基于HBV模型的尼洋曲流域上游洪水致災(zāi)臨界面雨量研究

林志強(qiáng), 洪健昌, 尼瑪吉, 路紅亞

(西藏自治區(qū)氣候中心, 西藏 拉薩 850000)

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基于HBV模型的尼洋曲流域上游洪水致災(zāi)臨界面雨量研究

林志強(qiáng), 洪健昌, 尼瑪吉, 路紅亞

(西藏自治區(qū)氣候中心, 西藏 拉薩 850000)

[目的] 建立工布江達(dá)以上尼洋曲流域的降水—徑流關(guān)系，構(gòu)建該流域的致洪臨界雨量指標(biāo)，以期為開展山洪氣象預(yù)警工作提供參考。 [方法] 根據(jù)流域暴雨洪水致災(zāi)機(jī)制，利用地面氣象觀測和CMORPH資料，基于HBV水文模型進(jìn)行計(jì)算分析。 [結(jié)果] 利用2007—2011年觀測數(shù)據(jù)對(duì)HBV水文模型的參數(shù)優(yōu)化和率定，模擬數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)的確定性系數(shù)為0.91，NASH效率系數(shù)為0.89；采用2012—2014年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，確定性系數(shù)為0.86，NASH效率系數(shù)為0.85，率定期和驗(yàn)證期的平均相對(duì)誤差均為3.1%，表明經(jīng)過率定的HBV模型對(duì)尼洋曲上游流域具有較好的適用性。 [結(jié)論] 尼洋曲流域的洪水過程不僅與實(shí)時(shí)降水的面雨量有關(guān)，還與前期基礎(chǔ)水位有關(guān)，致災(zāi)臨界面雨量隨前期基礎(chǔ)水位升高而減小，并且隨著前期水位的變化，臨界雨量值呈現(xiàn)了非線性響應(yīng)特征。

尼洋曲流域; 臨界面雨量; HBV模型; 洪水災(zāi)害

文獻(xiàn)參數(shù)： 等.基于HBV模型的尼洋曲流域上游洪水致災(zāi)臨界面雨量研究[J].水土保持通報(bào)，2016,36(4)：22-26.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.004

在西藏自治區(qū)境內(nèi)，流域面積大于10 000 km2的河流有20多條，流域面積大于2 000 km2的河流有100條以上[1]，由于西藏地區(qū)海拔高，地形條件復(fù)雜，生態(tài)脆弱，社會(huì)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，抗災(zāi)能力弱，汛期受強(qiáng)降雨影響，中小河流山洪地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害頻次高、危害重、影響大，是政府關(guān)注的重點(diǎn)，也是西藏地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)的首要任務(wù)之一[2-3]，尤其是在氣候變暖背景下，西藏地區(qū)極端氣候事件頻發(fā)[4]，中小河流山洪和地質(zhì)災(zāi)害的危害更為凸顯。例如，2000年8月底，日喀則地區(qū)年楚河流域東部特大洪災(zāi)，日喀則到邊境重鎮(zhèn)亞東的交通全部中斷，許多農(nóng)牧民的房子被沖垮；2014年7月全區(qū)因持續(xù)性或局部強(qiáng)降雨導(dǎo)致的山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害10余起，受災(zāi)區(qū)域遍及拉薩市、山南地區(qū)、林芝地區(qū)、日喀則地區(qū)，災(zāi)情造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)160余萬元。山洪形成的主要原因是降雨，當(dāng)一個(gè)小流域某時(shí)段內(nèi)的降雨量達(dá)到或超過某一量級(jí)和強(qiáng)度，形成的洪水流量剛好為河道的安全泄洪能力，大于該量級(jí)雨量可引發(fā)山洪災(zāi)害，將此時(shí)的降雨量稱為致災(zāi)臨界雨量。致災(zāi)臨界雨量是山洪災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)的重要指標(biāo)，其中動(dòng)態(tài)臨界雨量在業(yè)務(wù)應(yīng)用中最為方便[5-7]，具有較大的參考價(jià)值。為服務(wù)于西藏地區(qū)中小河流致洪暴雨預(yù)報(bào)，綜合考慮流域社會(huì)生產(chǎn)和氣象、水文觀測站的分布，本研究選取尼洋曲上游(工布江達(dá)以上)流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以半分布式水文模型HBV為基礎(chǔ)，利用歷史氣象和水文資料，建立該流域的致洪臨界雨量指標(biāo)，以期為開展山洪氣象預(yù)警業(yè)務(wù)提供參考，為高原復(fù)雜地形流域的致災(zāi)臨界雨量確定探索方法，以減少山洪危害，保障西藏社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

1　資料與方法

1.1研究區(qū)概況

尼洋曲雅魯藏布江5大支流之一，位于雅魯藏布江中下游左岸，流域介于北緯29°28′—30°30′和東經(jīng)92°10′—94°35′，流域東西長約230 km，南北寬約110 km，流域面積17 535 km2，居雅魯藏布江5大支流第4位，水量僅次于帕隆藏布[8]。尼洋曲流域內(nèi)山岳起伏，地形復(fù)雜，處于高原和藏東南峽谷的過渡地帶，總的趨勢是西北高、東南低。流域自然條件優(yōu)越，年降水量約634.7 mm，干濕季分明，5—10月為雨季，集中6—7月，沿雅魯藏布江河谷進(jìn)入的暖濕氣流控制本流域，溫暖濕潤多雨，降水從東向西遞減；11月至次年4月為旱季，主要受西風(fēng)帶影響，干燥少雨[9]。流域內(nèi)森林和水力資源豐富，農(nóng)業(yè)歷史悠久，水能資源豐富，據(jù)測算天然水能蘊(yùn)藏量達(dá)2.70×106kW，在干流和支流已建設(shè)大小水電站數(shù)十座，但水能開發(fā)利用率仍然較低。尼洋曲源頭至工布江達(dá)為上游段，上段為寬谷，下段為峽谷，長125 km，落差1 570 m，平均坡降12.6‰，拉林公路沿河而建，在汛期(6—9月)流域洪水多發(fā)，對(duì)交通和電力有較大影響，由于流域內(nèi)降雨致洪，河道水位上漲，導(dǎo)致沿河區(qū)域被淹，人民生命財(cái)產(chǎn)受損，是沿岸重要的氣象衍生災(zāi)害。

1.2數(shù)據(jù)資料

氣象數(shù)據(jù)采用流域內(nèi)及其鄰近地面氣象觀測站，包括嘉黎、墨竹工卡、加查和澤當(dāng)4個(gè)氣象站的逐日降水和氣溫資料，由西藏自治區(qū)氣象局信息網(wǎng)絡(luò)中心提供；由于流域地處西藏高原地區(qū)，海拔較高，自然條件惡劣，流域內(nèi)無氣象觀測站點(diǎn)，因此采用了CMORPH(CPC MORPHing technique)降水?dāng)?shù)據(jù)作為降水觀測的補(bǔ)充。在流域的簡單對(duì)比分析；水文數(shù)據(jù)采用工布江達(dá)水文站逐日水位和流量資料；數(shù)字地面高程(DEM)為90 m分辨率的SRTM數(shù)據(jù)，利用GIS水文分析工具，去除小面積的流域后將尼洋曲上游分為141個(gè)子流域，采用泰森多邊形方法得到各子流域逐日面雨量；土地利用為西藏地區(qū)1∶10萬土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集。氣象、高程和土地利用數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)HBV水文模型。

CMORPH數(shù)據(jù)是應(yīng)用較廣泛的衛(wèi)星反演降水?dāng)?shù)據(jù)，由NOAA氣候預(yù)測中心(CPC)創(chuàng)建，采用CMORPH逐日降水，空間分辨率為0.25°×0.25°。通過雙線性插值將CMORPH數(shù)據(jù)插值到流域氣象觀測站上，結(jié)果表明流域4個(gè)氣象站的相關(guān)系數(shù)在0.31～0.47之間，平均絕對(duì)誤差在1.2～1.7 mm之間，均方根誤差在2.4～3.1 mm之間，與成璐等[10]的分析結(jié)果相近，總體而言，受高原地區(qū)復(fù)雜地形的影響,CMORPH降水在高原地區(qū)的精度較我國其它地區(qū)有所降低,由于CMORPH數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣，時(shí)效性強(qiáng)，可以彌補(bǔ)高原地區(qū)地面雨量觀測不足，具有業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值，

1.3HBV水文模型

HBV(hydrologiska fyrans vattenbalans)水文模型是由瑞典水文研究所研發(fā)的一個(gè)概念性、半分布式的流域水文模型，能模擬包括積雪、融雪、實(shí)際蒸散量、土壤水分存儲(chǔ)、地下水和徑流等水文過程，已在全世界多個(gè)不同氣候條件的國家得到應(yīng)用[11]，能適用于各種復(fù)雜氣候條件下的水文模擬，具有輸入?yún)?shù)少、適用性強(qiáng)和模擬精度高等優(yōu)點(diǎn)。HBV模型將流域分為多個(gè)子流域，每個(gè)子流域根據(jù)高程、水面面積和下墊面類型等分成多個(gè)徑流帶，水量平衡方程定義為：

(1)

式中：P，E，Q——降水、蒸發(fā)和流量；SP——雪蓋；SM——土壤含水量；UZ——表層地下含水層；LZ——深層地下含水層；VL——水體體積。

HBV模型綜合考慮了土壤、水文、氣象等多要素，能夠?qū)λ倪^程進(jìn)行科學(xué)合理描述，具有很好的普適性。近些年來我國學(xué)者應(yīng)用該模型于不同地區(qū)水文研究：王亞杰等[12]應(yīng)用于海南南渡江流域洪澇致災(zāi)臨界面雨量研究；劉綠柳等[13-14]利用HBV模型研究未來氣候變化對(duì)珠江流域水文過程的影響；高超等[15]對(duì)比了HBV等水文模型在不同尺度流域和數(shù)據(jù)的適用性；張建新等[16]則分析了HBV模型在東北冰雪地區(qū)的適用性；王有恒等[17]、樊靜等[18]和劉義花等[19]分別分析了甘肅白龍江流域、新疆開都河流域和青海玉樹巴塘河流域的洪水致災(zāi)臨界雨量，這些研究表明，HBV模型對(duì)熱帶/亞熱帶濕潤地區(qū)、溫帶濕潤地區(qū)、干旱半干旱地區(qū)和冰雪地區(qū)均具有較好的適用性，但對(duì)高原復(fù)雜地形流域地區(qū)的研究較少，本研究采用2007—2011年觀測數(shù)據(jù)對(duì)HBV模型進(jìn)行率定，采用平均絕對(duì)誤差(MAE)、平均相對(duì)誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)、確定性系數(shù)(R2)和NASH效率系數(shù)(M)來度量模擬結(jié)果：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：QO，QS——觀測值和模擬值； N——樣本數(shù)，MAE，MRE和RMSE越小，模擬效果越好；R2和M取值在0～1之間，越接近1，模擬效果越好。HBV模型綜合考慮了降水、氣溫、土壤含水性能和產(chǎn)匯流等要素進(jìn)行徑流模擬，包括了降水模塊、土壤模塊、產(chǎn)匯流模塊和河道模塊等，包括積雪和融雪參數(shù)、溫度閾值參數(shù)、田間持水量等30多個(gè)具有物理意義的參數(shù)，為了使HBV模型更適用于研究區(qū)域，采用部分實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)HBV模型進(jìn)行參數(shù)率定(表1)，然后以其他數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，以檢驗(yàn)參數(shù)率定結(jié)果。

表1　HBV水文模型參數(shù)率定值

2　水文模型參數(shù)率定和驗(yàn)證

將2007—2011年的氣象和水文觀測數(shù)據(jù)作為率定數(shù)據(jù)，用于確定HBV水文模型參數(shù)，模型率定期觀測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的MAE，MRE和RMSE分別為0.14 m，3.1%和0.18 m，確定性系數(shù)達(dá)0.91，NASH效率系數(shù)為0.89，模擬效果很好，表明HBV模型能夠有效地模擬尼洋曲上游日徑流過程(圖1)。以2012—2014年為驗(yàn)證期，此期間觀測數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)適用性和模擬結(jié)果，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性和可靠性。驗(yàn)證結(jié)果與率定期效果基本一致，驗(yàn)證期的MAE，MRE和RMSE分別為0.15 m，3.1%和0.22 m，確定性系數(shù)為0.86，NASH效率系數(shù)為0.85，模擬的水文過程與實(shí)測基本吻合(圖1)，進(jìn)一步驗(yàn)證了經(jīng)過率定的HBV模型能很好地模擬尼洋曲上游流域水文過程，該模型能用于指定尼洋曲上游流域致災(zāi)臨界雨量。

圖1　尼洋曲流域上游HBV-D水文模型率定期和驗(yàn)證期模擬-觀測值

根據(jù)西藏自治區(qū)水文水資源勘測局提供的工布江達(dá)水文站河道考證資料，工布江達(dá)的警戒水位(一級(jí))為5 m，保證水位(二級(jí))為5.5 m，對(duì)2007—2014年逐日水位資料進(jìn)行分析，共有151 d達(dá)到警戒水位，68 d達(dá)到保證水位，圖2給出了這些日數(shù)中不同量級(jí)的前一天的水位(起漲水位)和面雨量的出現(xiàn)率。工布江達(dá)站的警戒水位和保證水位的起漲水位都在4.3 m以上，警戒水位和保證水位的起漲水位概率分布呈正態(tài)分布，5.3 m出現(xiàn)概率最多。達(dá)到警戒水位和保證水位所需的面雨量隨著起漲水位的增加而減小，起漲水位在5 m以下時(shí)，要達(dá)到警戒水位，面雨量需在20 mm以上；要達(dá)到保證水位，面雨量在40 mm以上。起漲水位達(dá)到5 m以上時(shí)，面雨量只需達(dá)到5 mm以上即可使水位達(dá)到警戒水位，只需達(dá)到20 mm以上即可使水位達(dá)到保證水位。當(dāng)起漲水位達(dá)到6 m以上時(shí)，第二天的水位都能達(dá)到警戒水位。

圖2　警戒水位和保證水位的前日水位和面雨量概率分布

3　不同前期水位的致災(zāi)臨界雨量

流域洪水的發(fā)生是氣象、地形、下墊面類型和水利防洪工程建設(shè)等多方面要素共同作用的結(jié)果，為了提供更有力的參考，致災(zāi)臨界雨量應(yīng)是一個(gè)與多方面條件相關(guān)的動(dòng)態(tài)閾值，尤其與前期水文條件息息相關(guān)。按照?qǐng)D3所示流程利用率定后的HBV模型反算臨界面雨量：首先運(yùn)行HBV模型使水位達(dá)到一定水平，然后輸入給定面雨量進(jìn)行徑流模擬，不斷增加雨量值，直到模擬水位達(dá)到臨界水位水平，該雨量即為所求臨界雨量值(表2)。臨界雨量值隨前期基礎(chǔ)水位的升高而減小，且臨界雨量隨著不同的前期水位變化呈現(xiàn)非線性變化特征，升高相同高度的水位時(shí)，前期水位更高則臨界面雨量增加值減小，這是因?yàn)楦叩那捌谒?，流域土壤更為濕潤，持水能力減小，使得進(jìn)入河流的水量增加，因而需要的雨量增加值減小。

圖3　HBV模型確定致災(zāi)臨界雨量流程

前期基礎(chǔ)水位/m臨界水位臨界面雨量/mm2.0警戒水位(5m)150保證水位(5.5m)1802.5警戒水位(5m)113保證水位(5.5m)1513.0警戒水位(5m)82保證水位(5.5m)1313.5警戒水位(5m)70保證水位(5.5m)1104.0警戒水位(5m)50保證水位(5.5m)754.5警戒水位(5m)20保證水位(5.5m)435.0警戒水位(5m)5保證水位(5.5m)21

4　討論與結(jié)論

強(qiáng)降水導(dǎo)致的中小河流流域洪水是西藏東南部地區(qū)重要的氣象衍生災(zāi)害，根據(jù)流域暴雨洪水致災(zāi)機(jī)制，本文利用2007—2014年地面氣象觀測、水文觀測資料和CMORPH資料，基于HBV水文模型建立了尼洋曲上游流域致災(zāi)臨界面雨量，本文研究表明HBV模型對(duì)西藏高原復(fù)雜地形河流流域具有適用性，結(jié)果能為西藏地區(qū)其他流域確定致災(zāi)臨界面雨量提供思路，為西藏地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)和水文氣象服務(wù)提供決策參考。利用經(jīng)過率定的HBV模型和氣象部門的定量降水預(yù)報(bào)(PRF)、數(shù)值模式提供的集合降水預(yù)報(bào)等結(jié)果，可以進(jìn)行河流徑流中短期預(yù)報(bào)；另外，由于本研究采用的模型模擬時(shí)間步長和資料的限制，僅作出了日雨量的臨界值，在水文氣象服務(wù)和較短時(shí)間內(nèi)決策服務(wù)中，需要作出日尺度以內(nèi)的徑流預(yù)報(bào)，這是本研究今后進(jìn)一步的工作目標(biāo)。

[1]關(guān)志華,陳傳友.西藏河流水資源[J].資源科學(xué),1980,2(2):25-35.

[2]溫克剛,劉光軒.中國氣象災(zāi)害大典(西藏卷)[M].北京:氣象出版社,2008.

[3]林志強(qiáng),德慶,文勝軍,等.西藏高原汛期大到暴雨的時(shí)空分布和環(huán)流特征[J].暴雨災(zāi)害,2014,33(1):73-79.

[4]杜軍,路紅亞,建軍.1961—2012年西藏極端降水事件的變化[J].自然資源學(xué)報(bào),2014,29(6):990-1002.

[5]葉金印,李致家,常露.基于動(dòng)態(tài)臨界雨量的山洪預(yù)警方法研究與應(yīng)用[J].氣象,2014,40(1):101-107.

[6]鄭芳,蔡建軍.蔡家川.流域降雨—徑流關(guān)系及水量平衡分析[J].水土保持通報(bào),2012,32(1):71-76.

[7]盧燕宇,田紅.基于HBV模型的淮河流域洪水致災(zāi)臨界雨量研究[J].氣象,2015,41(6):755-760.

[8]王秀麗,范世東,黃繼剛,等.西藏尼洋曲流域考察報(bào)告[J].西藏科技,1996,22(2):10-16.

[9]宋善允,王鵬祥,杜軍,等.西藏氣候[M].北京:氣象出版社,2013.

[10]成璐,沈潤平,師春香,等. CMORPH和TRMM3 B42降水估計(jì)產(chǎn)品的評(píng)估檢驗(yàn)[J].氣象,2014,40(11):1372-1379.

[11]Bergstorm S. Development and application of a conceptual runoff model for Scandinavian catchment [M]. Norrkoping: University of Lurd, 1976.

[12]張亞杰,吳慧,吳勝安,等.南渡江流域暴雨洪澇致災(zāi)臨界面雨量的確定[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2014,25(6):731-740.

[13]劉綠柳,姜彤,徐金閣,等.21世紀(jì)珠江流域水文過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J].氣候變化研究進(jìn)展,2012,8(1):28-34.

[14]劉綠柳,姜彤,徐金閣,等.西江流域水文過程的多氣候模式多情景研究[J].水利學(xué)報(bào),2012,43(12):1413-1421.

[15]高超,劉青,蘇布達(dá),等.不同尺度和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的水文模型適用性評(píng)估研究:淮河流域?yàn)槔齕J].自然資源學(xué)報(bào),2013,28(10):1765-177.

[16]張建新,趙孟芹,章樹安,等. HBV模型在中國東北多冰雪地區(qū)的應(yīng)用研究[J].水文,2007,27(4):31-34.

[17]王有恒,譚丹,景元書.HBV水文預(yù)報(bào)模型在白龍江流域的應(yīng)用研究[J].水土保持通報(bào),2015,35(3):218-221.

[18]樊靜,江遠(yuǎn)安,陳穎,等.基于HBV模型的開都河致災(zāi)洪水臨界雨量分析[J].沙漠與綠洲氣象,2014,8(6):31-35.

[19]劉義花,魯延榮,周強(qiáng),等.HBV水文模型在玉樹巴塘河流域洪水臨界雨量閾值研究中的應(yīng)用[J].水土保持研究,2015,22(2):224-228.

Critical Rainfall Inducing Flood Disaster of Nyang River Based on HBV Model

LIN Zhiqiang, HONG Jianchang, NI Maji, LU Hongya

(ClimateCenterofTibetAutonomousRegion,Lasa，Tibet850000，China)

[Objective] This paper studied the relationship between rainfall and runoff over upper Nyang river above Gongbo-gyamda Hydrological station to find the critical rainfall that will result to flood. We expected to provide reference for the meteorology pre-warning of mountain torrents. [Methods] Data of ground meteorological observation and CMORPH were used. The upper Nyang river watershed of the hazard critical rainfall was obtained according to the HBV rainfall-runoff model. [Results] After parameter optimization and calibration, the HBV model had a certainty coefficient of 0.91 and NASH efficiency coefficient of 0.89 in the phase of calibration during 2007—2011. Model was validated using the data of 2012—2014, in this phase, certainty factor was 0.86 and NASH efficiency was 0.85. For both the phases of calibration and validating, relative error was averaged as 3.1 %, which implied that the model was applicable. [Conclusion] The flood process in Nyang river basin was not only related to the rainfall in whole basin, but also to the previous water level. The critical rainfall of flood inducement decreased with the increase of previous water level, and vice versa. The critical rainfall showed a nonlinear responsive characteristics.

Nyang River basin; interfacial precipitation; HBV model; flood disaster

2015-09-16

2015-10-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“西藏高原災(zāi)害性天氣分析和預(yù)報(bào)方法研究”(41465006)； 高原氣候與氣候變化創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金項(xiàng)目(XZQX201302)

林志強(qiáng)(1982—),福建省漳州市人,碩士，工程師，主要從事高原天氣預(yù)報(bào)工作。E-mail:linzq82@gmail.com。

B

1000-288X(2016)04-0022-05

P339