VIC水文模型概述

VIC模型是一种基于SVATS（Soil Vegetation Atmospheric Transfer Schemes）思想的空间分布网格化的大尺度分布式水文模型，易于气候模式嵌套；具有很强的物理基础，能够考虑天气、土壤性质、地形、植被的综合作用。
对于陆面水分收支过程，降水一部分被植被叶面截留，一部分直接降落到地面。叶子截留的降水一部分用于蒸发，另一部分滴落到地面，与直接降落到地面的降水一起渗入土壤中或形成地表径流。土壤中的水和叶面上的截流的水通过蒸发返回大气，植被的根系从土壤中抽吸水分，再由叶面向大气蒸腾水汽。这样形成了大气-陆表水分循环圈。
水分循环决定了水的分布和平衡，还通过蒸发和降水过程，对能量的再分配起着决定性作用。

VIC模型中支配每个网格内植被和土壤结构的热通量、含水量和感热量过程包括：土壤层蒸发E、蒸散发Et、地表截留蒸发Ec、侧向热通量L、感热通量S、长波辐射RL、短波辐射RS、地表热通量τG、下渗i、渗透Q、径流R和基流B（如下图）。
路面地表由N+1种地表覆盖类型描述，此处n=1,2,…,N表示种植被覆盖类型，n=N+1代表裸土。

土壤（Soil）

VIC模型在一个计算网格内纵向包含裸土及不同的植被覆盖层，两层土壤，一层雪盖，主要考虑大气-植被-土壤之间的物理交换过程，反映土壤、植被、大气之间的水热状态变化和水热传输，称为VIC-2L；后来为了加强对表层土壤水动态变化以及土层间土壤水的扩散过程的描述，将VIC-2L上层分出一个约0.1m的顶薄层，而成为三层，称为VIC-3L。

积雪（Snow）

VIC水文模型将积雪分为如下几个类型：地面积雪、植被冠层上的雪、湖冰上的雪。

动态湖和湿地模型

每个网格单元允许湖/湿地系统包含一个土地覆盖瓦片。这里lake指任一表面蓄水，包括永久湖和季节性植被陆地。湖面积可随时间变化，作为蓄水量和地形的函数。

动态湖（Lake Model）

湿地模型（Wetland Model）

1 VIC模型陆面水文过程（产流过程）

1.1 能量平衡方程

1.2 水量平衡方程

【VIC模型优势】引入一个动态表征模型网格内蓄满产流和超渗产流机制的地表径流参数，其参考了在蓄满产流和超渗产流中土壤非均质性的影响，是VIC水文模型的一大亮点。

1.3 蒸散发计算

1.4 积雪/融雪模型

融雪模型使用能量平衡的方法来表示地表的积雪和融化。假定低矮的植被完全被积雪覆盖，因此不影响地表积雪场的能量平衡。模型考虑因为升华、滴落，和释放而引起的地表雪截留。在包含雪带的高纬度地区，当春季融雪时，因为高低纬度之间在融雪期间差额，使用者能获得一个坦化的水文过程。

1.5 冻土模型

VIC 模型的冻土模型可以在寒冷的地区运行，冻土对于水文过程的影响非常重要。土壤中的冰减少了降水和融雪下渗入地表的总量，很高的含冰量可以让土壤近乎于不透水。冻土在冬季存储更多的土壤含水量因此在春季，这些冻土地区比没有冻土的地区，土壤含水量将显著增加。

2 VIC模型汇流模型原理（汇流过程）

在汇流模型中，一般采用线性圣维南方程的河道汇流程序来模拟流域出口的径流量。

参考

1、硕士论文-D2004-VIC大尺度陆面水文模型在中国区域的应用-刘谦（湖南大学）

产流机制说明

研究表明，在自然界中地表径流主要由两种机制产生：

• 超渗产流(Horton)：发生在包气带上界面（地面）的产流机制。通常出现在在干旱和半干旱地区，但是如果降雨量小、地下水埋藏很深，包气带可达几十米甚至上百米，降雨过程中下渗的雨量不易使整个包气带达到田间持水量。只有当降雨强度大于下渗强度时才会产生地面径流。
• 蓄满产流(Dunne)：因降水使土壤包气带和饱水带基本饱和而产生径流的方式，是降雨径流的产流方式之一。在降雨量较充沛的湿润、半湿润地区，地下潜水位较高，土壤前期含水量大，由于一次降雨量大，历时长，降水满足植物截留、入渗、填洼损失后，损失不再随降雨延续而显著增加，土壤基本饱和而产生。
  

土壤特性的空间可变性、前期土壤含水量、地形和降水都将导致不同的暴雨洪水地表产流机制。在一个网格的不同部分，这两种产流机制般会同时出现。忽略其中之一或者欠考虑土壤空间可变性都将导致过高或过低地估计地表径流，引起土壤含水量状态超过模型网格的大的直接误差。