基于HBV 模型的太子河流域致洪临界雨量的确定

刘鸣彦，孙凤华，周晓宇，侯依玲，赵春雨，易 雪，崔 妍，敖 雪

（1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166；2.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166）

近几十年来， 我国东北地区持续性暴雨洪涝灾害事件频繁发生[1]，暴雨是导致流域洪涝灾害发生的主要原因[2]，对流域暴雨洪涝开展监测预警具有重要的现实意义[3]。 当降水量达到某一临界数值时可能造成流域发生不同等级的洪涝灾害， 这一临界降水值可称为致洪临界雨量[4]，临界雨量是用于判断洪涝灾害是否发生， 进行暴雨洪涝灾害监测的重要指标。在我国，目前通常采用统计归纳法和水文水力学方法计算临界雨量。 统计归纳法通过统计降水序列或洪水灾害数据推算临界雨量[5]，在我国早期由于资料受限多采用此方法计算临界雨量[6-8]。 但利用统计归纳法计算临界雨量无法考虑到流域的下垫面条件， 而河道下垫面特征的改变会导致洪涝灾害发生的临界条件发生变化。 水文水力学方法则可综合考虑流域下垫面、径流、降水等要素，基于洪水灾害发生的物理机制推算出临界雨量，近年来，分布式或半分布式水文模型已广泛应用于临界雨量的计算中。水文模型是对复杂水循环过程的抽象或概化，能够模拟出流域降雨径流过程， 建立适用于研究流域的气象要素与径流响应关系[9]。 瑞典国家水文气象局研发的HBV 水文模型适应于各种复杂气象条件下的水文模拟，具有输入参数少，模拟精度高等优点[10]，在我国各流域有广泛的应用[11-12]。 康尔泗等[13]应用HBV 模型对黑河祁连山北坡山区流域水量平衡进行了模拟计算， 并对年径流和逐月分配进行了预报；靳晓莉等[14]应用HBV-light 模型在东江流域及其子流域进行了参数区域化研究；张建新等[15]则验证了HBV 模型在我国东北多冰雪地区洪水预报的可行性。HBV 模型可用于建立研究流域的面雨量与河流水文特征间的定量关系， 从而模拟降水致洪过程，确定致洪临界雨量[16-17]。卢燕宇等[18]对HBV 模型在淮河上游地区的适用性进行分析， 并利用该模型确定流域的临界雨量。 张亚杰等[19]通过对参数的率定与验证，确定适合南渡江流域的HBV 模型最优化参数， 并以不同重现期水位作为洪水预警的判别条件，最终计算了临界雨量。

目前，针对我国东北地区开展的流域洪水临界雨量研究较少， 鉴于上述HBV 水文模型在临界雨量研究中的广泛应用，本文以太子河流域为研究区域， 对流域径流开展统计分析及模拟试验， 探讨HBV 水文模型在该流域径流模拟中的适用性，并对参数敏感性进行分析， 基于水文模型的模拟结果， 建立流域降水量与水文特征量的定量关系，根据流域防洪设施标准推算太子河流域发生不同等级洪水的致洪临界雨量阈值。研究结论为太子河流域开展暴雨洪水监测、预警预报及制定防洪减灾规划提供理论依据。

1 研究流域概况

太子河是辽河的左岸支流，横贯辽宁省中东部，上游分南北两支， 北支发源于新宾满族自治县红石砬子山，南支源于桓仁满族自治县白石砬子山，两支流在本溪下崴子汇合后始称太子河干流。由东向西，流经本溪、辽阳、鞍山3 市，在海城市三岔河与浑河汇合后汇入大辽河，行至营口市注入渤海辽东湾[20]。流域全长412.9 km，面积13 883.0 km2。 流域内修建了葠窝水库、汤河水库、观音阁水库等大中型水利枢纽工程，总库容量达38.9×108m3。 太子河沿岸城市物产资源丰富，生产水稻、玉米、大豆等粮油作物，是国家重要的商品粮基地。

太子河本溪至辽阳河段，河道长89 km，河床多由砂卵石组成，河道多处于山谷之间，是暴雨洪涝多发地区。 辽阳以下河段， 自辽阳始进入辽河冲击平原， 辽阳沈大线铁桥至三岔河沟海线铁桥， 河道长163 km，蜿蜒曲折，属弯曲型河道，河床多为中细沙，是主槽泄洪为主的河道[21]。

太子河地处温带湿润气候区， 季风和大陆性气候特征显著，全年气候温和湿润，四季分明，寒冷期长。 据统计[22]，太子河流域年平均气温为8.49 ℃，年平均降水量为743.5 mm，是东北地区降水较多的流域， 流域内降水自上游向下游递减， 年内分配不均匀，且集中于几场大暴雨之中。太子河流域的洪水由暴雨产生，多集中在7—8 月，约占全年的60%以上。

2 资料与方法

2.1 资料

气象观测数据来自沈阳区域气候中心， 包括太子河流域内各气象站1961—2016 年观测的逐日降水量、最高气温、平均气温和最低气温。 水文数据选用小林子水文站1964—2012 年观测的逐日水位和径流量，摘录自水文年鉴。数字地面高程DEM 数据为30 m 分辨率的SRTM 数据（http：//srtm.csi.cgiar.org）。 河网水系、1∶10 万土地利用类型及土壤田间持水力等地理信息数据均来源于国家气候中心。图1 给出了太子河流域气象站、水文站的分布情况。

图1 太子河流域气象站、水文站分布及子流域的划分

2.2 HBV 水文模型

HBV 模型是由瑞典水文气象局于20 世纪70年代开发的概念性、半分布式水文模型，经多次改进与修正，已形成了多个版本，被广泛应用在30 多个国家和地区上百个流域的降水径流模拟与洪水预报中[23]。本研究所采用的HBV-D 模型是德国波茨坦气候影响研究所Krysanova.V 博士于1999 年改进[24]，适用于大尺度流域水文模拟。该模型以逐日气温、降水量、径流量、水位、流域面积、土壤持水力等为输入数据，输出结果为模拟日径流深。

模型包含4 个模块，分别是积雪和融雪模块、土壤含水量计算模块、响应模块及汇流模块。 HBV 模型根据高程DEM 和日平均气温判断降水进入模型的方式，当日平均气温高于（低于）临界温度时，降水以降雨（降雪）的形式进入模型[25]。 土壤含水量计算模块同时结合了植被截留和土壤蓄水能力[26]，计算整个流域的湿润指数，产生的每个子流域超渗水量，由响应模块转化为各子流域出流量。 通过三角形权重函数模拟汇流过程，对产生的径流进行过滤，最终模拟得到整个研究流域的日径流深（mm）。

HBV 水文模型需输入积雪和融雪参数、潜在蒸发能力参数、土壤水分参数、上层和下层地下水消退系数及汇流过程参数等30 余个有意义的参数，其值可通过人工试错法进行优化调整， 通过不断调试参数值， 直到输入的参数使模拟径流值与观测值相接近，模型在率定期内便达到拟合最优效果。通常采用Nash 效率系数NSE（Nash-Sutcliffe Efficiency）与确定性系数（R2）对模拟结果进行度量，NSE反映的是径流模拟值与实测值的接近程度，R2用于度量径流模拟值与实测值的相关程度[27]。 NSE与R2在0～1，越接近1，拟合效果越好[28]，数值为负时，说明模型不适用或数据不合理。

3 太子河流域HBV 水文模型的建立

3.1 模型数据构建

步骤一：子流域划分。 利用GIS 的水文分析工具，经过DEM 填洼、根据坡向提取单元网格流向、计算汇流累积量等工作，将太子河流域划分为12 个子流域（图1）。

步骤二：气象要素插值。 通过R 语言软件，利用克里金插值法，将气象站的气温、降水插值到12 个子流域中心点上，得到各子流域的气温与降水，并用于驱动模型。

步骤三：土壤持水力计算。采用国家气候中心提供的全国土壤持水力格点数据， 利用GIS 对数据进行重采样和分区统计，获得各子流域土壤持水力FC值（表1）。

表1 土壤持水力

步骤四：土地利用代码转换。太子河流域内土地利用类型主要有林地、草地、湿地、城镇用地、裸地、农田及旱地等，利用GIS 对土地利用进行重分类，转换为HBV 模型需要的地类代码（图2）。

图2 太子河流域土地利用类型

步骤五：汇流时间计算。利用GIS 提取各子流域河流长度，利用公式Length×0.012/1000 获得子流域汇流时间（表2），各子流域基本在一日内完成汇流。

表2 汇流时间

步骤六：格式统一。 数据需要统一地理坐标、投影和分辨率，地理坐标选择WGS1984，投影系统选择Albers 投影，分辨率设置为100 m×100 m。

利用整理好的数据来驱动HBV 模型，通过模型运行对12 个子流域进行产汇流模拟，再将各子流域产生的从上游到下游的出流累加起来， 形成全流域的出流。

3.2 模型参数的率定与验证

选取1964—1970 年的实测径流序列作为模型的率定期，1975—1979 年及2008—2012 年实测径流作为验证期。HBV 模型中可调试的参数有33 个，根据以往经验， 在率定期内采用试错法反复修改参数值，通过对比模拟径流与实测径流的差异，最终确定了模型在太子河流域的敏感参数有12 个，再利用验证期对参数值进行校准， 得到了敏感参数的最佳取值范围（表3）。

表3 HBV 模型最优参数值

参数调试至最佳取值基础上，经HBV 模型模拟得到太子河流域日径流深模拟结果， 对逐日结果进行求和得到逐月径流， 将模拟径流深与实测数据进行对比分析。 在率定期内，逐日径流模拟过程的NSE为0.66，R2为0.68， 逐月模拟的NSE为0.78，R2为0.81；验证期1975—1979 年，日径流的NSE为0.63，R2为0.73，月径流的NSE为0.69，R2为0.77；而在验证期2008—2012 年， 逐日模拟的NSE与R2分别为0.67 和0.68， 逐月模拟的NSE与R2分别为0.85 和0.89。由图3～5 可知，模拟与实测的径流曲线相似程度较高，径流的变化趋势特征基本一致，表明HBV水文模型能有效地对太子河流域的逐日及逐月径流过程进行模拟。

图3 率定期1964—1970 年模拟和实测径流及降水量曲线

HBV 模型基本模拟出径流的季节变化特征，对洪峰过程的模拟也较精准。 每年夏季太子河流域降水显著增多，易于形成地表径流，冬季气温降低，降水减少且多以降雪形式出现， 径流的形成多是来自地下水，因而11 月—次年4 月径流偏小。 此外对大水年（1964、2010 年），HBV 模型基本模拟出了洪水的洪峰流量过程。HBV 水文模型在太子河流域有很好的适用性，能较好地模拟出径流变化，可进一步作为确定太子河流域致洪临界雨量阈值的工具。

图4 验证期1975—1979 年模拟和实测径流及降水量曲线

图5 验证期2008—2012 年模拟和实测径流及降水量曲线

4 致洪临界雨量的确定

流域水位的变化是判断洪水等级高低的最直观指标。 警戒水位是指河水上涨到河段内可能发生险情的水位，多取为洪水普遍漫滩时的水位，此时开始进入防汛戒备状态。 保证水位是堤防工程所能保证自身安全运行的水位， 一般是堤防的设计水位或历史上防御过的最高水位。因此，可将河水上涨至警戒水位、 保证水位作为流域发生不同等级洪水的一个判断指标。 水位的涨落与流量的多寡具有对应的关系，利用太子河流域一次大水过程（2010 年）的水位与流量数据，点绘两者的关系散点，概化为单一关系曲线（图6）。

图6 小林子水文站水位—流量关系曲线

辽宁省防汛抗旱水情信息网记录了太子河小林子水文站警戒水位为12.5 m， 保证水位为16.8 m。根据章国材的研究[29]，流域发生暴雨洪涝灾害的临界气象条件是与前期水文特征有关的动态条件。 对太子河流域历次洪水过程进行统计分析发现， 洪水的起涨水位一般高于8 m， 因而选取8、9、10、11、12 m分别作为起始水位，可利用率定好的HBV 水文模型推算得到不同起始水位下， 当洪水分别上涨到警戒水位与保证水位时， 对应的太子河流域致洪临界面雨量。

HBV 模型预运行使某一日河水上涨至起始水位，将起始水位所在的日子选为第一日，且该日前未发生过较大的降水过程， 这样可以消除前期降水对水位上涨的影响，不断调整第二日的面雨量，把调整后的面雨量带入到HBV 模型进行径流模拟，将第三日的模拟径流量带入到水位—流量关系中得到模拟水位， 将模拟水位与临界水位（警戒水位和保证水位）相对比，如果两者相差较大，则重新给定第二日的面雨量进行模拟， 直到第三日的模拟水位与临界水位相一致， 这时输入的第二日面雨量值就是不同起始水位上涨至临界水位的致洪临界雨量阈值。 表4 列出了不同起始水位下对应的临界雨量， 临界雨量随着起始水位的升高而减小。由于HBV 水文模型的模拟步长为日， 计算得到的致洪临界雨量时效为日雨量。

表4 太子河流域致洪临界雨量

5 结论与讨论

（1）HBV 水文模型在太子河流域模拟效果较理想，率定期与验证期的Nash 效率系数及确定性系数均在0.60 以上，模拟结果基本反映出径流的季节演变特征及洪水对降水的响应过程。

（2）HBV 模型的4 个模块均对太子河流域径流的模拟结果有影响，其中积雪和融雪模块（CFR）、土壤含水量计算模块（BETA） 与响应模块（KUZ2、UZ1、PERC）中的这些参数最敏感，对模拟结果影响最大。

（3）以洪水上涨至警戒水位、保证水位作为发生不同等级洪水的判断指标，通过建立的HBV 水文模型，输入不同起始水位的不同降水量值，基于小林子水文站的水位—流量关系， 推算得到5 个不同起始水位条件下暴雨诱发的太子河流域洪水致洪临界雨量。

本研究基于收集到的太子河流域内的气象、水文监测资料，应用HBV 水文模型确定了流域内小林子水文站的暴雨洪涝致洪临界雨量，效果较好。太子河流域面积较大，流域内不同水文站的警戒水位、保证水位具有差异， 在不同起始水位下应用各水文站数据计算得到的致洪临界雨量也会有所不同， 需要加强太子河流域的水文气象监测能力， 应用更加细致的信息进一步开展研究， 不断完善太子河流域不同水文断面上的致洪临界雨量阈值， 提高暴雨洪涝灾害气象风险预警服务保障能力。