基于HBV模型的开都河致灾洪水临界雨量分析

樊静，江远安，陈颖，陈鹏翔，白素琴，余行杰

（新疆气候中心，新疆乌鲁木齐 830002）

基于HBV模型的开都河致灾洪水临界雨量分析

樊静，江远安，陈颖，陈鹏翔，白素琴，余行杰

（新疆气候中心，新疆乌鲁木齐 830002）

应用HBV水文模型对开都河流域焉耆站以上段进行了模拟，通过对模型敏感参数的率定（1982—1985年），Nash效率系数达到0.73，说明模型能够很好地反映开都河流域的径流过程；对模型进行验证的结果表明在1986—1989年模拟结果的Nash效率系数达到0.75，比率定期的Nash效率系数高，模型在开都河流域有较高的适用性，能够反映出流域年、月、日径流量的变化趋势。通过率定后的HBV模型，计算了不同流量和水位所对应的临界致灾雨量，当基础水位为6.27m，流量为100m3/s时，临界一级（保证流量800m3/s)和二级(警戒流量500m3/s）致灾面雨量分别为50mm和30mm，随着基础水位和流量的增加，临界致灾雨量的值在减小。将通过HBV水文模型计算的临界雨量与历史上发生洪水的24 h和120 h的实际降水量进行对比分析，发现应用HBV水文模型推算的临界面雨量大于实际24 h降水量，小于前5 d的降水合计量，因此在实际的业务应用中还需要对结果进行进一步的分析和验证。

HBV模型；开都河；临界雨量

山洪灾害形成的机理非常复杂，诸多因素中降雨是引发山洪灾害最直接的外在动力因素[1]。当一个小流域某时段内降雨量达到或者超过某一量级和强度时，形成的洪水流量刚好为河道的安全泄洪能力，大于该降雨量将可能引发山洪灾害，把此时的降雨量称为临界雨量[2]。临界雨量是目前山洪灾害预测预报的重要指标，对山洪灾害防治有着重要的意义[3]。对于临界雨量的确定，根据有无实测水文和降水资料，可采用不同的计算方法。山洪灾害临界雨量分析方法主要采用统计归纳法[4]、暴雨等值线分析法和地质与地貌条件综合分析法[5]、水位反推法[6]、山洪灾害实例调查法[7]、灾害与降雨频率分析法[8]等。近期张亚萍等[9]提出一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级临界累积面雨量指标的方法，对于有水位、流量等监测资料的中小河流，可通过水文模拟方法，在进行洪水气象风险等级指标确定时考虑流域的水文响应。目前，新疆区域关于临界雨量的研究较少。本文以开都河流域为例，在了解其致灾降雨特征的基础上，利用HBV水文模型法计算流域的临界致灾雨量并选取1960年以来的多次洪水过程对确定的临界雨量进行验证，探讨计算得出的临界雨量的合理性。通过此项研究，以期为开展洪水气象预警业务提供参考，也为新疆区域临界雨量的确定探索新方法。同时，很多中小河流并无水文监测资料，对有水文监测资料的流域进行临界累积面雨量指标的研究并与地理信息结合，是进一步研究无水文监测资料流域洪水气象风险指标的重要基础[10-11]。

1 研究区概况

开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，塔里木盆地北缘，属于雪冰融水和雨水混合补给的河流。开都河发源于天山中部山区，上游流经巴音布鲁克草原，下游流经焉耆盆地，最后注入中国最大的内陆淡水湖——博斯腾湖，河流全长560 km。深居欧亚大陆腹地，属大陆性温带干旱气候，日照充足，太阳辐射强。夏季炎热，冬季寒冷，昼夜温差及年较差大，降水少，蒸发能力强烈，空气干燥。开都河流域自北至南高差较大，大致可划分为北部天山高寒半干旱半湿润区，海拔2 500～ 5 000m，年平均气温-3.5～6.5℃，年降水量300～600mm；中部是低山丘陵及冲积扇戈壁干旱区，海拔1 500～2 500m，年平均气温7.3～9.2℃，年降水量100～300mm；南部戈壁平原温带干旱区，海拔1 000～ 1 500m，年平均气温9.2～11.5℃，年降水量70～100mm。

2 资料和方法

2.1 资料

气象资料：分布在开都河流域内和周边的6个气象站（巴音布鲁克、大西沟、巴轮台、焉耆、和硕、和静站）1960年1月1日—2010年12月31日的降水量、日平均气温、日最高气温和日最低气温等气象资料。

水文资料：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数据，焉耆水文站的警戒流量和保证流量等指标数据。1960—1989年焉耆站超过警戒流量（500m3/s）和保证流量（800m3/s）的典型洪水过程的日均流量和水位资料。

其他资料：全疆1:5万DEM数据；全国土壤持水力和土地利用数据；全疆暴雨洪涝相关历史灾情、实时灾情。

2.2 方法

采用HBV水文模型对开都河流域焉耆站以上段的水文过程进行模拟，对水文模型进行率定和验证，通过水文模型验证的雨—洪关系求得开都河流域的临界面雨量。

2.2.1 HBV水文模型

HBV模型是20世纪70年代瑞典气象水文研究院（SMHI）开发研制的水文预报模型，是一种基于DEM划分子流域模拟积雪、融雪、实际蒸散量、土壤水分储存、地下水埋深和径流等机制的半分布式的降雨径流模型[11]，经过几十年的发展,模型的不同版本已经在全世界100多个国家得到成功应用[12]。

HBV模型具有灵活易用的特点，模型的参数数据（如降雨、温度、流量等）是以二进制文件的形式存放于数据库中，数据的转换和共享方便。HBV模型预报的预见期可以是1～24 h，可利用模型计算降水量、降雪量、土壤的含水量及其变化过程、流域或水库的入流和出流等。实际应用证明HBV水文模型是一个经过良好测试的、易操作的洪水预报工具[13]。

2.2.2 临界面雨量的确定方法

基于研究流域的水文和气象资料的情况，整理适用的流量和降水量序列，建立流量与降水量的定量关系，通过HBV水文模型模拟的雨—洪关系并根据警戒流量、保证流量等指标确定一、二级洪水临界致灾雨量，详细的计算过程见图1[14]。

图1 HBV水文模型计算临界雨量的流程

3 结果分析

3.1 开都河流域降水的气候特征分析

选择巴音布鲁克、大西沟、巴轮台、焉耆、和硕、和静站的逐日降水资料作为开都河流域的降水进行计算分析，巴音布鲁克、大西沟、巴轮台、焉耆、和硕、和静站的年降水量分别为268.6mm、477.5mm、206mm、75.2mm、86.8mm和62.6mm，年际降水变率分别为0.58mm/a、1.87mm/a、1.26mm/a、0.45mm/a、0.71、0.53mm/a；最大日降水量分别为46.3mm、40.3mm、79.7mm、39.7mm、57.3mm、49.5mm。

3.2 利用HBV水文模型计算致灾洪水临界雨量

3.2.1 数据的整理和准备

（1）使用ARCGIS软件的水文分析模块从全疆1:50 000 DEM数据中提取开都河流域并对子流域进行划分，根据开都河的实际情况来调整子流域面积阈值的大小从而确定合理的子流域个数，并对划分好的子流域编号。

（2）统计气象站点的日最高气温、平均气温、日最低气温和降水数据，并按照模型输入参数的要求整理。

（3）雨量的插值使用国家气候中心推荐的R软件，该插值方法为气象常用普通克里格，通过雨量插值得到每个子流域中心点位置的降水量。

（4）计算子流域的汇流时间，使用GIS软件提取每个子流域的河流长度，并使用公式flow length*0.012/1 000计算每个子流域的汇流时间。

（5）流域内土地利用和土壤持水力使用国家气候中心提供的全国土地利用和土壤持水力栅格数据，在GIS软件中进行数据重采样，将土地利用、土壤持水力、子流域和高程栅格数据的投影、栅格大小以及范围统一，存储为二进制格式。

3.2.2 模型的率定和验证

整理好的数据通过HBV水文模型的预处理程序计算各子流域的集水面积、汇流时间等参数，最后运行HBV水文模型主程序中对流域径流过程进行模拟。当模型的各类数据输入并运行成功后,为了使模型更符合研究区实际情况,需要对一些非物理参数和难以确定的物理参数进行调整,即通过实测数据对模型进行率定和验证[15]。本文在模拟过程中，1982—1985年作为模型的率定期，1986—1989年作为模型的验证期。在校准和验证的过程中,通常采用Nash系数（ME）[16]考查模拟结果与实测值的接近程度,评估模型的适用性。

式中：Qobs为实测值，Qsim为模拟值，Qobs实测平均值，n为实测数据个数。当Qobs=Qsim时，ME=1。ME越接近于1，表明模型效率越高，适用性越好。若ME为负值，表明模型模拟平均值比实测平均值的可信度低。

通过反复调整模型中敏感参数的值（表1），对开都河流域参数滤定NASH系数（ME）达到的最高值为0.73。

表1 HBV模型的敏感参数及参数率定结果

完成模型的率定后需要对模型进行验证（图2），结果表明在1986—1989年期间，模型模拟结果的Nash效率系数达到0.75，比率定期Nash效率系数高，说明模型在开都河流域有较好的适用性，可以用来对流域的径流过程进行模拟。通过对率定期和验证期模拟结果进行对比分析，可以看出模拟结果整体的趋势与实测值较吻合，基本能够反映出年、月、日径流量的变化，但是对峰值的模拟存在误差。

图2 HBV模型率定结果（1982—1985年）和验证结果（1986—1989年）

3.3 临界雨量计算

率定后的HBV模型可以反映流域降水—流量的定量关系，进一步结合焉耆水文站洪水流量与水位的关系（图3），建立降水—流量—水位之间的关系，从而推算河水达到警戒流量、保证流量时的临界面雨量。

图3 焉耆站流量—水位概化关系图

通过对HBV水文模型的验证，当模拟的流量达到警戒、保证流量时，即认定此时的面雨量为所对应洪水等级的临界（面）雨量。由于开都河历次洪水过程的起涨水位一般都在6.0m以上，通过对收集到的洪水资料进行统计后最终以6.27m作为起始水位，将不同前期水位与雨量代入到模型中，再以焉耆站警戒水位7.67m、保证水位8.93m作为临界判别条件，分别得出不同前期水位下对应的各级临界（面）雨量值（表2），需要注意的是这里的雨量值是焉耆站以上流域面雨量。从表2可以看出，临界致灾雨量与流域前期的流量直接相关，前期流量越大，临界致灾雨量就越小。

表2 开都河流域临界（面）雨量表

3.41960年以来流域洪水过程临界雨量验证

查阅历史上焉耆水文站逐日日均流量超警戒（保证）流量的洪水次数，焉耆水文站共出现9次（表3），均超过警戒流量但未达到保证流量。

表3 焉耆水文站出现洪峰流量超警戒（保证）流量的洪水过程

根据陈颖等[17]对乌鲁木齐河流域的研究结果，在天山山区五天累计降水量与洪水的相关性最高。因此对超过警戒流量但未达到保证流量的洪水过程进行分析，分别计算24 h降水量和前5 d的合计降水量，并将其与模拟计算降水量进行对比分析（表3）。从表3可以看出，模拟计算的降水量较24 h实际降水值偏大，同时小于前5 d的降水合计，说明模型考虑了流域径流的汇流过程，但是在汇流时间的时效上还需进一步的验证。需要说明的是表3中的9次洪水日数反映并非累计降水量最大对应流量最大，其中最大24 h降水量为38.39mm，对应的日均流量为518m3/s；最小24 h降水量不足2mm，但是由于前期累计降水量大，5 d合计降水量达到47.25mm，对应的日均流量为511m3/s，说明前期的河流流量和水位与致灾临界雨量直接相关，临界面雨量值应该是动态调整的。

4 结论

通过HBV水文模型在开都河流域的应用，表明模型能够很好地模拟开都河流域径流过程，可以反映出流域年、月、日径流量的变化趋势，说明模型在西北区域具有较高的适用性。应用HBV水文模型，计算了不同流量和水位所对应的临界致灾面雨量，当基础水位为6.27m，流量为100m3/s时，临界一级（保证流量800m3/s）和二级（警戒流量500m3/s）致灾雨量分别为50mm和30mm，随着基础水位和流量的增加，临界致灾雨量的值在减少，前期的河流流量和水位与致灾临界雨量直接相关，致灾临界雨量值应该是动态调整的。将通过HBV水文模型计算的临界雨量与历史上发生洪水的24 h和120 h实际降水量进行对比分析，发现应用HBV水文模型推算的临界面雨量大于实际24 h降水量，同时小于前5 d的降水合计量，因此在实际的业务应用中还需要对结果进行进一步的分析和验证。

HBV水文模型集降雨径流和融雪径流模拟于一体,通过概化考虑流域高程、植被等下垫面的差异，从而开展降雨径流模拟。HBV模型在开都河流域的成功应用，对于西北地区有融雪性洪水补给的河流径流模拟来说具有借鉴意义。但是，从模型模拟的结果来看，夏季的模拟效果好于冬季，可能与开都河流域复杂的径流过程有关，因为在夏季对开都河流域径流影响最大的因素是降水，而在冬、春季对开都河流域径流影响的主要因素是气温和积雪面积[18]。此外，在模型的应用过程中，主要用收集到的日均流量资料来对模型进行率定和校正，缺乏洪峰资料，影响了模型对洪水峰值的模拟精度，这可能是造成致灾临界雨量值偏大的主要原因之一。因此，未来需要收集典型的洪水过程资料，进一步提高模型在夏季对洪水过程的模拟精度。

对于新疆区域而言，河流流域面积较大，使用水文模型模拟最大的不足在于流域内气象和水文资料的缺乏，区域自动气象观测站观测时间较短且数据质量没有保证，国家一般气象站数量少、分布稀疏，而且多数气象站点分布在平原区，对于流域上游和山区气象状况的代表性不强，因此后期通过提升区域自动观测站数据质量并将其引入模型，会进一步提升模拟效果。

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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

新疆气象局面上项目（MS201402）资助。

樊静（1980-），女，工程师，现从事气候变化分析及其影响评估工作。E-mail：fanjing365@126.com

樊静，江远安，陈颖，等.基于HBV模型的开都河致灾洪水临界雨量分析[J].沙漠与绿洲气象，2014,8（6）：31-35.