樊靜，江遠安，陳穎，陳鵬翔，白素琴，余行杰

（新疆氣候中心，新疆烏魯木齊 830002）

基于HBV模型的開都河致災洪水臨界雨量分析

樊靜，江遠安，陳穎，陳鵬翔，白素琴，余行杰

（新疆氣候中心，新疆烏魯木齊 830002）

應用HBV水文模型對開都河流域焉耆站以上段進行了模擬，通過對模型敏感參數(shù)的率定（1982—1985年），Nash效率系數(shù)達到0.73，說明模型能夠很好地反映開都河流域的徑流過程；對模型進行驗證的結果表明在1986—1989年模擬結果的Nash效率系數(shù)達到0.75，比率定期的Nash效率系數(shù)高，模型在開都河流域有較高的適用性，能夠反映出流域年、月、日徑流量的變化趨勢。通過率定后的HBV模型，計算了不同流量和水位所對應的臨界致災雨量，當基礎水位為6.27m，流量為100m3/s時，臨界一級（保證流量800m3/s)和二級(警戒流量500m3/s）致災面雨量分別為50mm和30mm，隨著基礎水位和流量的增加，臨界致災雨量的值在減小。將通過HBV水文模型計算的臨界雨量與歷史上發(fā)生洪水的24 h和120 h的實際降水量進行對比分析，發(fā)現(xiàn)應用HBV水文模型推算的臨界面雨量大于實際24 h降水量，小于前5 d的降水合計量，因此在實際的業(yè)務應用中還需要對結果進行進一步的分析和驗證。

HBV模型；開都河；臨界雨量

山洪災害形成的機理非常復雜，諸多因素中降雨是引發(fā)山洪災害最直接的外在動力因素[1]。當一個小流域某時段內降雨量達到或者超過某一量級和強度時，形成的洪水流量剛好為河道的安全泄洪能力，大于該降雨量將可能引發(fā)山洪災害，把此時的降雨量稱為臨界雨量[2]。臨界雨量是目前山洪災害預測預報的重要指標，對山洪災害防治有著重要的意義[3]。對于臨界雨量的確定，根據(jù)有無實測水文和降水資料，可采用不同的計算方法。山洪災害臨界雨量分析方法主要采用統(tǒng)計歸納法[4]、暴雨等值線分析法和地質與地貌條件綜合分析法[5]、水位反推法[6]、山洪災害實例調查法[7]、災害與降雨頻率分析法[8]等。近期張亞萍等[9]提出一種基于水文模擬建立中小河流洪水氣象風險等級臨界累積面雨量指標的方法，對于有水位、流量等監(jiān)測資料的中小河流，可通過水文模擬方法，在進行洪水氣象風險等級指標確定時考慮流域的水文響應。目前，新疆區(qū)域關于臨界雨量的研究較少。本文以開都河流域為例，在了解其致災降雨特征的基礎上，利用HBV水文模型法計算流域的臨界致災雨量并選取1960年以來的多次洪水過程對確定的臨界雨量進行驗證，探討計算得出的臨界雨量的合理性。通過此項研究，以期為開展洪水氣象預警業(yè)務提供參考，也為新疆區(qū)域臨界雨量的確定探索新方法。同時，很多中小河流并無水文監(jiān)測資料，對有水文監(jiān)測資料的流域進行臨界累積面雨量指標的研究并與地理信息結合，是進一步研究無水文監(jiān)測資料流域洪水氣象風險指標的重要基礎[10-11]。

1 研究區(qū)概況

開都河流域是塔里木河流域的主要源流之一，位于新疆天山南麓，塔里木盆地北緣，屬于雪冰融水和雨水混合補給的河流。開都河發(fā)源于天山中部山區(qū)，上游流經巴音布魯克草原，下游流經焉耆盆地，最后注入中國最大的內陸淡水湖——博斯騰湖，河流全長560 km。深居歐亞大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱氣候，日照充足，太陽輻射強。夏季炎熱，冬季寒冷，晝夜溫差及年較差大，降水少，蒸發(fā)能力強烈，空氣干燥。開都河流域自北至南高差較大，大致可劃分為北部天山高寒半干旱半濕潤區(qū)，海拔2 500～ 5 000m，年平均氣溫-3.5～6.5℃，年降水量300～600mm；中部是低山丘陵及沖積扇戈壁干旱區(qū)，海拔1 500～2 500m，年平均氣溫7.3～9.2℃，年降水量100～300mm；南部戈壁平原溫帶干旱區(qū)，海拔1 000～ 1 500m，年平均氣溫9.2～11.5℃，年降水量70～100mm。

2 資料和方法

2.1 資料

氣象資料：分布在開都河流域內和周邊的6個氣象站（巴音布魯克、大西溝、巴輪臺、焉耆、和碩、和靜站）1960年1月1日—2010年12月31日的降水量、日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫等氣象資料。

水文資料：焉耆水文站1982年1月1日—1989年12月31日的日平均流量和水位數(shù)據(jù)，焉耆水文站的警戒流量和保證流量等指標數(shù)據(jù)。1960—1989年焉耆站超過警戒流量（500m3/s）和保證流量（800m3/s）的典型洪水過程的日均流量和水位資料。

其他資料：全疆1:5萬DEM數(shù)據(jù)；全國土壤持水力和土地利用數(shù)據(jù)；全疆暴雨洪澇相關歷史災情、實時災情。

2.2 方法

采用HBV水文模型對開都河流域焉耆站以上段的水文過程進行模擬，對水文模型進行率定和驗證，通過水文模型驗證的雨—洪關系求得開都河流域的臨界面雨量。

2.2.1 HBV水文模型

HBV模型是20世紀70年代瑞典氣象水文研究院（SMHI）開發(fā)研制的水文預報模型，是一種基于DEM劃分子流域模擬積雪、融雪、實際蒸散量、土壤水分儲存、地下水埋深和徑流等機制的半分布式的降雨徑流模型[11]，經過幾十年的發(fā)展,模型的不同版本已經在全世界100多個國家得到成功應用[12]。

HBV模型具有靈活易用的特點，模型的參數(shù)數(shù)據(jù)（如降雨、溫度、流量等）是以二進制文件的形式存放于數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)的轉換和共享方便。HBV模型預報的預見期可以是1～24 h，可利用模型計算降水量、降雪量、土壤的含水量及其變化過程、流域或水庫的入流和出流等。實際應用證明HBV水文模型是一個經過良好測試的、易操作的洪水預報工具[13]。

2.2.2 臨界面雨量的確定方法

基于研究流域的水文和氣象資料的情況，整理適用的流量和降水量序列，建立流量與降水量的定量關系，通過HBV水文模型模擬的雨—洪關系并根據(jù)警戒流量、保證流量等指標確定一、二級洪水臨界致災雨量，詳細的計算過程見圖1[14]。

圖1 HBV水文模型計算臨界雨量的流程

3 結果分析

3.1 開都河流域降水的氣候特征分析

選擇巴音布魯克、大西溝、巴輪臺、焉耆、和碩、和靜站的逐日降水資料作為開都河流域的降水進行計算分析，巴音布魯克、大西溝、巴輪臺、焉耆、和碩、和靜站的年降水量分別為268.6mm、477.5mm、206mm、75.2mm、86.8mm和62.6mm，年際降水變率分別為0.58mm/a、1.87mm/a、1.26mm/a、0.45mm/a、0.71、0.53mm/a；最大日降水量分別為46.3mm、40.3mm、79.7mm、39.7mm、57.3mm、49.5mm。

3.2 利用HBV水文模型計算致災洪水臨界雨量

3.2.1 數(shù)據(jù)的整理和準備

（1）使用ARCGIS軟件的水文分析模塊從全疆1:50 000 DEM數(shù)據(jù)中提取開都河流域并對子流域進行劃分，根據(jù)開都河的實際情況來調整子流域面積閾值的大小從而確定合理的子流域個數(shù)，并對劃分好的子流域編號。

（2）統(tǒng)計氣象站點的日最高氣溫、平均氣溫、日最低氣溫和降水數(shù)據(jù)，并按照模型輸入參數(shù)的要求整理。

（3）雨量的插值使用國家氣候中心推薦的R軟件，該插值方法為氣象常用普通克里格，通過雨量插值得到每個子流域中心點位置的降水量。

（4）計算子流域的匯流時間，使用GIS軟件提取每個子流域的河流長度，并使用公式flow length*0.012/1 000計算每個子流域的匯流時間。

（5）流域內土地利用和土壤持水力使用國家氣候中心提供的全國土地利用和土壤持水力柵格數(shù)據(jù)，在GIS軟件中進行數(shù)據(jù)重采樣，將土地利用、土壤持水力、子流域和高程柵格數(shù)據(jù)的投影、柵格大小以及范圍統(tǒng)一，存儲為二進制格式。

3.2.2 模型的率定和驗證

整理好的數(shù)據(jù)通過HBV水文模型的預處理程序計算各子流域的集水面積、匯流時間等參數(shù)，最后運行HBV水文模型主程序中對流域徑流過程進行模擬。當模型的各類數(shù)據(jù)輸入并運行成功后,為了使模型更符合研究區(qū)實際情況,需要對一些非物理參數(shù)和難以確定的物理參數(shù)進行調整,即通過實測數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證[15]。本文在模擬過程中，1982—1985年作為模型的率定期，1986—1989年作為模型的驗證期。在校準和驗證的過程中,通常采用Nash系數(shù)（ME）[16]考查模擬結果與實測值的接近程度,評估模型的適用性。

式中：Qobs為實測值，Qsim為模擬值，Qobs實測平均值，n為實測數(shù)據(jù)個數(shù)。當Qobs=Qsim時，ME=1。ME越接近于1，表明模型效率越高，適用性越好。若ME為負值，表明模型模擬平均值比實測平均值的可信度低。

通過反復調整模型中敏感參數(shù)的值（表1），對開都河流域參數(shù)濾定NASH系數(shù)（ME）達到的最高值為0.73。

表1 HBV模型的敏感參數(shù)及參數(shù)率定結果

完成模型的率定后需要對模型進行驗證（圖2），結果表明在1986—1989年期間，模型模擬結果的Nash效率系數(shù)達到0.75，比率定期Nash效率系數(shù)高，說明模型在開都河流域有較好的適用性，可以用來對流域的徑流過程進行模擬。通過對率定期和驗證期模擬結果進行對比分析，可以看出模擬結果整體的趨勢與實測值較吻合，基本能夠反映出年、月、日徑流量的變化，但是對峰值的模擬存在誤差。

圖2 HBV模型率定結果（1982—1985年）和驗證結果（1986—1989年）

3.3 臨界雨量計算

率定后的HBV模型可以反映流域降水—流量的定量關系，進一步結合焉耆水文站洪水流量與水位的關系（圖3），建立降水—流量—水位之間的關系，從而推算河水達到警戒流量、保證流量時的臨界面雨量。

圖3 焉耆站流量—水位概化關系圖

通過對HBV水文模型的驗證，當模擬的流量達到警戒、保證流量時，即認定此時的面雨量為所對應洪水等級的臨界（面）雨量。由于開都河歷次洪水過程的起漲水位一般都在6.0m以上，通過對收集到的洪水資料進行統(tǒng)計后最終以6.27m作為起始水位，將不同前期水位與雨量代入到模型中，再以焉耆站警戒水位7.67m、保證水位8.93m作為臨界判別條件，分別得出不同前期水位下對應的各級臨界（面）雨量值（表2），需要注意的是這里的雨量值是焉耆站以上流域面雨量。從表2可以看出，臨界致災雨量與流域前期的流量直接相關，前期流量越大，臨界致災雨量就越小。

表2 開都河流域臨界（面）雨量表

3.41960年以來流域洪水過程臨界雨量驗證

查閱歷史上焉耆水文站逐日日均流量超警戒（保證）流量的洪水次數(shù)，焉耆水文站共出現(xiàn)9次（表3），均超過警戒流量但未達到保證流量。

表3 焉耆水文站出現(xiàn)洪峰流量超警戒（保證）流量的洪水過程

根據(jù)陳穎等[17]對烏魯木齊河流域的研究結果，在天山山區(qū)五天累計降水量與洪水的相關性最高。因此對超過警戒流量但未達到保證流量的洪水過程進行分析，分別計算24 h降水量和前5 d的合計降水量，并將其與模擬計算降水量進行對比分析（表3）。從表3可以看出，模擬計算的降水量較24 h實際降水值偏大，同時小于前5 d的降水合計，說明模型考慮了流域徑流的匯流過程，但是在匯流時間的時效上還需進一步的驗證。需要說明的是表3中的9次洪水日數(shù)反映并非累計降水量最大對應流量最大，其中最大24 h降水量為38.39mm，對應的日均流量為518m3/s；最小24 h降水量不足2mm，但是由于前期累計降水量大，5 d合計降水量達到47.25mm，對應的日均流量為511m3/s，說明前期的河流流量和水位與致災臨界雨量直接相關，臨界面雨量值應該是動態(tài)調整的。

4 結論

通過HBV水文模型在開都河流域的應用，表明模型能夠很好地模擬開都河流域徑流過程，可以反映出流域年、月、日徑流量的變化趨勢，說明模型在西北區(qū)域具有較高的適用性。應用HBV水文模型，計算了不同流量和水位所對應的臨界致災面雨量，當基礎水位為6.27m，流量為100m3/s時，臨界一級（保證流量800m3/s）和二級（警戒流量500m3/s）致災雨量分別為50mm和30mm，隨著基礎水位和流量的增加，臨界致災雨量的值在減少，前期的河流流量和水位與致災臨界雨量直接相關，致災臨界雨量值應該是動態(tài)調整的。將通過HBV水文模型計算的臨界雨量與歷史上發(fā)生洪水的24 h和120 h實際降水量進行對比分析，發(fā)現(xiàn)應用HBV水文模型推算的臨界面雨量大于實際24 h降水量，同時小于前5 d的降水合計量，因此在實際的業(yè)務應用中還需要對結果進行進一步的分析和驗證。

HBV水文模型集降雨徑流和融雪徑流模擬于一體,通過概化考慮流域高程、植被等下墊面的差異，從而開展降雨徑流模擬。HBV模型在開都河流域的成功應用，對于西北地區(qū)有融雪性洪水補給的河流徑流模擬來說具有借鑒意義。但是，從模型模擬的結果來看，夏季的模擬效果好于冬季，可能與開都河流域復雜的徑流過程有關，因為在夏季對開都河流域徑流影響最大的因素是降水，而在冬、春季對開都河流域徑流影響的主要因素是氣溫和積雪面積[18]。此外，在模型的應用過程中，主要用收集到的日均流量資料來對模型進行率定和校正，缺乏洪峰資料，影響了模型對洪水峰值的模擬精度，這可能是造成致災臨界雨量值偏大的主要原因之一。因此，未來需要收集典型的洪水過程資料，進一步提高模型在夏季對洪水過程的模擬精度。

對于新疆區(qū)域而言，河流流域面積較大，使用水文模型模擬最大的不足在于流域內氣象和水文資料的缺乏，區(qū)域自動氣象觀測站觀測時間較短且數(shù)據(jù)質量沒有保證，國家一般氣象站數(shù)量少、分布稀疏，而且多數(shù)氣象站點分布在平原區(qū)，對于流域上游和山區(qū)氣象狀況的代表性不強，因此后期通過提升區(qū)域自動觀測站數(shù)據(jù)質量并將其引入模型，會進一步提升模擬效果。

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The Critical Rainfall Calculation in Kaidu River Based on HBV Hydrologicalmodel

FAN Jing，JIANG Yuanan，CHEN Ying，CHEN Pengxiang，BAI Suqin，YU Xingjie
（Xinjiang Climate Center，Urumqi 830002，China）

The HBV hydrologicalmodel was used to simulate the runoff of Kaidu Riverabove the Yanqi hydrologic station in this paper.Based on HBVmodel calibrationand correction,the results show that the runoff process was basicallyaccord with themeasured which can reflect changes of runoff trend in the year,monthand daily.But thereare certain errors on the peak runoff of the simulation results.Through the HBVmodel simulation,calculation the different flowand water level correspond to the critical rainfall.Meanwhile,the paper compared HBV calculation results to 24 hour/120 hour rainfall when the river floods in history.The results show that rainfall by HBV hydrologicalmodel calculation is greater than theactual 24 hour precipitation,maybeassociated with the simulation of flood peak flow.

HBV hydrologicalmodel;Kaidu River;critical Rainfall

S421

B

1002-0799（2014）06-0031-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.005

2014-09-06；

2014-10-14

新疆氣象局面上項目（MS201402）資助。

樊靜（1980-），女，工程師，現(xiàn)從事氣候變化分析及其影響評估工作。E-mail：fanjing365@126.com

樊靜，江遠安，陳穎，等.基于HBV模型的開都河致災洪水臨界雨量分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014,8（6）：31-35.