ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2011, том 38, № 3, с. 272-282
ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.048
ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ ТЕПЛОВЛАГООБМЕНА СУШИ С АТМОСФЕРОЙ К РАСЧЕТУ ГИДРОГРАФА ДОЖДЕВОГО РЕЧНОГО СТОКА. 2. СОПОСТАВЛЕНИЕ С ГИДРОЛОГИЧЕСКИМИ МОДЕЛЯМИ1
© 2011 г. О. Н. Насонова
Институт водных проблем Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3 Поступила в редакцию 19.01.2010 г.
Выполнено сопоставление гидрографов дождевого стока для 12 речных бассейнов площадью ~103 км2, воспроизведенных с помощью модели тепловлагообмена суши с атмосферой SWAP, с аналогичными гидрографами, полученными с использованием гидрологических моделей, участвовавших в международном проекте Model Parameter Estimation Experiment и показавших наилучшие результаты. Все модели были предварительно откалиброваны по данным о суточных значениях речного стока с каждого бассейна за 20-летний период (1960—1979 гг.). Оптимизированные модельные параметры использовались для расчетов гидрографов стока для последующих 19 лет (1980—1998 гг.). Сопоставление смоделированных гидрографов стока для 12 бассейнов за различные расчетные периоды позволило сделать вывод, что модель SWAP способна воспроизводить речной сток с точностью, сопоставимой с точностью гидрологических моделей.
Ключевые слова: гидрографы дождевого стока, модель тепловлагообмена суши с атмосферой, гидрологические модели, оптимизация параметров.
Данная статья — вторая часть работы, посвященной исследованию возможности применения физико-математической модели тепловлагообмена подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP для расчета гидрографов дождевого стока. Как уже отмечалась в предыдущей части, SWAP относится к классу LSM-моделей. Ее принципиальное отличие от других физико-математических LSM- и гидрологических моделей состоит в применении, по возможности, аналитических методов решения систем уравнений (в то время как в большинстве указанных моделей используются численные методы), что обеспечивает бульшую экономичность и быстродействие модели. Кроме того, SWAP — довольно универсальная модель, которая может применяться (что подтверждено ее многочисленными проверками, результаты которых представлены в отечественных и зарубежных публикациях, приведенных в первой части статьи) для объектов разных пространственных масштабов (от локального до глобального), для агроэкосистем и естественных травяных и лесных растительных сообществ, расположенных в различных физико-географических условиях (от аридных до гумидных, при наличии се-зоннопромерзающих и характерных для районов многолетней мерзлоты сезоннооттаивающих почв). В отличие от гидрологических моделей, SWAP, по-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(проект 08-05-00027).
мимо стока, позволяет рассчитывать несколько десятков характеристик теплового и водного режимов системы почва — растительный/снежный покров — приземный слой атмосферы (SVAS), а также радиационных, тепловых и водных потоков, имеющих место в этой системе. К тому же, SWAP ориентирована на разные источники информационного обеспечения. В качестве исходной метеорологической информации могут быть использованы данные непосредственных наблюдений, данные с нижнего расчетного уровня моделей общей циркуляции атмосферы, а также глобальные базы данных. Априорные значения параметров подстилающей поверхности могут быть получены на основе непосредственных измерений, из литературных источников, из глобальных баз данных или же оценены по данным о типах почв и растительности. Ошибки и неточности в исходной информации могут отчасти компенсироваться калибровкой модели.
Все вышесказанное делает заманчивым применение модели SWAP для гидрологических расчетов, в частности, для расчета дождевого стока рек. Для этого необходимо выяснить, способна ли модель SWAP воспроизводить гидрографы дождевого стока с точностью гидрологических моделей. Эта задача — цель настоящей работы.
Работа выполнена по материалам международного проекта Model Parameter Estimation Experiment (MOPEX) [4], полученным авторами в процессе
участия в этом проекте и описанным в первой части статьи, а также по результатам расчетов гидрографов стока по различным участвовавшим в проекте моделям, любезно предоставленным Дж. Шааке (Национальная служба погоды/Национальная океаническая и атмосферная администрация NWS/NOAA, США). В проекте MOPEX участвовало восемь моделей: четыре гидрологические (SWB, SAC, GR4J и PRMS), три LSM-модели (ISBA, SWAP и NOAH) и одна модель (VIC-3L), которая может использоваться как крупномасштабная гидрологическая модель в гидрологических приложениях и как LSM-модель в метеорологических и климатических приложениях [4]. Результаты четырех гидрологических моделей и были использованы в настоящей работе.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА В ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ SWB, SAC, GR4J И PRMS
Прежде всего кратко рассмотрим, как в гидрологических моделях SWB, SAC, GR4J и PRMS описаны гидрологические процессы, чтобы показать их отличие от модели SWAP, рассмотренной в первой части данной статьи.
SWB, SAC и GR4J — концептуальные модели с пространственно сосредоточенными параметрами, в то время как PRMS — физико-математическая модель, которая может работать и с сосредоточенными, и с распределенными параметрами. Каждая из этих моделей состоит из нескольких взаимосвязанных водных резервуаров. Емкости резервуаров определяются параметрами модели. Помимо этого, имеются так называемые функции влагопереноса, которые определяют перераспределение воды между резервуарами и потоками, а также движение воды в речной сети.
Модель Simple Water Balance Model
Модель Simple Water Balance model (SWB) — концептуальная модель, воспроизводящая формирование дождевого стока с водосбора с использованием данных об атмосферных осадках и потенциальном суммарном испарении [9]. SWB — наиболее простая из рассматриваемых моделей. В модели два водных резервуара. Верхний резервуар представляет собой тонкий слой, предназначенный для перехвата осадков. Из этого резервуара может осуществляться только испарение. Нижний резервуар — более мощный слой, вода из которого может как испаряться, так и формировать подземный сток. Поверхностный сток в модели начинает формироваться после того, как интенсивность осадков превысит интенсивность впитывания воды в почву (хортоновская концепция генезиса стока). Гидрограф речного стока рассчитывается на основе метода единичного гидрографа. В модели имеется пять параметров и
две переменных состояния. Все пять параметров автоматизировано калибруются с использованием алгоритма 8СЕ-иЛ [2], рассмотренного в первой части данной статьи. Модель используется Национальной службой погоды США.
Модель Sacramento Soil Moisture Accounting Model
Модель SAC, полное название которой SACramento Soil Moisture Accounting model (SAC-SMA), представляет собой концептуальную модель с пространственно сосредоточенными параметрами, воспроизводящую сток с водосбора с использованием в качестве исходной информации данных по атмосферным осадкам и потенциальному испарению [2, 3, 5]. SAC-SMA состоит из шести резервуаров: двух в верхней зоне почвы, трех — в нижней, шестой резервуар аккумулирует воду над водонепроницаемыми участками водосбора. Ключевая функция — уравнение просачивания почвенной влаги, определяющее движение воды от верхних резервуаров почвы к нижним. Модель описывает следующие гидрологические процессы: формирование поверхностного стока над водонепроницаемым слоем, формирование поверхностного стока при полном насыщении верхней зоны почвы, внутрипочвен-ный горизонтальный сток из второго резервуара верхней зоны почвы, подземный сток из резервуаров нижней зоны (отчасти попадающий в речное русло, отчасти уходящий за пределы водосбора), суммарное испарение из всех резервуаров. Рассчитанный мгновенный сток преобразуется в речной сток на основе концепции единичного гидрографа. Учитываются потери воды через речное русло. Модель содержит 16 параметров (13 из которых калибруются), определяющих емкости резервуаров и скорости их иссушения, долю водонепроницаемого поверхностного слоя, перераспределение воды между резервуарами и отток ее в речную сеть, возможные потери воды речным руслом. Для калибровки модели применяется метод SCE-UA. Критерий оптимизации представляет собой сочетание суточной и месячной среднеквадратических ошибок, что позволяет добиться наилучшего водного баланса, практически не содержащего систематическую ошибку, и довольно хорошо воспроизводить суточную изменчивость стока (персональное сообщение Дж. Шааке).
Отметим, что SAC-SMA — хорошо известная в гидрологическом сообществе модель, получившая широкое распространение во всем мире для прогнозов наводнений, водообеспеченности и для решения ряда других оперативных гидрологических задач. SAC-SMA применяется в оперативной практике NWS США для речных бассейнов площадью от 300 до 5000 км2 [6].
Модель GR4J
Модель GR4J (Semagref, Франция) — концептуальная модель с четырьмя калибровочными параметрами и более простой структурой по сравнению с SAC-SMA. Ее описание можно найти в [2, 8]. Исходная метеорологическая информация также представляет собой суточные суммы осадков и потенциального суммарного испарения. В модели два взаимосвязанных резервуара: производящий и транспортирующий. Первый состоит из резервуара перехвата осадков нулевой емкости (потенциальное испарение непосредственно воздействует на осадки) и резервуара почвенной влаги, который необходим для расчета эффективных осадков и суммарного испарения. В модели также учитывается водообмен с подземными участками за пределами водосбора. Функции влагопереноса описывают просачивание из почвенного резервуара, разделение эффективных осадков на две составляющие, для каждой из которых используется свой единичный гидрограф. Далее осуществляется нелинейная трансформация одной из этих составляющих (концепция нелинейно транспортирующего резервуара). Все четыре параметра модели (максимальные емкости резервуаров, коэффициент водообмена с грунтовыми водами и временной параметр единичного гидрографа) калибруются. Для калибровки и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.