HBV水文模型在玉樹巴塘河流域洪水臨界雨量閾值研究中的應用

劉義花, 魯延榮, 周 強, 李昌玉

(1.青海省氣候中心, 西寧 810001; 2.青海省基礎地理信息中心, 西寧810000;3.青海省師范大學 生地學院, 西寧801600; 4.西寧市氣象局 西寧 810001)

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HBV水文模型在玉樹巴塘河流域洪水臨界雨量閾值研究中的應用

劉義花1, 魯延榮2, 周 強3, 李昌玉4

(1.青海省氣候中心, 西寧 810001; 2.青海省基礎地理信息中心, 西寧810000;3.青海省師范大學 生地學院, 西寧801600; 4.西寧市氣象局 西寧 810001)

區(qū)域氣象災害的評估在防災減災中具有很重要的地位，它不僅是認識災情、進行災害區(qū)劃、實行災害預測、制定防治對策、進行損失評估、實施防治措施和進行項目管理的基礎，對政府的輔助決策都具有重要意義?；谟駱淇h社會經濟統(tǒng)計資料、水文資料、巴塘河洪水災情資料的基礎上，應用HBV模型嘗試性的研究暴雨誘發(fā)的中小河流洪水臨界風險雨量閾值研究，結果表明：1)近11 a來新寨站平均流量23.2 m3/s,2001年、2003年、2005年汛期流量較大，2006—2011年流量明顯偏少；2)在率定期HBV模型對新寨站日徑流深模擬的確定性系數(shù)達0.678 2，Nash效率系數(shù)為0.604 4，驗證期確定性系數(shù)超過了0.770，Nash效率系數(shù)為0.530 5；3)根據不同的基礎水位，有效劃分了24 h玉樹巴塘河流域洪水面雨量預警指標，為今后玉樹縣巴塘河流域提高災害防御能力提供研究基礎。

巴塘河流域； HBV水文模型； 洪水

IPCC第四次評估報告指出[1]，全球變暖導致極端事件頻發(fā)，雖然極端事件是小概率事件，但是一旦發(fā)生將對自然和社會產生嚴重影響。在全球氣候變暖的大背景下，青海牧區(qū)表現(xiàn)出溫度升高、降水變率加大的區(qū)域響應，造成干旱、雪災、暴雨洪澇等極端天氣氣候事件、氣象災害加劇，青藏高原是氣候和生態(tài)環(huán)境變化的敏感區(qū)域和脆弱地帶，通過加強青藏高原氣象災害特征和氣象災害風險技術的研究，可提高對氣象災害、災害風險意識，提高災害預測預報水平，為政府和公眾提供準確的預報和服務，為制定農牧業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，進行正確的農牧業(yè)決策，采取有效措施抗御自然災害與保持農牧業(yè)的高產和穩(wěn)產提供理論依據。根據1984—2007年青海省氣象災害統(tǒng)計，冰雹、干旱災害年均造成農業(yè)作物受災面積400 km2以上，暴雨洪澇、雪災、霜凍災害所造成的農業(yè)作物受災面積也較大，分別為52.59，41.67，85.87 km2[2]。因此，通過各種技術和方法有效提高中小河流洪水、山洪地質災害風險評估和風險區(qū)劃能力，為青海省暴雨誘發(fā)的中小河流洪水、山洪地質災害氣象風險預警服務提供科技支撐。

國內外針對臨界雨量閾值方面的研究主要有：何思為等[3]應用四個水文模型對黑河流域上游進行了研究對比，張建新等[4]應用HBV模型開展對東北地區(qū)多冰雪地區(qū)洪水預報的研究，段生榮[5]以黃河流域大通河支流為例應用統(tǒng)計方法研究臨界面雨量，張世才等[6]通過實際災情研究祁連山區(qū)山洪臨界雨量并對該地區(qū)做了風險區(qū)劃。目前國內外學者對青藏高原的生態(tài)環(huán)境變化做了大量研究，但是在氣象災害風險評估方面的研究處于起步階段。筆者查閱大量文獻[7-11]，發(fā)現(xiàn)針對青藏高原暴雨誘發(fā)的中小河流洪水臨界雨量研究較少，多采用統(tǒng)計方法，本研究嘗試性的采用HBV模型，通過對模型輸入區(qū)域水文資料、土地類型資料、氣象資料，從而直觀對比水文站觀測數(shù)據與模型模擬數(shù)據之間的差異，旨在為青海省玉樹巴塘河流域洪水預警提供具有客觀、科學性的臨界閾值，為今后巴塘河流域風險預警提供科學技術支撐。

1 研究區(qū)概況

巴塘河為通天河右岸一級支流[7]，位于青海省玉樹藏族自治州玉樹縣境內，因流經巴塘盆地而得名,巴塘河發(fā)源于格拉山北日阿如東塞以東4 km處，源流向北穿過峽谷進入巴塘盆地，納支流扎巴曲后始稱巴塘河，后又進入峽谷北上至玉樹縣城結古鎮(zhèn)，最終匯入通天河。巴塘河全長約92 km，流域面積1 793.9 km2，海拔2 778～5 672 m，徑流補給以降水為主，玉樹縣年平均氣溫3.8℃，年降水量為484.6 mm，流域內土地類型以林地、草地、裸巖石礫地為主。從天氣學角度來看，巴塘河流域暴雨以中小尺度天氣系統(tǒng)為主，降水過程一般歷時短，強度大，再加上地形起伏度較大，因此一旦形成洪水，對農牧業(yè)設施以及人類的生命財產安全帶來嚴重威脅。

2 研究方法簡介

2.1 模型原理

HBV水文模型是瑞典國家水文氣象局開發(fā)研制，基于DEM劃分子流域的半分布式的概念性水文模型。多種情況下模型誤差小于20%。模型很簡單，非常適用于大流域。模型不同版本已在全世界40多個位于不同氣候區(qū)的國家，如瑞典、津巴布韋、印度、哥倫比亞和中國等國家的洪水預報、水資源評估、營養(yǎng)鹽負荷估算等領域得到廣泛應用。HBV-D模型，由德國PIK研究所Krysanova.V博士改進。HBV-D模型由氣候資料插值、積雪和融化、蒸散發(fā)估算、土壤濕度計算過程、產流過程、匯流過程等子模塊組成。該版本模型具有匯流時間模塊，分別模擬各子流域的徑流過程,后經過河道匯流形成流域出口斷面的徑流過程，模型應用相對簡便，輸入數(shù)據主要是研究區(qū)DEM、日均氣溫、降雨、土地利用、土壤最大含水量和河流匯流時間等參數(shù),通過模型中實際徑流量與模擬值得比較，從而有效劃分了不同水位臨界高度下的洪水臨界雨量值，以此達到巴塘河流域洪水預警的目的。

2.2 風險雨量計算方法

流域內發(fā)生不同等級的洪水，洪水匯集到河流中達到一定水位高度所對應的某時段的降水量即為該淹沒等級的風險雨量，本研究中把水文站達到警戒水位、保證水位、堤防高度時的雨量分別做為三個等級的風險雨量。通過HBV模型模擬研究時間段徑流深度以及觀測流量和水位、水位和研究區(qū)面雨量的關系，劃分出研究區(qū)不同基礎水位下臨界面雨量的閾值。

2.3 水文要素的變化特征

新寨水文站是巴塘河的觀測水文站，現(xiàn)已收集到2001—2011年逐日水位和流量資料，因2007年以前的水位基面跟后期的不一致,因此,在建模的時候涉及基礎水位跟流量建立關系的時候,只考慮2007年水位和流量的變化關系。從新寨水文站流量圖上來看(圖1)，近11 a來新寨站平均流量23.2 m3/s,每年汛期6—9月流量達到峰值，2001年、2003年、2005年汛期流量較大，直至2006—2011年流量明顯偏少，從水文站水位的變化來看，2011年汛期，有2次洪水過程達到警戒水位，有1次洪水過程達到保證水位，玉樹縣是半農半牧的地區(qū)，水文站的流量明顯變化與水文站的調蓄作用比較密切。

3 HBV模型的應用

3.1 徑流深度模擬結果

利用水系、DEM等地理信息，采用GIS和水文分析技術提取了巴塘河流域的范圍、流域中心點，基于R雨量插值軟件和流域內氣象站觀測數(shù)據，得出2000—2011年流域面雨量的逐日變化序列，因在每一次暴雨過程中，降雨徑流關系極為復雜，因此模型通過土壤持水力以及土壤類型、匯流到子流域出口的時間來共同模擬每一次洪水過程。在模型運行之前，需要修改研究流域的面積，模擬的時間段，模型中涉及31個參數(shù)，因此對每個參數(shù)敏感性分析具有重要意義，模型中相關參數(shù)每調整一次，模擬結果會發(fā)生明顯變化，因此用確定性系數(shù)和Nash效率系數(shù)驗證模型的穩(wěn)定性和可靠性，該方法用來解釋模型的誤差，最終的目地是為了確定性系數(shù)和Nash效率系數(shù)達到0.5～0.9，以此來驗證模型擬合的效果，如果模型中調參不合適，那么Nash效率系數(shù)是負值，模擬的徑流深度和實際觀測值的擬合效果偏差較大，基于此，對其中5個參數(shù)進行了多次調整和敏感性分析(表1)，將這些參數(shù)的不同組合輸入到HBV水文模型，率定后的HBV模型對新寨站日徑流深模擬的確定性系數(shù)達0.6782，Nash效率系數(shù)為0.6044(圖2a)，尤其是2002年以來的模擬值與實際觀測值的擬合程度較好，能夠準確捕捉每次洪水過程，模型模擬的結果與實況較一致，能夠很好地模擬出巴塘河流域的日徑流過程。為進一步檢驗HBV 模型效果，使用2007—2011年逐日氣象、水文資料對巴塘河流域的預報效果進行了檢驗(圖2b)，可以看出經過率定后的HBV 模型在巴塘河流域具有很強的適用性，對新寨站逐日徑流深模擬的確定性系數(shù)超過了0.770，Nash效率系數(shù)為0.530 5，模擬出的水文過程線與實際基本吻合，很好的預報出了洪水對降水的響應過程，尤其是2007年、2010年、2011年以來每年的日徑流深度的擬合效果接近實際，以此為依據，來確定洪水發(fā)生時達到不同高度的臨界面雨量是具有意義，并為科學、客觀預測強降水對當?shù)卦斐珊蔚蕊L險提供科學技術支撐。

圖1 2007-2011年新寨水文站逐日水位和流量的變化

圖2 2000-2011年逐日模擬徑流深度與觀測徑流深度的對比

圖2中的nash系數(shù)和確定性系數(shù)是根據公式(1)和公式(2)計算得出的，如果nash系數(shù)和確定性系數(shù)不再0.5～0.9范圍內，則說明模擬值和觀測值擬合效果不好，模擬結果沒有實際意義。

(1)

(2)

3.2 水位和流量的關系

通過水文站逐日觀測流量和水位，建立2007—2011年洪水流量和水位之間的關系，流量和水位相關性特別高，通過0.001的顯著性檢驗。由圖3可知，自2007年以來，流量和水位呈現(xiàn)持續(xù)上升的態(tài)勢，1971—2000年青南牧區(qū)年平均降水量480.1 mm,2001—2010年年平均降水量499.7 mm,說明青南牧區(qū)降水明顯增加，降水量增加趨勢與巴塘河流量增加的趨勢一致。通過HBV模型模擬結果以及流量和水位的換算關系，可以得出逐日模擬流量、模擬水位以及流域面雨量，為流域臨界面雨量的閾值劃分提供基礎。

表1 參數(shù)的意義以及敏感性

4 臨界雨量閾值的劃分

根據玉樹新寨站警戒水位、保證水位、堤壩高度，根據洪水達到警戒、保證或漫過堤壩水位的不同條件來判定暴雨誘發(fā)的洪水對整個巴塘河流域造成不同的風險等級。因高原獨特氣候條件，通過分析1961—2011年歷史洪水災情以及水位、流量的變化情況，發(fā)現(xiàn)1 h，3 h，6 h，12 h的暴雨的強度不是特別大，因此劃分24 h不同基礎水位下的山洪致災臨界雨量是符合客觀實際，新寨站警戒水位、保證水位、堤防高度分別為3 655.77，3 655.83，3 656.91 m,研究達到不同水位高度時的臨界面雨量(圖4)，劃分出臨界面雨量對每次洪水過程有較好的響應，氣象部分根據面雨量預報值判定降水量是否造成洪水，從而達到洪水風險預警的目的。

圖3 2007-2011年逐日流量與水位擬合

圖4 不同基礎水位下臨界面雨量值

5 結論與討論

本研究基于巴塘河流域高程圖、土地類型、氣溫、降水以及土壤持水量等要素模擬巴塘河流域模擬徑流深度，率定期的HBV 模型對新寨站日徑流深模擬的確定性系數(shù)達0.678 2，驗證期確定性系數(shù)超過了0.770 0，模擬出的水文過程線與實際基本吻合，很好的預報出了洪水對降水的響應過程。通過觀測流量和水位擬合關系以及流量與面雨量的關系，以洪水達到警戒、保證或漫過堤壩水位的不同條件來判定暴雨誘發(fā)的洪水對整個巴塘河流域造成不同的風險等級。通過半分布式水文模型在青藏高原暴雨誘發(fā)的中小河流洪水臨界面雨量研究中的應用，氣象部門通過該流域臨界雨量閾值的范圍，如果該流域面雨量達到一定的量級，可有效、快速的發(fā)布預警，為風險預警提供科學依據。由于高原本身的地域特色，氣象數(shù)據、水文數(shù)據、災情數(shù)據的不完備，短期內無法驗證劃分閾值的有效性,隨著今后汛期強降水過程，逐步驗證模型劃分臨界面雨量閾值的有效性并不斷完善。

[1] Solomon S, Qin D, Manning M, et al. Climate Change 2007:The physical Science Basis:Contribution of working group I to the Fourth Assessment Report of the intergovernmental Panel on climate change. IPCC Fourth assessment Report [M]. Cambridge University Press,2007.

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Application of HBV Model to the Study on Risk Precipitation in Different Grades in Batang River Region

LIU Yihua1, LU Yanrong2, ZHOU Qiang3, LI Changyu4

(1.ClimateCenterofQinghai,Xi′ning810001,China； 2.QinghaiProvinceBasicGeographicInformationCenter,Xi′ning810000,China； 3.CollegeofLifeScience,QinghaiNormalUniversity,Xi′ning801600,China; 4.Xi′ningMeteorologyBureau,Xi′ning810001,China)

The trend of extreme climate events has been analyzed by many researchers. Once it occurs, it maybe cause serious influence, so it becomes more and more important to research meteorology disaster, which can not only help us know disaster, conduct disaster forecast and loss assessment, but also help government to solve the problems. The module of runoff was simulated using a hydrological model(HBV) based on meteorological data, land use, hydrological data and Dem of Batang river region. The results of simulated runoff depth were verified. The results showed that: 1) the average runoff is 23.2 m3/s in recent 11 years in Xinzhai station, the runoff volumes in flood season in 2001，2003 and 2005 were greater, but the runoff volumes became less from 2006 to 2011; 2) the coefficients of determination and NASH were 0.678 2, 0.604 4, respectively, in the calibrated period, and were 0.770 and 0.530 5, respectively, in the verification period; 3) the warning critical rainfalls triggering runoff at different water levels were calculated using HBV model in order to reduce losses resulting from the flooding disasters.

Batang river region； HBV model； mudflow

2014-06-09

2014-07-10

國家自然科學基金項目“湟水流域農牧民對氣候變化的適應行為與感知基礎研究”(41261010)

劉義花(1979—),女,青海平安人,碩士,主要從事氣候評價方面工作。E-mail:yihualiu12@126.com

P338

1005-3409(2015)02-0224-05