流域水资源评价方法中的WEP-L模型原理

2023-10-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在山地和丘陵地区，WEP L模型同时考虑坡向的壤中径流及土壤渗透系数的各向变异性。WEP L模型采用度日因子法来模拟积雪融雪过程。WEP L模型原理详见《分布式流域水文模型原理与实践》（贾仰文）。

1.模型概述

WEP L（modeling Water and Energy transfer Processes in Large river basins）分布式水循环模拟模型是典型的流域二元水循环模型，首次应用在我国的黄河流域。

WEP L最早的版本是WEP模型（Jia等，1998，2001，2002），开发于1995～2002年间，已在日本和韩国的多个流域得到验证和应用，并于2002 年10 月获日本国著作权登录。

“十一五”期间，针对我国内陆河流域的特点，开发者对WEP模型进行了改进，特别是增加了积雪融雪模块和干旱地区灌溉系统模拟模块。这就是IWHR WEP 版。IWHR WEP模型以长方形或正方形网格为计算单元，是网格分布式流域水文模型，便于使用GIS和卫星遥感数据，并具有物理概念强、计算精度高和速度快等特点。

WEP L版在IWHR WEP版的基础上又做了如下改进：①为了适应超大规模流域水文模拟的需要，改网格单元为子流域套等高带单元，既加快了计算速度又避免了汇流失真；②针对各水循环要素过程的特点，采用变时间步长（强降雨时期入渗产流过程采用1h、坡地与河道汇流过程采用6h，而其余的过程采用1d）进行模拟计算，既保证了水循环动力学机制的合理表述又提高了计算效率；③将灌区引水口、水库落实到具体的计算河段，将灌溉用水落实到田间，用水类别分农业、工业、生活三大类，进一步划分为七小类，按地表水、地下供水分别计算，加强了人工用水系统与自然水循环系统的耦合模拟。

2.模型结构

WEP L模型各计算单元的铅直方向结构如图5-2 所示。从上到下包括植被或建筑物截留层、地表洼地储留层、土壤表层、过渡带层、浅层地下水层和深层地下水层等。状态变量包括植被截留量、洼地储留量、土壤含水率、地表温度、过渡带层储水量、地下水位及河道水位等。主要参数包括植被最大截留深、土壤渗透系数、土壤水分吸力特征曲线参数、地下水透水系数和产水系数、河床的透水系数和坡面、河道的糙率等。为考虑计算单元内土地利用的不均匀性，采用了“马赛克”法，即把计算单元内的土地归成数类，分别计算各类土地类型的地表面水热通量，取其面积平均值为计算单元的地表面水热通量。土地利用首先分为植被—裸地域、灌溉农田、非灌溉农田、水域和不透水域五大类。裸地—植被域又分为裸地、草地和林地三类，不透水域分为城市地面与都市建筑物两类。另外，为反映表层土壤的含水率随深度的变化和便于描述土壤蒸发、草或作物根系吸水和树木根系吸水，将透水区域的表层土壤分割成三层。

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图5-2　WEP L模型的铅直方向结构（基本计算单元内）

WEP L模型的平面结构为子流域套等高带，如图5-3 所示。坡面汇流计算根据各等高带的高程、坡度与曼宁糙率系数（各类土地利用的谐和均值），采用一维运动波法将坡面径流由流域的最上游端追迹计算至最下游端。各条河道的汇流计算，根据有无下游边界条件，采用一维运动波法或动力波法由上游端至下游端追迹计算。地下水流动分山丘区和平原区分别进行数值解析，并考虑其与地表水、土壤水及河道水的水量交换。

3.模拟方法

在流域内生成“子流域套等高带”的计算单元后，根据改进的Pfafstetter规则对每个计算单元建立包含拓扑关系的编码。根据此编码，在流域内从上游的子流域到下游子流域依次计算；而在子流域内按等高带由高至低顺序计算。

WEP L模型将蒸发蒸腾分为植被截留蒸发、土壤蒸发、水面蒸发和植被蒸腾四部分，参照土壤—植被—大气通量交换方法（SVATS），采用Penman 公式和Penman Monteith公式详细计算各种类型的蒸发。(www.chuimin.cn)

WEP L模型采用GREEN AMPT铅直一维入渗模型模拟降雨入渗及超渗坡面径流。

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