水流流态随水量及其它环境条件变化
的参数 o来修正模型 o使得模型描述的流域水文过程与实际更加接近 ∀
v 结论与展望
根据流域的空间异质性 o官司河模型把流域在水平上分成一定数量的单元 o在垂直上把单元分为一
定数量的作用层 o以单元和作用层为基本计算单位 o充分考虑了流域内部的空间差异对水文过程和水文
特性的影响 o使模拟的水文过程更接近流域的真实状况 ∀
对一场典型降雨 p径流事件的模拟表明 o官司河模型能够比较准确的预测流域的降雨 ) 径流过程 o
洪峰流量和次降雨总径流量均与实际观测结果基本吻合 o但洪峰的出现存在一定的时滞 o这是由于模型
{ 林 业 科 学 v|卷
中/单元中的水总以片流的形式流动 !阻力恒定0的假设与实际水文过程有一定出入造成的 o然而 o准确
描述流态的时空变化目前还无法做到 ∀
官司河模型以单元为单位进行水文过程的模拟和计算 o它可以预测流域的局部变化所产生的水文
效应 o将会为精确预测和评价诸如洪水灾害 !污染物迁移扩散 !水土流失等有关水文过程和水文特性变
化 o进行生态效益计量 o科学制定流域治理和生态环境建设规划等提供有力的科技支撑 ∀
参 考 文 献
柯克比主编 q山坡水文学k刘新仁等译l q哈尔滨 }哈尔滨工业大学出版社 ot|{|
马雪华 q森林水文学 q北京 }中国林业出版社 ot||v
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5林业科学6再次荣获/国家期刊奖0
倍受我国出版界 !期刊界关注的第二届国家期刊奖已于 t月 tz日颁奖 ∀中国林学会主办的5林业
科学6继 usss年荣获首届/国家期刊奖0之后 o再次荣获/国家期刊奖0 ∀
/国家期刊奖0由新闻出版署和科技部联合举办 ∀在 usss年的首届评奖活动中 o中国林学会主办的
5林业科学6荣获了首届/国家期刊奖0 o是林业界唯一获奖的期刊 ∀
根据/国家期刊奖每两年滚动评比一次0的规定 oussu年 |月 o新闻出版总署发出通知 o举行第二届
国家期刊奖评选活动 ∀此次评选共设三个等级奖项 }国家期刊奖 !国家期刊奖提名奖 !国家期刊奖重点
期刊奖 ∀在获奖名额上 o也做了比较大的调整 ∀就科技期刊而言 o国家期刊奖设 vs名 o提名奖设 xs名 o
重点期刊奖设 tss名 ∀经多层筛选后 o本次参评的科技期刊为 xuu种 o在入围国家期刊奖的 vs种科技
期刊中 o上届获奖的 yw种期刊仅保留了 ux种 o淘汰率高达 ys1|w h ∀在这样的严格评选中 o5林业科学6
能够继续保持荣誉 o蝉联/国家期刊奖0 o的确是一件值得中国林学会甚至整个林业界为之自豪的事情 ∀
5林业科学6创刊于 t|xx年 o是代表我国林业最高学术水平的科技期刊 o现任主编为中国工程院院
士 o中国工程院副院长沈国舫教授 ∀作为中国林学会的会刊 o它的前身可追溯到 t|ut年创刊的5森林6 ∀
近半个世纪来 o5林业科学6始终坚持党和国家的办刊方针 o在社会各界的支持帮助下 o坚持学术民主 o提
倡百家争鸣 o刊出了大量的学术论文 o为繁荣林业科技事业 o促进国内外学术交流做出了重要贡献 ∀特
别是近年来 o在配合国家西部大开发战略 o配合国家生态环境建设 o为林业六大工程和五大转变提供有
力的科技支撑方面 o做出了许多积极的努力 o收到了良好的社会效益 ∀
据不完全统计 o≤„k美5化学文摘6l !„k俄5文摘杂志6l !≤„…k农业及生物科学文摘库l ! „Š•Œ≥k联
合国粮农组织库l !„k英5动物学记录6l !中国期刊全文库 !中国科技文献k维普l库 !中国科技文献k万
方l库 !中国林业科技文献库以及5中国林业文摘6 !5竹类文摘6 !5中国农业文摘#园艺6 !5中国生物学文
摘6 !5中国地理科学文摘6等检索刊物均收录5林业科学6所刊载的文献信息 ∀
| 第 t期 于澎涛等 }应用官司河分布式水文模型模拟流域降雨 ) 径流过程