HBV模型在富春江水庫流域臨界致災(zāi)面雨量確定中的應(yīng)用

潘婭英, 馬得蓮, 張 青, 王亞男, 駱月珍

(1.浙江省氣象服務(wù)中心, 浙江 杭州 310017; 2.浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司, 浙江 溫州 325000)

浙江省屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季低溫少雨。省內(nèi)江河眾多，流域面積占全省陸域面積的47%。特定的地域位置、氣象條件以及地形地貌特點(diǎn)，決定了浙江省是一個(gè)洪澇、干旱災(zāi)害最為頻繁發(fā)生的省份。另一方面，浙江省水庫較多，水庫調(diào)度受天氣的影響極大，當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降水引發(fā)流域洪水時(shí)，水庫水位迅速升高，如果調(diào)度不當(dāng), 則將嚴(yán)重影響水電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和水庫綜合效益的發(fā)揮。因此，讓氣象和水文信息更好地有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流域洪澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警，重點(diǎn)在于研究流域徑流和降水的相應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定流域的致災(zāi)臨界面雨量[1-2]，為電力、水庫、水文、政府等部門提供流域暴雨、徑流預(yù)報(bào)以及流域洪水致災(zāi)預(yù)警，為其制定科學(xué)的防洪防汛方案提供重要參考依據(jù)。因此，本研究基于浙江省富春江流域?qū)崪y(cè)徑流與HBV模型模擬徑流的對(duì)比，研究分析HBV模型對(duì)于富春江流域徑流序列模擬的適用性，并通過水位與徑流量的關(guān)系，得到該流域各級(jí)水位的臨界致災(zāi)面雨量，為暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和評(píng)估業(yè)務(wù)提供服務(wù)產(chǎn)品，為富春江水庫的生產(chǎn)調(diào)度提供重要依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)富春江水力發(fā)電站位于浙江省杭州市桐廬縣境內(nèi)，錢塘江干流中游富春江七里垅峽谷的出口處，電站于1968年12月建成發(fā)電，是一座低水頭徑流式日調(diào)節(jié)水電站。水庫控制流域面積31 645 km2，干流長(zhǎng)309.8 km，正常高水位23 m，庫容4.40×108m3剛才。電站有6臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量3.60×105kW·h，發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)流量均為500 m3/s。溢流壩為混泥土實(shí)體重力壩，有泄洪孔17個(gè)，最大泄洪量1.87×104m3/s。由于水庫庫容小，流域面積大，雨水充沛，洪水頻繁，棄水機(jī)會(huì)多，為了開展科學(xué)的水庫調(diào)度以及調(diào)節(jié)水庫上下游洪澇災(zāi)害的影響，更好地發(fā)揮電站潛力，充分利用水力資源，因此需要更加合理地利用氣象信息。

2 資料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)包括2001—2010年富春江水庫流域內(nèi)18個(gè)水文站的降雨資料和8個(gè)氣象站點(diǎn)(開化、江山、衢州、東陽、永康、金華、蘭溪、建德)的逐日最高(低)氣溫、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、日降水量等氣象要素資料。水文數(shù)據(jù)包括2001—2010年富春江水電站實(shí)測(cè)的入庫流量、水位資料。高程數(shù)據(jù)為分辨率90 m的數(shù)據(jù)，來自于中國(guó)科學(xué)院國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。土地利用數(shù)據(jù)為1:10萬的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，流域面雨量通過各站點(diǎn)的降水量資料由泰森多邊形法計(jì)算得到。

2.2 HBV模型

HBV模型[3-5]是瑞典水利氣象研究中心在20世紀(jì)70年代開發(fā)研制的基于DEM劃分子流域的半分布式概念性水文模型，目前已被應(yīng)用于流域水文過程模擬和流域?qū)Σ煌臍夂蜃兓⑺Y源評(píng)估、冰川物質(zhì)平衡等領(lǐng)域，具有輸入?yún)?shù)少，物理意義明確，結(jié)構(gòu)層次清晰，適用性強(qiáng)和模擬精度高等優(yōu)點(diǎn)。模型綜合考慮了多種影響徑流的因素，把降雨、融雪、產(chǎn)匯流、模型率定和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)等相結(jié)合，形成了一套完整的模型預(yù)報(bào)方案。模型由氣候資料插值、蒸散發(fā)估算、土壤濕度計(jì)算過程、產(chǎn)流過程、匯流過程等模塊組成。模型充分考慮下墊面和降水空間分布的差異，將流域劃分為多個(gè)子流域，分別模擬各子流域的徑流過程，之后經(jīng)過河道匯流形成流域出口的徑流過程。模型輸入數(shù)據(jù)包括：研究區(qū)DEM、土地利用數(shù)據(jù)、土壤持水能力、日平均氣溫、日最低氣溫、日最高氣溫、日降水量等，輸出為各子流域和總出水口的日徑流深。模型參數(shù)包括積雪和融雪參數(shù)、溫度閾值參數(shù)、退水系數(shù)等30多個(gè)有物理意義的參數(shù)，通過調(diào)整參數(shù)使模型在率定期內(nèi)達(dá)到最優(yōu)擬合。為了判別HBV模型的模擬效果，究采用R2和ME系數(shù)來衡判別型模擬值與觀測(cè)值之間的擬合程度，其表達(dá)式為：

(1)

(2)

3 HBV模型在富春江流域的應(yīng)用

3.1 HBV模型適用性評(píng)價(jià)

運(yùn)行HBV模型，需要準(zhǔn)備基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)。首先利用GIS軟件通過投影變換得到富春江流域的高程數(shù)字地形圖，并對(duì)輸入柵格數(shù)據(jù)DEM進(jìn)行處理，結(jié)合水系圖劃分子流域,在此基礎(chǔ)上根據(jù)不同土地利用和土壤類型的組合在每一個(gè)子流域內(nèi)進(jìn)一步劃分水文相應(yīng)單元，然后，再分別輸入各子流域的土地利用數(shù)據(jù)和土壤持水力數(shù)據(jù)，通過計(jì)算逐個(gè)水文響應(yīng)單元的徑流量，最后得到流域的總徑流量(圖1)。

選取富春江流域2001年1月1日到2006年12月31日的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定，確定模型參數(shù)，2007年1月1日到2010年12月31日為模型驗(yàn)證期，用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M效果。

經(jīng)模型率定結(jié)果顯示，在率定期內(nèi)模型的NASH系數(shù)為0.64(圖2—3)，模擬與實(shí)測(cè)徑流的過程分布比較一致，模擬徑流峰值區(qū)與大降水的實(shí)況分布比較一致，模擬洪峰與實(shí)測(cè)值的平均相對(duì)誤差小于5%。經(jīng)過率定后的HBV模型在富春江流域的整體模擬效果具有較好的適用性。

圖2 富春江流域率定期日徑流模擬與實(shí)測(cè)的比較

驗(yàn)證期內(nèi)模擬情況與率定期大致相似，驗(yàn)證期內(nèi)模型的NASH系數(shù)為0.61，模擬徑流值與實(shí)測(cè)徑流分布比較一致，可見，HBV水文模型對(duì)富春江流域日徑流模擬比較一致，模型在該區(qū)域具有一定的適用性。

3.2 水庫臨界面雨量的確定

3.2.1 降水、徑流與水位三者的關(guān)系 流域洪水是否達(dá)到致災(zāi)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)水位來判定的，水庫的警戒水位就是這樣一個(gè)判定洪水是否達(dá)到調(diào)度致災(zāi)預(yù)警等級(jí)的指標(biāo)。利用HBV模型可以建立降水和徑流的響應(yīng)關(guān)系；由于水庫的水位與庫容的對(duì)應(yīng)關(guān)系是確定的，圖4為富春江水庫的水位庫容關(guān)系圖。假設(shè)水庫沒有發(fā)電泄洪，其出庫流量為零時(shí)，水庫入庫徑流引起水位升高、庫容增加，則此時(shí)的入庫徑流與庫容的增量近似相等，由此可以建立徑流與水位的關(guān)系；HBV模型輸出的徑流通過庫容與水位關(guān)系得到對(duì)應(yīng)的水位數(shù)據(jù)。至此建立了由降水到徑流，由徑流到水位三者的關(guān)系[8-9]。根據(jù)不同的警戒水位回算出對(duì)應(yīng)的臨界面雨量，從而為暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和評(píng)估業(yè)務(wù)中提供重要的參考依據(jù)。

圖4 富春江水庫水位-庫容關(guān)系

3.2.2 不同前期水位的致災(zāi)臨界雨量 流域洪水災(zāi)害的發(fā)生是氣象、地形、下墊面和水利防洪設(shè)施等要素共同作用的結(jié)果，而致災(zāi)臨界面雨量是一個(gè)與前期水文條件、流域自身狀態(tài)等多方因素密切相關(guān)的動(dòng)態(tài)值[10]，首先按照?qǐng)D5運(yùn)行HBV模型讓水位升高到一定高度，該水位作為前期基礎(chǔ)水位，然后給定一個(gè)面雨量值進(jìn)行徑流模擬，當(dāng)模擬輸出的徑流對(duì)應(yīng)的水位沒有達(dá)到臨界水位時(shí)，調(diào)整面雨量值的輸入，繼續(xù)通過HBV模型進(jìn)行模擬，當(dāng)輸出的徑流對(duì)應(yīng)的水位達(dá)到臨界水位時(shí)，就把此時(shí)對(duì)應(yīng)的面雨量值作為臨界雨量。

圖5 HBV模型確定致災(zāi)臨界面雨量流程圖

富春江水庫日常的生產(chǎn)調(diào)度水位一般控制在21.5～23.5 m之間運(yùn)行，23.5m為其警戒水位，24.7 m為設(shè)計(jì)洪水位(百年一遇洪水位)。當(dāng)預(yù)計(jì)水位超出23.5 m小于24.7 m時(shí)，水庫一般采取發(fā)電泄洪的方式將水位下調(diào)；當(dāng)預(yù)計(jì)水位超過24.7m時(shí)，則采取開閘泄洪的方式加速降低水位。因此富春江水庫流域以23.5,24.7 m作為2個(gè)臨界判別條件，研究得出前期不同水位下對(duì)應(yīng)的24 h臨界面雨量值閾值的分析結(jié)果(圖6)。由此可知，臨界雨量與前期水位的關(guān)系為非線性特征，臨界雨量隨前期基礎(chǔ)水位升高而減小。當(dāng)河流水位達(dá)到相應(yīng)最高位時(shí)，河道土壤比較松軟，這個(gè)時(shí)期即使有較小的降水，也有可能導(dǎo)致洪水致災(zāi)。

圖6 警戒水位和設(shè)計(jì)洪水水位下前期不同水位的臨界面雨量

4 結(jié) 論

應(yīng)用HBV水文模型模擬富春江流域徑流量，在序列的率定期和驗(yàn)證期，模擬與實(shí)測(cè)的徑流過程分布一致，模擬徑流峰值區(qū)與大降水的實(shí)況分布比較一致，模擬與實(shí)測(cè)洪峰的平均相對(duì)誤差小于5%。經(jīng)率定后的HBV模型在富春江流域的整體模擬效果較好。可見對(duì)于富春江流域這樣面積較大，HBV在此具有一定的適用性。

另外，通過建立降水、徑流、水位三者的響應(yīng)關(guān)系，確定水庫在警戒水位、設(shè)計(jì)洪水位時(shí)不同前期水位的臨界面雨量。該氣象產(chǎn)品主要是針對(duì)于氣象部門在暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和評(píng)估業(yè)務(wù)中的應(yīng)用研發(fā)的。當(dāng)面雨量預(yù)報(bào)達(dá)到臨界面雨量值時(shí)，氣象部門可向水庫、電力、防汛等相關(guān)單位和部門提供，雨量、徑流預(yù)報(bào)信息和致災(zāi)預(yù)警信息的發(fā)布有利于水庫的科學(xué)調(diào)洪和流域防洪減災(zāi)工作的開展。而對(duì)于水庫來講，雨

量、徑流、水位這三者的預(yù)報(bào)更加有利于水庫調(diào)洪的決策需求，但因目前水庫與氣象部門之間尚未實(shí)時(shí)共享相關(guān)信息，氣象部門暫能提供雨量和徑流的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，水位實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)還需水庫部門結(jié)合其實(shí)際水情進(jìn)行科學(xué)決策制定。