董立凡，雷向杰，王　倩

(1.咸陽市秦都區(qū)氣象局，陜西咸陽　712000；2.陜西省氣候中心，西安　710014)

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HBV模型在漢江流域的適用性研究

董立凡1，雷向杰2，王倩1

(1.咸陽市秦都區(qū)氣象局，陜西咸陽712000；2.陜西省氣候中心，西安710014)

摘要：利用區(qū)域氣象資料、水文資料、土地利用資料，運用HBV模型對陜西安康水電站上游漢江流域進行日徑流深模擬并嘗試確定致災臨界面雨量值。結果表明：HBV模型在安康水電站上游流域具有較好的適用性，在率定期模型對日徑流深模擬的確定性系數(shù)為0.84，Nash效率系數(shù)為0.72，驗證期確定性系數(shù)為0.87，Nash效率系數(shù)為0.75；通過安康水電站逐日水位資料，根據不同基礎水位，確定了安康水電站上游流域24 h臨界面雨量值，此值可為水電站汛期防汛泄洪工作提供有益參考。

關鍵詞：HBV水文模型；漢江流域；徑流深；臨界面雨量

漢江發(fā)源于漢中市的寧強縣，而后向東南先后穿越陜南的漢中、安康等市。陜南屬于亞熱帶季風氣候，在汛期期間(5—10月)受西南季風影響，加上秦嶺山地抬升作用，往往易形成暴雨天氣，造成陜南地區(qū)的洪水災害。近幾十年來，安康古城多次被洪水淹沒，其中最嚴重的一次洪災出現(xiàn)在1983年7月31日，洪水沖毀老城，造成八百多人死亡，經濟損失高達4.1億元。因此對安康水電站的入庫流量預報預警研究具有十分重要的意義。

預報洪水最有效的方法是運用氣象、水利、水文以及包括土壤利用資料在內的地理信息等資料，應用水文模型模擬，最終確定入庫流量。目前我國以集總式與全分布式水文模型運用較多，但模型涉及參數(shù)較多，調試不便。HBV模型為瑞典國家水文氣象局開發(fā)的一種半分布式水文模型，具有模型簡單、輸入參數(shù)少、適合于大流域等優(yōu)點。HBV模型在國內已經得到廣泛的運用，邱粲[1]等通過比較HBV和ANN(人工神經網絡)模型，指出HBV模型對于洪水的物理過程反應更好；靳曉莉[2]等指出HBV模型通過參數(shù)區(qū)域化可以有效的應用于東江無資料流域的模擬；劉義華[3]等證明了HBV模型在玉樹巴塘河流域具有很好的適用性；樊靜[4]等利用HBV水文模型對開都河流域進行了模擬研究，大量文獻[5-8]證明HBV模型在中國多數(shù)地區(qū)具有較好的適用性。但漢江流域陜南段地形復雜，流域內山地峽谷盆地相互交錯，地形褶皺起伏，HBV模型能否較好的模擬復雜山地地形洪水對降水的響應過程？本研究嘗試采用HBV模型來模擬復雜山地地形的水文過程，即對安康水電站上游流域的日徑流深進行模擬，通過對比模擬結果與實際徑流深數(shù)據，最終確定HBV模型在安康水電站上游流域的適用性。為安康水電站入庫流量預報預警、防汛泄洪提供有益參考，為政府部門防災減災決策提供依據。

1研究區(qū)概況

安康水電站位于陜西省安康市漢濱區(qū)上游的瀛湖風景區(qū)內，距安康城西18 km。壩址上游流域發(fā)源于寧強縣境內，流經勉縣，漢中漢臺區(qū)、石泉、安康，上游有褒河、胥水河、子午河、牧馬河、月河等幾條主要支流，流域面積為35 700 km2，多年平均流量608 m3/s。

安康水電站上游流域屬亞熱帶季風氣候，雨量豐沛，年分布不均，夏秋季徑流相近，各占37%～40%，春季徑流占16.6%～17.5%，冬季僅占5.0%～6.7%。流域地形以褶皺隆起的中低山區(qū)為主，以峽谷與盆地相互交錯，屬山地蜿蜒性河道，水流湍急。

2資料與分析方法

2.1資料

資料采用安康水電站上游流域10個氣象站2009—2014年逐日最低氣溫、最高氣溫、平均氣溫和降水量，2009—2014年安康電站逐日實測入庫流量，安康水電站上游流域90 m分辨率的數(shù)字高程、陜西土地利用表、土壤持水力等地理信息。

2.2分析方法

HBV模型為概念性、半分布式水文模型，首先根據土地利用狀況、海拔高度、降雨空間分布以及植被覆蓋類型將流域劃分為多個子流域，然后根據氣象站點降雨量插值結果、土壤持水力大小、匯流時間和流域地形模擬各個子流域的徑流，最后模擬匯流到流域總出口的徑流過程。模型考慮了土壤蓄水量、上層土壤消退能力、下層土壤滲透能力以及蒸散估算、產流過程、匯流過程等因素，較為客觀的模擬了匯流形成流域出口斷面的徑流過程。

模型包括土壤模塊、響應模塊和匯流模塊，輸出結果為模擬徑流深數(shù)據。模型涉及31個參數(shù)，其中敏感參數(shù)6個，參數(shù)的每一次調整都會引起模擬結果的變化。為了確定模型的適用性，對比2009—2014年實測逐日徑流數(shù)據與模擬結果，其中2009—2011年為率定期來確定參數(shù)；2012—2014年作為驗證期，反復驗證模型對漢江流域的適用性。對模型的模擬結果與實況際進行比較，從而劃分不同水位對應的臨界面雨量值。

模型采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)即Nash系數(shù)和確定性系數(shù)(R2)對模擬效果進行率定和評價，兩個系數(shù)均反映了模擬結果和實測結果的吻合程度。一般來說Nash系數(shù)與確定性系數(shù)為0～1，越接近于1，模擬效果越好，如果為負值說明模擬效果較差。

3模型模擬結果分析

3.1模型敏感參數(shù)

HBV模型認為無論何種形式形成的徑流都是下墊面要素共同作用的結果。參數(shù)BETA反應了下墊面的蓄水能力，決定了進入土壤的降水量，與土壤類型和土地利用類型有關。研究區(qū)以山地地形為主，模擬結果發(fā)現(xiàn)BETA值在1～2之間時模擬結果與實際情況相近，能較好反應山地地區(qū)土壤的蓄水能力。

模型將徑流的形成概化為上下兩層“水庫”，由濕潤土壤區(qū)中產生的水量都會被存儲到上層水庫中，在上層有水的前提下，水會向下滲透(向下滲透的能力參數(shù)為PERC)，研究發(fā)現(xiàn)PERC參數(shù)在2.0～2.5能較好反應研究區(qū)土壤滲透能力。當上層水庫的蓄水量大于徑流閾值時，上層多余水量會根據上層土壤的消退能力從表層出口流出，形成地表徑流，而滲透到下層的水量根據下層土壤的消退能力形成基流部分。將不同敏感參數(shù)組合輸入模型進行模擬，確定幾個重要敏感參數(shù)參考值(表1)。

3.2率定期

將敏感參數(shù)的參考校驗值輸入HBV模型中，對比2009—2011年的模擬結果與實際徑流深，采用逐一試錯法調整幾個敏感參數(shù)值對參數(shù)進行率定。圖1給出了安康電站上游流域的徑流模擬過程，可以看出經過率定后模擬徑流深的確定性系數(shù)為0.84，Nash效率系數(shù)為0.72。率定后的模型對流域日徑流深的模擬效果較好，能較好的反應安康電站上游流域的水文過程。

表1　6個敏感性參數(shù)及參考校驗值

圖1　2009—2011年漢江流域HBV模型徑流深模擬結果與實況對比(橫坐標每31 d為一組，共35組數(shù)據，第36組為11 d)

3.3驗證期

為進一步檢驗HBV模型對漢江流域的模擬效果，利用2012—2014年的逐日氣象、水文數(shù)據對模型適用性進行再次驗證(圖2)，對日徑流深模擬的確定性系數(shù)為0.87，Nash效率系數(shù)為0.75，模擬出的水文過程與實際情況大致吻合，可以看出率定后的模型對安康水電站上游流域具有很好的適用性，尤其是對近幾年的洪峰模擬與實際洪峰基本接近一致。但春季4月模擬結果不穩(wěn)定，研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)地處秦嶺山與大巴山之間，高山春季融雪可能是模型在4月模擬結果不穩(wěn)定的主要原因。

圖2　2012—2014年漢江流域HBV模型徑流深模擬結果與實況對比(橫坐標每31 d為一組，共35組數(shù)據，第36組為10 d)

4臨界面雨量確定

驗證后的HBV模型可以反映降雨量和流量的定量關系，根據安康水電站提供的水位庫容關系可以確定流量和水位的關系。二者相結合最終建立降水量、流量、水位三者之間的關系，從而進一步可確定不同水位所對應的面雨量大小。

漢江流域致洪強降水主要集中在汛期，通過對歷年洪水變化分析發(fā)現(xiàn)24 h降水量能更好的響應洪水過程，因此劃分24 h不同起漲水位下的臨界面雨量較為客觀。去除水電站每日正常發(fā)電因素影響，安康水電站汛前起漲水位一般在315 m以上，通過對多年洪水資料統(tǒng)計平均，以320 m作為起始水位，再以安康水電站汛期限制水位325 m、正常高水位330 m作為臨界水位，得出前期不同起漲水位所對應的24 h臨界面雨量值(圖3)。

圖3　安康水電站不同起漲水位對應的24 h臨界面雨量

5結論與討論

(1)HBV模型在安康水電站上游流域具有較好的適用性，模型模擬結果表明率定期模型對安康電廠模擬的確定性系數(shù)為0.84，Nash效率系數(shù)為0.72，模擬出的水文過程與實際情況基本吻合。驗證期模型的確定性系數(shù)為0.87，Nash系數(shù)為0.75，模型對洪峰過程的模擬與實際情況基本保持一致。

(2)模型在4月左右的模擬結果不穩(wěn)定，總體較實際情況略偏大，可能與春季高山融雪有關，一定程度上影響了洪水模擬效果。

(3)根據模型模擬結果可以建立水位、流量與雨量的關系，可作為確定臨界致災雨量的一種有效方法，為安康水電站汛期防汛泄洪工作提供一種有益的參考。

由于陜南地形具有本地的地域特色，模型的敏感參數(shù)值也應隨著實際情況慢慢調整，隨著今后汛期較大降水過程，逐步去驗證完善模型模擬結果的有效性。

參考文獻：

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文章編號：1006-4354(2016)04-0023-04

收稿日期：2015-02-29

作者簡介：董立凡(1991—)，男，陜西西安人，學士，助工，從事短期預報工作。

基金項目：公益性行業(yè)(氣象)專項(GYHY201306027-01)

中圖分類號：P339

文獻標識碼：A

董立凡，雷向杰，王倩.HBV模型在漢江流域的適用性研究[J].陜西氣象，2016(4)：23-26.