HBV水文預報模型在白龍江流域的應用研究

王有恒， 譚 丹， 景元書

(1.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所， 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，

中國氣象局 干旱氣候變化與減災重點開放實驗室， 甘肅 蘭州 730020； 2.西北區域氣候中心，

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

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HBV水文預報模型在白龍江流域的應用研究

王有恒1，2， 譚 丹3， 景元書4

(1.中國氣象局 蘭州干旱氣象研究所， 甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，

中國氣象局 干旱氣候變化與減災重點開放實驗室， 甘肅 蘭州 730020； 2.西北區域氣候中心，

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

摘要：[目的] 在白龍江流域武都站以上區域構建HBV水文模型，通過對區域日徑流模擬研究，來評估模型在該區域的適用性。[方法] 在參數敏感性分析的基礎上，對模型參數進行率定和驗證，并分析徑流和降水量的年際變化特征。[結果] (1) 在率定期Nash—Sutcliffe效率系數Ens=0.65，確定性系數R2=0.74，驗證期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對應，HBV模型較好地模擬出了洪水對降水的響應過程。[結論] HBV模型可進一步用于研究氣候變化對白龍江流域水資源的影響。

關鍵詞：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保護中面臨的一個現實問題，氣候變化必然會引起陸地尺度水文演變，研究氣候變化水文響應一個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律和解決水文實踐問題的重要工具[3]。近年來，水文模型發展迅速，涌現出了一些著名的模型，如HBV模型、SWAT模型、SWIM模型、中國新安江模型等[1]。由于自然地理、氣候、產匯流特性等的差異，各類模型在不同流域的適應性有所不同。HBV模型是瑞典國家水文局(SMHI)開發研制的水文預報模型[4]。目前HBV模型已經廣泛應用于歐洲、美洲、澳洲等地區30多個國家的流域洪水預報，取得了良好的預報效果。HBV模型相對于其他模型而言有很多獨特的優點，一方面，HBV模型適應于各種復雜氣候條件下的水文模擬；另一方面，HBV模型具有輸入參數少、適合大流域、模擬精度高等優點[3]。HBV模型在國內也已經得到廣泛應用，趙彥增等[5]利用HBV水文模型對淮河官寨流域進行了模擬研究；靳曉莉等[6]對東江流域進行了模擬研究，指出通過參數區域化，HBV水文模型能有效地應用于東江流域無資料流域的模擬研究；向亮等[1]利用21世紀未來百年氣候變化預估試驗數據，應用HBV模型對灤河流域進行了模擬研究，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模型對白龍江武都水文站以上流域的適用性進行模擬研究，并與實際徑流變化進行對比分析，以期為今后進一步研究氣候變化對白龍江流域水資源的影響提供理論基礎。

1研究區概況

白龍江發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，流經甘肅省迭部縣、岷縣、舟曲縣、宕昌縣、武都區、文縣，在四川省廣元市境內匯入嘉陵江，全長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，甘肅省武都水文站以上流域面積為14 288 km2。白龍江流經地域較為廣闊，地形高差懸殊，氣候類型復雜多樣，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。但是受區域不斷增加的人口壓力和國家經濟建設需要，流域內的森林資源受到嚴重破壞和過渡開發利用，水土流失面積日趨增大，生態系統水源涵養能力減弱，林線大幅上升，僅1989—1998年10 a間，甘肅省舟曲縣境內采伐森林面積達1.2×104hm2，宕昌縣境內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。

由于流域人口持續增長，加之大量開荒墾地，造成大面積的水土流失，加劇了滑坡、泥石流等地質災害的發生，白龍江流域已成為甘肅省水土流失、地質災害最為嚴重的區域之一[9]。

2模型建立和分析方法

2.1　基礎數據

本研究所需空間數據包括數字高程模型(DEM)數據、土地利用數據和水系數據。其中，DEM數據，來源于國家基礎地理信息中心，分辨率為1∶250 000；土地利用數據，來源于寒區旱區科學數據中心，分辨率為1∶100 000；水系數據，來源于國家基礎地理信息中心，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年數據缺失)共12 a的水文數據進行研究。HBV模型所需的氣象數據包括流域內6個氣象站(岷縣、迭部、舟曲、宕昌、文縣、武都)1973—1985年的逐日降水量、氣溫數據。

2.2　模型概述

HBV模型是一個概念性、半分布式水文模型，綜合考慮了降水、氣溫、產流、土壤、匯流等因素。其原理是將流域劃分為多個子流域，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，然后經過河道匯流形成流域總出口的徑流過程。由于結構簡單，輸入數據要求少，參數也比較少，HBV模型被較多地應用于參數區域化研究中。

2.3　模型建立

(1) 利用Map Windows GIS軟件將研究區劃分為15個子流域(圖1)。

圖1　白龍江武都水文站以上流域水系與子流域

(2) 利用相應統計軟件對子流域中心點進行雨量插值，插值結果為15個子流域中心點的逐日降水量和平均氣溫。

(3) 根據模型要求，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) 模型評價標準。模型參數率定采用模型自帶的GAP優化方法來獲得。采用確定性系數(R2)和Nash—Sutcliffe效率系數(Ens)2個指標來度量模擬效果，2個系數反映的是觀測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，后者是一個標準化的統計量，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結果分析

3.1　參數敏感性分析

參數敏感性分析的目的是為了判斷哪些參數值的改變對模型結果影響更大，從而提高模型校準效率。人類活動對流域環境的影響是逐年增加的，20世紀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HBV水文模型進行參數率定。

HBV模型輸入涉及33個參數，一是可直接確定的參數，如流域面積、站點經緯度、氣象要素值等；二是對模式敏感性很低的參數，通常無太大的變化；三是敏感性較高的參數，包括土壤水過程參數(7個)和匯流過程參數(5個)，需要反復調試。本文根據參考文獻[1]和[5]的成果以及以往經驗，采用試錯法將敏感性較高的參數輸入到模型，經過反復調試，對比模擬效果，最終選定最敏感的6個參數，并對其進行校準，校準后結果如表3所示。

3.2　模擬結果分析

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值的吻合度。結果表明，HBV水文模型對武都站以上流域日徑流模擬精度較高，模型在研究區具有很強的適用性。從圖2中可以看到，模擬徑流量較實測徑流量小，原因主要在于： (1) 流域內氣象站點數量少且分布不均，通過氣象站資料插值到流域的氣象數據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，通過統計方法插值得到的降水精度較差，從而對徑流模擬結果影響較大； (2) 用于模型模擬的土地利用和土壤數據為1995年數據，與20世紀70，80年代的下墊面情況有一定的差異； (3) 模型調參過程中存在人為因素，從而影響模擬精度。另外，從圖2中發現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。

表3　敏感性參數及其校準值

圖2　白龍江武都水文站日徑流實測值與模擬值變化

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一致，1980—1985年降水量較小，對應的徑流量也較小，1984年汛期降雨量較大，徑流量也大，并引發了白龍江流域的大洪水。由此可以看出HBV水文預報模型很好的模擬出了洪水對降水的響應過程。

表4　HBV模型模擬效果

注：R2為確定性系數；Ens為效率系數。

4結 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，模型率定期和驗證期的Nash—Sutcliffe效率系數均在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) 由于受氣象站點數量與分布的限制，模型對徑流模擬存在局限性，模擬徑流偏小，因此應用HBV模型需盡可能多地增加流域內雨量點密度，提高降水插值精度。

(3) 模擬徑流與降水量年際變化趨勢相對應，說明HBV模型可以較好地模擬洪水對降水的響應過程，因此可進一步用于研究氣候變化對白龍江流域水資源的影響。

[參考文獻]

[1]向亮,劉學鋒,郝立生,等.未來百年不同排放背景下灤河流域徑流特征分析[J].地理科學進展,2011,30(7):861-866.

[2]顧萬龍,竹磊磊,許紅梅,等. SWAT模型在氣候變化對水資源影響研究中的應用:以河南省中部農業區為例[J].生態學雜志,2010,29(2):395-400.

[3]高紅凱,何曉波,葉柏生,等. 1955—2008年冬克瑪底河流域冰川徑流模擬研究[J].冰川凍土,2011,33(1):171-181.

[4]Bergstr?m S. The HBV model[M]∥Singh V P. Computer Models of Watershed Hydrology. Little Town, Colorado, USA: Water Ressources Publications, 1995:443-476.

[5]趙彥增,張建新,章樹安,等. HBV模型在淮河官寨流域的應用研究[J].水文,2007,27(2):57-60.

[6]靳曉莉,張奇,許崇育.一個概念性水文模型的參數區域化研究:以東江流域為例[J].湖泊科學,2008,20(6):723-732.

[7]趙艷萍,寧娜,齊識.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

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)03-0218-04

中圖分類號：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估工作。E-mail：yhwsmile@126.com。