HBV模型在富春江水庫流域臨界致災面雨量確定中的應用

潘婭英, 馬得蓮, 張 青, 王亞男, 駱月珍

(1.浙江省氣象服務中心, 浙江 杭州 310017; 2.浙江珊溪經濟發展有限責任公司, 浙江 溫州 325000)

浙江省屬典型的亞熱帶季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季低溫少雨。省內江河眾多，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，決定了浙江省是一個洪澇、干旱災害最為頻繁發生的省份。另一方面，浙江省水庫較多，水庫調度受天氣的影響極大，當發生強降水引發流域洪水時，水庫水位迅速升高，如果調度不當, 則將嚴重影響水電站的安全經濟運行和水庫綜合效益的發揮。因此，讓氣象和水文信息更好地有機結合，實現流域洪澇災害的監測預警，重點在于研究流域徑流和降水的相應關系，進而確定流域的致災臨界面雨量[1-2]，為電力、水庫、水文、政府等部門提供流域暴雨、徑流預報以及流域洪水致災預警，為其制定科學的防洪防汛方案提供重要參考依據。因此，本研究基于浙江省富春江流域實測徑流與HBV模型模擬徑流的對比，研究分析HBV模型對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系，得到該流域各級水位的臨界致災面雨量，為暴雨災害風險預警和評估業務提供服務產品，為富春江水庫的生產調度提供重要依據。

1 研究區概況

研究區富春江水力發電站位于浙江省杭州市桐廬縣境內，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月建成發電，是一座低水頭徑流式日調節水電站。水庫控制流域面積31 645 km2，干流長309.8 km，正常高水位23 m，庫容4.40×108m3剛才。電站有6臺機組，總裝機容量3.60×105kW·h，發電機組設計流量均為500 m3/s。溢流壩為混泥土實體重力壩，有泄洪孔17個，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，棄水機會多，為了開展科學的水庫調度以及調節水庫上下游洪澇災害的影響，更好地發揮電站潛力，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 數據來源

氣象數據包括2001—2010年富春江水庫流域內18個水文站的降雨資料和8個氣象站點(開化、江山、衢州、東陽、永康、金華、蘭溪、建德)的逐日最高(低)氣溫、平均相對濕度、日照時數、日降水量等氣象要素資料。水文數據包括2001—2010年富春江水電站實測的入庫流量、水位資料。高程數據為分辨率90 m的數據，來自于中國科學院國際科學數據服務平臺。土地利用數據為1:10萬的基礎數據集，流域面雨量通過各站點的降水量資料由泰森多邊形法計算得到。

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70年代開發研制的基于DEM劃分子流域的半分布式概念性水文模型，目前已被應用于流域水文過程模擬和流域對不同的氣候變化、水資源評估、冰川物質平衡等領域，具有輸入參數少，物理意義明確，結構層次清晰，適用性強和模擬精度高等優點。模型綜合考慮了多種影響徑流的因素，把降雨、融雪、產匯流、模型率定和實時預報等相結合，形成了一套完整的模型預報方案。模型由氣候資料插值、蒸散發估算、土壤濕度計算過程、產流過程、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，將流域劃分為多個子流域，分別模擬各子流域的徑流過程，之后經過河道匯流形成流域出口的徑流過程。模型輸入數據包括：研究區DEM、土地利用數據、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。模型參數包括積雪和融雪參數、溫度閾值參數、退水系數等30多個有物理意義的參數，通過調整參數使模型在率定期內達到最優擬合。為了判別HBV模型的模擬效果，究采用R2和ME系數來衡判別型模擬值與觀測值之間的擬合程度，其表達式為：

(1)

(2)

3 HBV模型在富春江流域的應用

3.1 HBV模型適用性評價

運行HBV模型，需要準備基礎輸入數據。首先利用GIS軟件通過投影變換得到富春江流域的高程數字地形圖，并對輸入柵格數據DEM進行處理，結合水系圖劃分子流域,在此基礎上根據不同土地利用和土壤類型的組合在每一個子流域內進一步劃分水文相應單元，然后，再分別輸入各子流域的土地利用數據和土壤持水力數據，通過計算逐個水文響應單元的徑流量，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日的數據對模型進行率定，確定模型參數，2007年1月1日到2010年12月31日為模型驗證期，用于檢驗模型的模擬效果。

經模型率定結果顯示，在率定期內模型的NASH系數為0.64(圖2—3)，模擬與實測徑流的過程分布比較一致，模擬徑流峰值區與大降水的實況分布比較一致，模擬洪峰與實測值的平均相對誤差小于5%。經過率定后的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測的比較

驗證期內模擬情況與率定期大致相似，驗證期內模型的NASH系數為0.61，模擬徑流值與實測徑流分布比較一致，可見，HBV水文模型對富春江流域日徑流模擬比較一致，模型在該區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系 流域洪水是否達到致災等級的標準是根據水位來判定的，水庫的警戒水位就是這樣一個判定洪水是否達到調度致災預警等級的指標。利用HBV模型可以建立降水和徑流的響應關系；由于水庫的水位與庫容的對應關系是確定的，圖4為富春江水庫的水位庫容關系圖。假設水庫沒有發電泄洪，其出庫流量為零時，水庫入庫徑流引起水位升高、庫容增加，則此時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系；HBV模型輸出的徑流通過庫容與水位關系得到對應的水位數據。至此建立了由降水到徑流，由徑流到水位三者的關系[8-9]。根據不同的警戒水位回算出對應的臨界面雨量，從而為暴雨災害風險預警和評估業務中提供重要的參考依據。

圖4 富春江水庫水位-庫容關系

3.2.2 不同前期水位的致災臨界雨量 流域洪水災害的發生是氣象、地形、下墊面和水利防洪設施等要素共同作用的結果，而致災臨界面雨量是一個與前期水文條件、流域自身狀態等多方因素密切相關的動態值[10]，首先按照圖5運行HBV模型讓水位升高到一定高度，該水位作為前期基礎水位，然后給定一個面雨量值進行徑流模擬，當模擬輸出的徑流對應的水位沒有達到臨界水位時，調整面雨量值的輸入，繼續通過HBV模型進行模擬，當輸出的徑流對應的水位達到臨界水位時，就把此時對應的面雨量值作為臨界雨量。

圖5 HBV模型確定致災臨界面雨量流程圖

富春江水庫日常的生產調度水位一般控制在21.5～23.5 m之間運行，23.5m為其警戒水位，24.7 m為設計洪水位(百年一遇洪水位)。當預計水位超出23.5 m小于24.7 m時，水庫一般采取發電泄洪的方式將水位下調；當預計水位超過24.7m時，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個臨界判別條件，研究得出前期不同水位下對應的24 h臨界面雨量值閾值的分析結果(圖6)。由此可知，臨界雨量與前期水位的關系為非線性特征，臨界雨量隨前期基礎水位升高而減小。當河流水位達到相應最高位時，河道土壤比較松軟，這個時期即使有較小的降水，也有可能導致洪水致災。

圖6 警戒水位和設計洪水水位下前期不同水位的臨界面雨量

4 結 論

應用HBV水文模型模擬富春江流域徑流量，在序列的率定期和驗證期，模擬與實測的徑流過程分布一致，模擬徑流峰值區與大降水的實況分布比較一致，模擬與實測洪峰的平均相對誤差小于5%。經率定后的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、水位三者的響應關系，確定水庫在警戒水位、設計洪水位時不同前期水位的臨界面雨量。該氣象產品主要是針對于氣象部門在暴雨災害風險預警和評估業務中的應用研發的。當面雨量預報達到臨界面雨量值時，氣象部門可向水庫、電力、防汛等相關單位和部門提供，雨量、徑流預報信息和致災預警信息的發布有利于水庫的科學調洪和流域防洪減災工作的開展。而對于水庫來講，雨

量、徑流、水位這三者的預報更加有利于水庫調洪的決策需求，但因目前水庫與氣象部門之間尚未實時共享相關信息，氣象部門暫能提供雨量和徑流的實時預報產品，水位實時預測還需水庫部門結合其實際水情進行科學決策制定。