王有恒， 譚 丹， 景元書

(1.中國(guó)氣象局 蘭州干旱氣象研究所， 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

中國(guó)氣象局 干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730020； 2.西北區(qū)域氣候中心，

甘肅 蘭州 730020； 3.蘭州中心氣象臺(tái)， 甘肅 蘭州 730020； 4.南京信息工程大學(xué)， 江蘇 南京 210044)

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HBV水文預(yù)報(bào)模型在白龍江流域的應(yīng)用研究

王有恒1，2， 譚 丹3， 景元書4

(1.中國(guó)氣象局 蘭州干旱氣象研究所， 甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

中國(guó)氣象局 干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730020； 2.西北區(qū)域氣候中心，

甘肅 蘭州 730020； 3.蘭州中心氣象臺(tái)， 甘肅 蘭州 730020； 4.南京信息工程大學(xué)， 江蘇 南京 210044)

摘要：[目的] 在白龍江流域武都站以上區(qū)域構(gòu)建HBV水文模型，通過對(duì)區(qū)域日徑流模擬研究，來評(píng)估模型在該區(qū)域的適用性。[方法] 在參數(shù)敏感性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并分析徑流和降水量的年際變化特征。[結(jié)果] (1) 在率定期Nash—Sutcliffe效率系數(shù)Ens=0.65，確定性系數(shù)R2=0.74，驗(yàn)證期Ens=0.60,R2=0.70，HBV模型在該流域模擬精度較高，具有較好的適用性； (2) 降水量與模擬徑流變化趨勢(shì)對(duì)應(yīng)，HBV模型較好地模擬出了洪水對(duì)降水的響應(yīng)過程。[結(jié)論] HBV模型可進(jìn)一步用于研究氣候變化對(duì)白龍江流域水資源的影響。

關(guān)鍵詞：HBV水文模型；白龍江；徑流

氣候變化如何影響水資源是流域生態(tài)保護(hù)中面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，氣候變化必然會(huì)引起陸地尺度水文演變，研究氣候變化水文響應(yīng)一個(gè)重要的途徑就是利用水文模型[1-2]，水文模型是研究水文自然規(guī)律和解決水文實(shí)踐問題的重要工具[3]。近年來，水文模型發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出了一些著名的模型，如HBV模型、SWAT模型、SWIM模型、中國(guó)新安江模型等[1]。由于自然地理、氣候、產(chǎn)匯流特性等的差異，各類模型在不同流域的適應(yīng)性有所不同。HBV模型是瑞典國(guó)家水文局(SMHI)開發(fā)研制的水文預(yù)報(bào)模型[4]。目前HBV模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于歐洲、美洲、澳洲等地區(qū)30多個(gè)國(guó)家的流域洪水預(yù)報(bào)，取得了良好的預(yù)報(bào)效果。HBV模型相對(duì)于其他模型而言有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，一方面，HBV模型適應(yīng)于各種復(fù)雜氣候條件下的水文模擬；另一方面，HBV模型具有輸入?yún)?shù)少、適合大流域、模擬精度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。HBV模型在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，趙彥增等[5]利用HBV水文模型對(duì)淮河官寨流域進(jìn)行了模擬研究；靳曉莉等[6]對(duì)東江流域進(jìn)行了模擬研究，指出通過參數(shù)區(qū)域化，HBV水文模型能有效地應(yīng)用于東江流域無資料流域的模擬研究；向亮等[1]利用21世紀(jì)未來百年氣候變化預(yù)估試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用HBV模型對(duì)灤河流域進(jìn)行了模擬研究，模擬效果較好，指出模型在灤河流域具有很好的適用性。

本文僅就HBV模型對(duì)白龍江武都水文站以上流域的適用性進(jìn)行模擬研究，并與實(shí)際徑流變化進(jìn)行對(duì)比分析，以期為今后進(jìn)一步研究氣候變化對(duì)白龍江流域水資源的影響提供理論基礎(chǔ)。

1研究區(qū)概況

白龍江發(fā)源于甘肅省甘南藏族自治州碌曲縣與四川省若爾蓋縣交界的郎木寺，流經(jīng)甘肅省迭部縣、岷縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區(qū)、文縣，在四川省廣元市境內(nèi)匯入嘉陵江，全長(zhǎng)576 km，流域面積31 808 km2。白龍江流域位于甘肅省和四川省境內(nèi)，甘肅省武都水文站以上流域面積為14 288 km2。白龍江流經(jīng)地域較為廣闊，地形高差懸殊，氣候類型復(fù)雜多樣，流域年平均溫度為15 ℃左右，年降水量449～912 mm，降水多集中在春夏兩季[7-8]。

白龍江流域歷史上曾遍布茂密的天然森林，是甘肅省最大的原始林區(qū)。但是受區(qū)域不斷增加的人口壓力和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要，流域內(nèi)的森林資源受到嚴(yán)重破壞和過渡開發(fā)利用，水土流失面積日趨增大，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力減弱，林線大幅上升，僅1989—1998年10 a間，甘肅省舟曲縣境內(nèi)采伐森林面積達(dá)1.2×104hm2，宕昌縣境內(nèi)流域以南林線由海拔1 000 m上升到2 000 m以上，半山、低山以及河谷地帶天然林資源基本被破壞。

由于流域人口持續(xù)增長(zhǎng)，加之大量開荒墾地，造成大面積的水土流失，加劇了滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，白龍江流域已成為甘肅省水土流失、地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[9]。

2模型建立和分析方法

2.1　基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本研究所需空間數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)和水系數(shù)據(jù)。其中，DEM數(shù)據(jù)，來源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，分辨率為1∶250 000；土地利用數(shù)據(jù)，來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，分辨率為1∶100 000；水系數(shù)據(jù)，來源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，分辨率為1∶250 000。

水文資料采用武都水文站逐日流量資料，由于20世紀(jì)90年代之前，流域受水利工程等人為因素影響較小，下墊面能夠保持一致，在此本文選取武都水文站1973—1985年(其中1976年數(shù)據(jù)缺失)共12 a的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。HBV模型所需的氣象數(shù)據(jù)包括流域內(nèi)6個(gè)氣象站(岷縣、迭部、舟曲、宕昌、文縣、武都)1973—1985年的逐日降水量、氣溫?cái)?shù)據(jù)。

2.2　模型概述

HBV模型是一個(gè)概念性、半分布式水文模型，綜合考慮了降水、氣溫、產(chǎn)流、土壤、匯流等因素。其原理是將流域劃分為多個(gè)子流域，利于考慮下墊面和降雨空間分布差異，并分別模擬各子流域的徑流過程，然后經(jīng)過河道匯流形成流域總出口的徑流過程。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入數(shù)據(jù)要求少，參數(shù)也比較少，HBV模型被較多地應(yīng)用于參數(shù)區(qū)域化研究中。

2.3　模型建立

(1) 利用Map Windows GIS軟件將研究區(qū)劃分為15個(gè)子流域(圖1)。

圖1　白龍江武都水文站以上流域水系與子流域

(2) 利用相應(yīng)統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)子流域中心點(diǎn)進(jìn)行雨量插值，插值結(jié)果為15個(gè)子流域中心點(diǎn)的逐日降水量和平均氣溫。

(3) 根據(jù)模型要求，分別建立子流域土壤持水能力(FC)文件(表1)和土地利用類型文件(表2)。

(4) 模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。模型參數(shù)率定采用模型自帶的GAP優(yōu)化方法來獲得。采用確定性系數(shù)(R2)和Nash—Sutcliffe效率系數(shù)(Ens)2個(gè)指標(biāo)來度量模擬效果，2個(gè)系數(shù)反映的是觀測(cè)徑流量和模擬流量之間的吻合度，前者用來度量均值的模擬效果，后者是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)計(jì)量，用來度量極值的模擬效果。

表1　白龍江流域各子流域土壤持水能力(FC)值

表2　白龍江武都水文站以上流域土地利用類型劃分

3結(jié)果分析

3.1　參數(shù)敏感性分析

參數(shù)敏感性分析的目的是為了判斷哪些參數(shù)值的改變對(duì)模型結(jié)果影響更大，從而提高模型校準(zhǔn)效率。人類活動(dòng)對(duì)流域環(huán)境的影響是逐年增加的，20世紀(jì)70年代，流域受水利工程等人為因素影響較小，下墊面能夠保持一致，因此選取武都水文站以上流域1973—1975年的天然逐日流量序列對(duì)HBV水文模型進(jìn)行參數(shù)率定。

HBV模型輸入涉及33個(gè)參數(shù)，一是可直接確定的參數(shù)，如流域面積、站點(diǎn)經(jīng)緯度、氣象要素值等；二是對(duì)模式敏感性很低的參數(shù)，通常無太大的變化；三是敏感性較高的參數(shù)，包括土壤水過程參數(shù)(7個(gè))和匯流過程參數(shù)(5個(gè))，需要反復(fù)調(diào)試。本文根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]和[5]的成果以及以往經(jīng)驗(yàn)，采用試錯(cuò)法將敏感性較高的參數(shù)輸入到模型，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，對(duì)比模擬效果，最終選定最敏感的6個(gè)參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后結(jié)果如表3所示。

3.2　模擬結(jié)果分析

圖2給出了武都水文站以上流域日徑流模擬過程，在模型率定期，Ens=0.65，R2=0.74；在驗(yàn)證期，Ens=0.60,R2=0.70。表4給出了HBV模型模擬的日徑流量與觀測(cè)值的吻合度。結(jié)果表明，HBV水文模型對(duì)武都站以上流域日徑流模擬精度較高，模型在研究區(qū)具有很強(qiáng)的適用性。從圖2中可以看到，模擬徑流量較實(shí)測(cè)徑流量小，原因主要在于： (1) 流域內(nèi)氣象站點(diǎn)數(shù)量少且分布不均，通過氣象站資料插值到流域的氣象數(shù)據(jù)存在一定的不確定性，特別是降水的插值精度不夠，降水受海拔、地形、下墊面等因素的影響較多，通過統(tǒng)計(jì)方法插值得到的降水精度較差，從而對(duì)徑流模擬結(jié)果影響較大； (2) 用于模型模擬的土地利用和土壤數(shù)據(jù)為1995年數(shù)據(jù)，與20世紀(jì)70，80年代的下墊面情況有一定的差異； (3) 模型調(diào)參過程中存在人為因素，從而影響模擬精度。另外，從圖2中發(fā)現(xiàn)汛期模擬要好于非汛期模擬，這可能與非汛期降水量較少以及未考慮春汛融雪有關(guān)。

表3　敏感性參數(shù)及其校準(zhǔn)值

圖2　白龍江武都水文站日徑流實(shí)測(cè)值與模擬值變化

徑流與降水年際變化如圖2b所示，降水量和徑流量年際變化趨勢(shì)一致，1980—1985年降水量較小，對(duì)應(yīng)的徑流量也較小，1984年汛期降雨量較大，徑流量也大，并引發(fā)了白龍江流域的大洪水。由此可以看出HBV水文預(yù)報(bào)模型很好的模擬出了洪水對(duì)降水的響應(yīng)過程。

表4　HBV模型模擬效果

注：R2為確定性系數(shù)；Ens為效率系數(shù)。

4結(jié) 論

(1) HBV模型在白龍江武都水文站以上流域具有較好的適用性，模型率定期和驗(yàn)證期的Nash—Sutcliffe效率系數(shù)均在0.6以上，模擬效果比較理想，能較好的模擬出徑流變化特征。

(2) 由于受氣象站點(diǎn)數(shù)量與分布的限制，模型對(duì)徑流模擬存在局限性，模擬徑流偏小，因此應(yīng)用HBV模型需盡可能多地增加流域內(nèi)雨量點(diǎn)密度，提高降水插值精度。

(3) 模擬徑流與降水量年際變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)，說明HBV模型可以較好地模擬洪水對(duì)降水的響應(yīng)過程，因此可進(jìn)一步用于研究氣候變化對(duì)白龍江流域水資源的影響。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]顧萬龍,竹磊磊,許紅梅,等. SWAT模型在氣候變化對(duì)水資源影響研究中的應(yīng)用:以河南省中部農(nóng)業(yè)區(qū)為例[J].生態(tài)學(xué)雜志,2010,29(2):395-400.

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[7]趙艷萍,寧娜,齊識(shí).白龍江流域近40 a氣候變化特征分析[J].人民黃河,2012,34(10):41-43.

[8]尹道舉.白龍江流域暴雨洪水特性[J].西北水電,1992(4):21-24.

[9]趙萬奎,張富,安平山.甘肅白龍江流域水土流失成因分析及治理對(duì)策[J].甘肅科技,2013,29(20):5-7.

Application of HBV Hydrology Model in Bailong River Basin

WANG Youheng1,2, TAN Dan3, JING Yuanshu4

(1.LanzhouInstituteofAridMeteorology,ChinaMeteorologicalAdministration,KeyLaboratoryofAridClimateChangeandReducingDisasterofGansuProvince,KeyOpenLaboratoryofClimaticChangeandDisasterReduction,Lanzhou,Gansu730020,China; 2.NorthwestRegionalClimateCenter,Lanzhou,Gansu730020,China; 3.LanzhouMeteorologicalObservatoryCenter,Lanzhou,Gansu730020,China; 4.NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing,Jiangsu210044,China)

Abstract：[objective] The conceptual semi-distributed rainfall—runoff model, HBV, was examined in the Bailong river basin upstream the Wudu hydrological station, and it was applied to simulate the daily runoff in order to evaluate the applicability of the model in the area. [Methods] The parameters of HBV were calibrated and validated on the basis of sensitivity analysis, and the annual variation characteristics of the runoff and precipitation were analyzed. [Results] During the calibration period, theEnswas 0.65, and theR2was 0.74; and during the verification period, theEnswas 0.60 andR2was 0.70. Both of these indicated that the model could be successfully applied to simulate the daily runoff. Beside, the response of flooding to precipitation can be simulated better to HBV model. [Conclusion] The HBV model can be used for further studies of the impacts of climate changes on water resources.

Keywords:HBV hydrology model; Bailong river; run off

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0218-04

中圖分類號(hào)：P334

收稿日期：2014-03-18修回日期：2014-05-15

第一作者：王有恒(1984—)，男(漢族)，青海省貴德縣人，碩士，工程師，主要從事氣候變化與影響評(píng)估工作。E-mail：yhwsmile@126.com。