基于HBV模型的丰乐河流域致灾临界面雨量研究

陈冉慧，夏晓圣

1.安徽师范大学地理与旅游学院，安徽芜湖，241022 2.安徽自然灾害过程—防控研究省级实验室，安徽芜湖，241002

近年来国内外学者对极端天气事件研究逐渐深入，探讨不同地区灾害发生的频率，强度，空间范围等具体灾害机理。气象灾害中洪涝灾害也随极端气候的变化逐渐成为安徽省的重大灾害之一。通过对流域内水文特征分析和建立模型模拟水位变化，为水资源合理规划以及防灾减灾提供指导，以减少暴雨洪涝灾害损失[1-3]。

洪涝灾害发生的重要条件是降雨，当一个流域降雨量达到一定强度时，形成的洪水流量刚好为河道的标准泄洪范畴，当超过该降雨等级时可能会发生洪涝灾害，此时的降雨量称为致灾临界雨量，即暴雨后洪涝灾害发生时的临界气象条件。临界条件是暴雨洪涝灾害时预报预警、评估及防洪规划的重要判断条件[4-6]。

在确定流域临界面雨量的研究中基于前期收集的历史数据主要有水位反推法、比拟法、暴雨灾情实例调查法等。但这类方法较少考虑水文过程对预警指标的准确性和有效性的影响，属于统计分析类。另一类是基于客观的水文气象资料(如降雨量、水位等)建立的水文模型方法，以模拟降水径流过程来推算临界面雨量[7]。近年来主要使用的模型有TOPMODEL模型[8-9]、HBV模型、新安江模型[10-11]、FloodArea模型[12-13]等，这些都是基于物理机制，以水文学、水力学为基础来探讨洪涝灾害发生条件，其中HBV模型是著名的概念性水文模型之一，目前已有很多学者对此模型进行过深入学习与运用，得出此模型方法在各类复杂气象条件下的水文模拟都有较高的区域适应性。张洪斌等对 HBV 模型中关键的产流汇流模块进行改进研究，提高了模型对研究区洪灾发生时径流模拟的精度[14];卢燕宇等基于HBV模型对淮河流域的水文过程进行面雨量探讨，首次确立了研究临界雨量的一系列方法流程[15]；黄金龙利用HBV模型研究了长江寸滩以上流域的水文径流变化，结合气候模式CLMM对寸滩以上流域的气候变化进行模拟预测[16]；张漫莉在中小型流域中模拟洪水发生后的预报中，对比分析改进的HBV 模型和新安江模型，发现HBV能更好地应用于研究区[17]；张调风等以高原区隆务河流域山洪为研究对象，基于HBV模型探讨山洪预警方法[18]。

前期针对流域面雨量的研究大多集中于长江上游、淮河等大流域，但随着全球变暖，暴雨的频发导致中小河流的洪灾损失也不断增加，中小河流及河湖节点相关的水利设施临界面雨量范围的选取是当前流域防汛减灾的重点和采取预防措施的参考。丰乐河流域是安徽省中小流域的典型流域，空间差异性较强，与其他模拟水文过程的流域分布式水文模型相比较，HBV模型具有结构简洁，需要输入的参数较少，操作性强等优势，应用该模型对丰乐河流域进行模拟具有可行性。本文选取桃溪水文站以上的丰乐河流域进行研究，基于HBV分布式水文模型，分析流域的暴雨洪涝致灾阈值，为减轻巢湖汛期蓄洪压力和更好地开展流域周边灾害预警提供参考。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

丰乐河起源于六安市内金安区张店镇，上游连大别山腹地，下游接巢湖入口，远贯长江，属巢湖水系。桃溪水文站位于丰乐河中下游河段(见图1)，该站以上流域面积共1 578 km2，河流主干道长约50 km。本区域属亚热带和暖温带过渡性的季风气候区，具有明显的季风气候特征，降雨主要发生在春季和夏季，夏季多暴雨及大暴雨，易发生洪涝灾害[19]。

图1 丰乐河中上游流域图

1.2 数据资料

气象数据来自流域内6个气象站，山南、桃溪、双河镇、孙岗、东河口和张母桥,1986—2017年逐日气温降水观测资料。水文数据收集的是桃溪水文站(117．01°E，31．55°N)1986—2017年的流量和水位资料，数据由合肥市水文水资源局提供。数字高程模型(DEM)来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)，分辨率为30 m；土地利用数据通过网络遥感影像下载解译获得，数据时间为2010年。

1.3 HBV-D模型

HBV模型在解决水资源问题上具有很大的通用性和灵活性，在模拟河流的主要产流汇流水文过程表现非常突出。它是一个基于DEM，可与ArcGIS有效集成，把流域划分成多个子流域，每个子流域根据高程、水面面积和下垫面类型归类为各径流带。通过对模型的积雪及融雪模块在上层、土壤含水量计算在中层、响应路线在底层的三个子程序对模型的自由参数进行率定验证。利用模型工作原理简单易懂，输入研究区的基础气象水文数据及其相关的资料进行模拟径流，输出结果以径流深表示。径流深与径流量之间的对应关系为：

X=(L×1000×S)/(24×3600)

式中,X为径流量，单位m3/s；L为径流深，单位m；S为流域总面积，单位km2。

模型运算包括一系列自由参数，这些值率定和验证时，可考虑Nash等提出的 Nash效率系数(Me)和确定性系数(R2) 判断模型在此地区的适用性。

1.4 研究方法

本文利用HBV模型对丰乐河桃溪水文站以上段的水文过程进行模拟。首先建立流量和水位的关系，依据《暴雨洪涝灾害致灾临界(面)雨量确定技术指南》(气象函〔2013〕113号)规定选取研究区的致灾界定值，确定桃溪站为丰乐河中上游流域洪涝灾害发生的监控站点，以前期采集的历史洪水过程和对应的气象水文数据为基础，利用HBV-D模型反推降水—流量—水位之间的关系，推算出到达桃溪站设防水位、警戒水位和保证水位时不同的临界面雨量值。

2 数据处理

2.1 子流域划分

HBV模型将丰乐河研究区划分为若干个子流域，以采集到的各子流域的高程、土地利用类型、气象数据、水文数据等作为基础数据包代入模型进行水文模拟。运用ArcGIS软件从DEM 数据中提取丰乐河局部流域(介于E116°45′～117°21′，N31°18′～31°33′)，裁剪后面积为 1 578 km2，并用软件对流域进行划分，根据研究区的自然人文因素选取桃溪水文站为出水口，不断调整参数后研究区划分成12个子流域，如图1所示。运用IDW 插值法将本文5个气象站的数据插值到各子流域对应的中心点，运行后得出各个子流域的面雨量和温度等数据。

2.2 参数敏感性分析

HBV模型以降水、气温、土壤含水性能和产汇流等要素进行综合性径流模拟，考虑了降水、土壤、产汇流和河道等多个模块。子流域的划分使得部分参数需要进行敏感性分析，通过客观的参数调整来对各参数的敏感性程度进行综合划分，分为敏感、较敏感和不敏感，结果见表1。其中，少数参数采用模型经验值为不敏感，敏感性参数则采用部分实测数据并通过反复调整优选出。通过参数的最优组合，模型的模拟值与实测值获得最优拟合，使模型适用性达到最佳，更适用于研究区域。

表1 HBV模型参数率定值

2.5 模型参数率定和验证

本文以1986年为预热期，选取1986—1996年桃溪站逐日径流量数据对HBV水文模型进行率定。计算后模型的Nash效率系数结果为0.78，确定性系数达0.83，模型能较好地模拟流域内洪涝发生时的降水径流过程，在率定期内实测径流量与模拟径流量的误差值较小(图2)。以1997—2007年为验证期，Nash效率系数为0.8，确定性系数为0.86，验证看出的水文过程与实测径流过程基本一致(图3)。整体看率定期和验证期的年份中HBV模型对峰值的模拟不理想[21]，但模型在本研究区总体适应性较好，率定后的HBV模型能够在一定程度上模拟研究区的流域水文过程，此模型可以用于丰乐河中上游流域的致灾临界雨量值计算。

图2 HBV模型率定期实测径流量与模拟径流量

图3 HBV模型验证期实测径流量与模拟径流量

依据《水文情报预报规范》(GB/T22482-2008)的标准将1986-2017年划分为丰水年、平水年和枯水年，本文以HBV模型模拟效果接近实际的年份分析不同类别年份之间的区别(图4)。

图4 不同年份丰乐河流域典型洪水过程模拟对比

图4看出，HBV模型对丰水年的模拟效果较好，但在丰水年模型模拟洪峰值均比实测值低，上半年的模拟效果不及下半年；对平水年的模拟情况不一，即部分年份模拟效果较好，模型对汛期的模拟效果不及非汛期；对枯水年的模拟整体效果不佳，精度不高。综合分析在冬春期，丰乐河流域低温雨雪多，尽管模型加入了融雪模块，但对流域枯水期的12月至次年3月份的径流模拟过程误差较大；5月份本区域汛期开始，模型对洪峰模拟误差较大。

3 致灾临界雨量的确定

3.1 水位流量关系的确定

水位的高低是河道洪水致灾的直接指标。根据舒城县水利局提供的普查资料和历史资料统计，桃溪水文站设防水位为12 m，桃溪水文站警戒水位15.56 m，保证水位17.56 m，分别将其作为3级、2级和1级致灾临界水位。桃溪水文站汛期期间水位一般高于8.3 m，本文将收集到的1986—1996年中逐日平均水位不低于8.3 m的平均水位及其对应的流量为筛选后的水文数据，建立起水位和径流量的关系曲线图(图5)，结合河道前期不同水位计算不同等级洪灾对应的逐日径流量值。

图5 丰乐河流域水位—流量关系

3.2 致灾临界面雨量的确定

暴雨洪涝灾害的发生一般是由气象、地形地貌、下垫面类型、工程设施等多因素共同作用造成的。推导暴雨洪涝灾害发生时临界状态的各气象要素也呈动态变化[7]。研究致灾临界面雨量范围对暴雨洪涝的防汛准备有一定的理论指导。

本文以不同前期水位为前提，收集导致洪水暴发的气象条件，参照收集的气象数据，运行模型时人工调控洪水发生当日的不同面雨量，得到各面雨量值对应的径流量值。根据上面得到的水位—流量关系，推求对应的水位，进而拟合出面雨量—水位关系曲线(图6)。一般抽选洪水发生当日研究区内子流域降雨量小于10 mm的洪水过程为参考。在桃溪水文站各级暴雨洪涝预警判别条件即不同前期水位条件下，求出不同等级对应的临界面预警雨量值。由于流域为降水插值，雨量分布较均，临界面雨量唯一(表2)。

图6 不同前期水位对应的雨量—水位关系

图7为桃溪水文站不同前期水位判别条件下，推求出的达到不同预警条件下的临界面雨量曲线。由图看出各级临界面雨量值都是随前期基础水位升高而下降，当流域内河湖前期发生暴雨后水位较高且降落不明显时，此时流域内土壤持水力接近饱和状态，尽管有较小的降水量再次降落也会导致流域发生洪水。若河流水位超过一级水位，导致破堤漫水，原有的水位—流量关系就不再适用，不能给出破堤水位时由HBV推算的临界雨量值。

表2 丰乐河上中游流域临界面雨量

图7 不同前期水位对应的临界面雨量

4 结 论

以暴雨洪涝致灾机制的原理为基础，本文运用HBV水文模型模拟了丰乐河中上游流域的逐日径流量，建立本流域降水—流量—水位三者的相关关系，研究推导不同前期基础水位下的临界面雨量值。研究表明：

(1)HBV模型在丰乐河流域具备良好的适用性。对桃溪水文站上游流域的水文过程模拟较准确，能运用在本流域暴雨洪涝致灾阈值的推算；通过模拟比较不同年份的日径流发现，丰水年模拟情况较好，平水年汛期模拟不及非汛期，枯水年模拟整体较差。

(2)本文筛选保证水位、警戒水位和设防水位对应的不同的水文气象条件为参照，由HBV模型推算选取了不同前期基础水位条件下达到预警水位时对应流域的临界面雨量值，得出临界面雨量值与前期水位的高低呈负相关影响。

本文由于资料限制，不能充分考虑下垫面和人类活动可能会带来的干扰情况，模型模拟精度有待提高，仅做出了洪涝期间日雨量临界值，对洪水过程欠缺具体的研究。