VIC模型参数的敏感性分析

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1、http://www.paper.edu.cn1VIC模型参数的敏感性分析张续军，吴志勇，陆桂华(河海大学水问题研究所，江苏南京210098）E-mail：zhwzxj@163.com摘要：本文运用敏感度分析理论，采用中国湿润地区八个典型流域的实测资料，对大尺度分布式水文模型VIC（VariableInfiltrationCapacity）模型七个主要参数的敏感性进行了分析。结果表明，在这七个参数中，第二层土壤厚度对产流量相对较为敏感；入渗能力形状参数对出口断面流量过程吻合程度较为敏感，其他参数都不太敏感。关键词：水文；VIC模型；模型参数

2、；敏感度[1]水文模型参数揭示了流域的水文特征，是水文模型的重要组成部分，对于水文模型的模拟结果起到至关重要的作用。随着水文模型的不断发展，尤其是分布式水文模型[2]的出现，参数具有了更加明确的物理意义，反映了流域下垫面和气象因素的空间变化。不同参数对模拟结果的影响因其物理意义和模型结构的不同而有所差异，因此研究参数的敏感性对于水文模型的应用非常重要，是率定水文模型参数以及校正模拟结果的基础。水文模型是包含多个参数的复杂系统，各个参数不仅自身对模型产生影响，而且参数之间还通过相互的作用共同对模型产生影响。因此对参数的敏感性分析，在单独考虑每

3、个参数的基础上，还应把所有参数作为整体来考虑。本文基于中国湿润地区，对VIC模型主要参数的敏感性进行了分析。1．VIC模型及其参数VIC模型是一种基于SVATS（SurfaceVegetationAtmosphericTransferSchemes）[3][4]思想的大尺度分布式水文模型，最初基于Wood等人的思想、由Stamm等人构建[5]起来的VIC模型把土壤分为两层，称为VIC-2L模型，Liang等人把土壤分为三层，[6]模型改进为VIC-3L模型。该模型可同时对水循环过程中的能量平衡和水量平衡进行模拟。模型定义地表由不同植被类型及

4、裸土覆盖，覆盖类型由植物叶面面积指数(LAI)、叶面气孔阻抗以及根系在不同土层之间的分配比例来确定。通过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该种植被的蒸散发量。土壤根据分层来反映降雨过程和蒸发过程。蒸发量的计算采用Francini和[7]Pacciani公式。VIC模型考虑计算网格内土壤含水量空间分布的不均匀性，进行产流计算。基流的[8]计算公式根据Arno概念模型得来，只用在下层土壤中，模型定义在某一阈值以下，基流是线性消退过程，而土壤含水量高于这个阈值时，基流过程是非线性的，非线性部分表示有大量基流

5、发生时的情况。在VIC-3L模型中，用里查兹(Richards)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。1本课题得到国家自然科学基金项目(40371023)和“948”计划项目(200317)资助。-1-http://www.paper.edu.cnVIC模型的参数，根据其确定方法可分为两类。一类是根据参数物理意义直接标定的，这些参数包括：（1）气候地理相关的参数，如网格中心经纬度、平均高程、平均土壤温度、时区补偿值、年平均降水量等；（2）植被类型相关的参数，如结构阻抗、最小气孔阻抗、叶面面积指数、零平面位移、

6、反照率、粗糙度及根区在土壤中的分布等；（3）土壤特性相关的参数，如饱和土壤水力传导度、气泡压力、土壤总体密度、土壤颗粒密度、临界含水量、凋萎点的土壤含水量、残余含水量等。对于这一类参数的确定，本文参考Maryland大学发展的全球1km土地覆盖分类确定植被类型，参考LDAS（LandDataAssimilationSystem）设定的逐月叶面面积指数（LAI）；参考Reynolds等发展的10km[8]土壤数据库和Cosby、Rawls等的工作来标定土壤参数。VIC模型的另一类参数，与流域产流密切相关，由于产流的复杂性，这些参数难以直接给定

7、，需要利用流域实测水文资料来率定，它们的特性和取值范围如下：（1）B：入渗能力形状参数。表示网格含水量空间分布的不均匀，分布越不均匀，取值越大，范围一般在0~0.4。（2）Dsmax：底层土壤24h内产生基流的最大值。取值受土壤水力传导度和网格平均坡度的影响，范围一般在0~30。（3）Ds：基流在非线性增长发生时占Dsmax的比例。底层土壤在低含水量时出流越大，Ds值越大，取值范围在0~1。（4）Ws：基流非线性增长发生时底层土壤含水量与最大土壤含水量的比值。Ws越大，表示基流非线性增长发生时的起始土壤含水量越大。取值范围在0~1。（5）土

8、壤厚度d1（第一层）、d2（第二层）和d3（第三层）。土层厚度调整后将影响其他土壤参数的取值，如各层的土壤最大含水量、临界含水量及凋萎点土壤含水量等。土层变厚会增加蒸发损失，也会