hbv水文模型

HBV水文模型HydrologiskaFyransVattenbalansmodell制作人：王大环学号：107551500598模型基本原理二HBV模型在径流模拟中的应用三应用实例四概述一HBV水文模型本章小结五1怪坡21.背景20世纪70年代，为了开发水力发电厂洪水预报模型，瑞典国家水文气象局（SMHI）开发了HBV模型。当时开发该模型的主要要求包括：①必须以可靠的科学理论为依据；②大多数流域都能满足其数据需求；③功能尽可能强大又不能太复杂；④模型结构比较合理；⑤能够让使用者易于理解；一、概述1.背景事实证明，HBV模型在解决水资源问题上具有较大的通用性和灵活性，目前全世界有40多个国家在使用不同版本的HBV模型，这些国家具有不同的气候条件，如瑞典、津巴布韦、印度和哥伦比亚，在其他国家的应用也日益增多。图1HBV模型应用的国家和地区2.发展历程：HBV模型最初是一个很简单的集总式水文模型，后来逐渐发展成为分布式（准确的说是半分布式）的水文模型。其主要的发展历程如下：1972：首次被瑞典国家水文气象局用于径流模拟和水文预报1975夏：加入了积雪和融雪模块，随后瑞典国家水文气象局在瑞典北部某一流域开发了第一个可操作的预报系统，同年，该模型传入挪威1985年：HBV被用于水质模拟，开发了HBV模型的改进版PULSE模型.1986年：世界气象组织（WMO）关于融雪径流模拟的模型比较中，HBV模型表现突出1992年：HBV模型已应用于30多个国家，出现了很多不同的版本1996年：发布了HBV-96，该模型中子流域完全运用分布式方法，其中某些计算运用统计方法，实现了由集总式模型向分布式模型的转变2.发展历程1998年：开发HBV-N模型，模拟计算从根系到流域出口氮的运移2000年至今：瑞典国家水文气象局正在开发HBV模型的10天预报期欧洲洪水预报模型3.在我国的研究与应用现状•在我国HBV模型的应用和研究比较少，应用比较多的是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，改该所针对西北干旱区内陆河流做了相关性研究工作。•康尔泗等(1999)根据径流形成过程和特征，应用HBV概念性水文模型的产流和汇流的基本原理，对HBV模型进行改进，首先建立了用以模拟出山月径流量对气候变化响应的模型，对河西走廊黑河山区流域不同年平均气温和年降水量变化趋势条件下出山径流的响应进行了模拟计算。•其次是建立了西北干旱区内陆河出山径流概念性水文模型，应用该模型对河西走廊黑河祁连山北坡的山区流域水量平衡进行了模拟计算，并对年径流和月径流进行了预报3.在我国的研究与应用现状另外，康尔泗（2001）根据黑河流域山区流域径流模型对南水北调西线雅龚江温波调水坝址控制流域的水量平衡、融雪径流、产流和汇流特征以及出山径流量进行模拟计算和讨论，从而为西线南水北调调水坝址设计径流量的确定提供了校核依据和方法。赵彦增等（2007）应用HBV模型在半湿润半干旱的淮河官寨流域进行了深入研究，通过连续8年实测资料的分析处理、建模参数率定以及径流模拟，探讨了该模型在我国西北干旱区的适用性，从径流过程模拟成果可以看出，结果比较理想，可以在我国推广应用。二、模型基本原理1.模型结构•HBV模型属于第二代模型，由于致力于用尽可能简单而合理的结构模拟大多数主要的产流过程，在众多模型中间表现的异常突出。HBV模型确切地说是一个半分布式的概念性水文模型，它把流域分成许多子流域，每个子流域在根据高程、水面面积和下垫面类型分成许多径流带。•根据流域水系拓朴结构，分别模拟各子流域的径流过程,确定各子流域产流到达总流域出口所流经的子流域，计算各子流域径流到达总流域的出口时间，最后根据汇流时间叠加总流域产流量，形成流域总出口的径流过程。2.模型基本原理HBV模型是一个降雨—径流模型，它包括了流域尺度上的水文过程的概念性数值描述。一般水量平衡方程定义为：式中：Ｐ为降水；Ｅ为蒸发量；Ｑ为流量；SP为雪盖；SM为土壤含水量；UZ为表层地下含水层；LZ为深层地下含水层;Lakes为水体体积。LakesLZUZSMSPdtdQEPHBV模型包括一系列自由参数，其值可以通过率定得到。同时也包括一些描述流域和气候特征的参数，它们的值在模型率定是假定不变。子流域的划分使得在一个子流域中可能有很多参数值。虽然在大多数应用中，各子流域之间参数值只有很小的变化，但仍应慎重选取这些参数。HBV模型主要包括三个子程序：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。2.模型基本原理2.模型基本原理模型概念图2.模型基本原理P-降水T-温度SF-积雪Z-高程PCALTL-高程修正阈值TTL-温度步长阈值IN-入渗EP-潜在蒸散发EA-实际蒸散发EI-截留蒸散发SM-土壤含水量FC-土壤平均蓄水量LP-潜在蒸发上限BEFA-土壤消退系数R-补给CFLUX-毛管上升水UZ-表层含水层LZ-地下含水层PERC-渗漏K-壤中流消退系数ALFA-壤中流消退指数K4-地下径流消退系数Q0，Q1-径流组成HQ-高流量参数KQH-HQ对应的消退系数UZHQ-高流量下的表层水库含水量2.(1)数据要求和修正•最流行的SMHI版HBV模型中，降雪程序通常以日数据运行，但只要数据允许，更高精度也同样可行。•一般数据需求包括子流域划分和连接，高程和土地被覆，以及降水和气温时间序列资料（某些站点需要流量观测时间序列）。其他版本的模型可能要求更多输入数据。•土壤含水量计算程序需要的数据是潜在散发（PE）通常月平均标准值已经足够，如果有更详细的数据也适用。•同一地区各子流域的平均气候资料通过一个简单计算权重的程序独立计算，权重结果由气候和地形因素或几何方法（如泰森多边形法）确定。•气候输入数据需进一步经过高程递减率参数校正，气温递减率通常设定为海波每上升100m气温降低0.6℃。降水递减率于地形关系密切，应根据当地的气候因素设定荷兰气候学家A·H·Thiessen提出了一种根据离散分布的气象站的降雨量来计算平均降雨量的方法，即将所有相邻气象站连成三角形，作这些三角形各边的垂直平分线，于是每个气象站周围的若干垂直平分线便围成一个多边形。用这个多边形内所包含的一个唯一气象站的降雨强度来表示这个多边形区域内的降雨强度，并称这个多边形为泰森多边形。如图，其中虚线构成的多边形就是泰森多边形。泰森多边形每个顶点是每个三角形的外接圆圆心。泰森多边形也称为Voronoi图，或dirichlet图。2.(1)数据要求和修正2.(2)降雪对于不同高程和植被带，降雪程序独立计算积雪的堆积和融雪过程。•当该气温在临界温度（Tt）以下则假定降水为雪。为了计算未知的降雪和冬天蒸发，积雪量经降雪修正因子CSF进行修正。当气温在临界温度Ｔt之上时开始融化，融雪量（Ms）根据下面的简单度日公式进行估算。•式中：Ms为融雪量（mm/d）;Cs为度日因子[mm/(℃·d)]；Tt为临界气温（℃）；Ta为日平均气温（℃）。TtTCsMsa•固态、液态降雨分离–固液态降水分离采用临界气温法，根据子流域平均高程和温度判断降水方式,即是降雨还是降雪,如果流域温度(T)阈值温度(tt），降水为降雨，反之为降雪。流域降水经降水观测误差校正后表达式为：–RF=pcorr·rfcf·PifTtt–SF=pcorr·sfcf·PifTtt–式中：RF为降雨；SF为降雪；P为观测的降水量；T为流域气温；tt为阈值温度；rfcf为降雨修正因子；sfcf为降雪修正因子；pcorr为普通降水修正因子2.(2)降雪•融雪计算–融雪量计算由度—日公式进行估算。当气温(T)大于阈值温度(tt)时开始融化，融雪量：–Snowmelt=cfmax·(T-tt)–式中：Cfmax为雪度—日因子。融雪量只有超过液态水持雪能力后才会产生径流，如果Ttt融雪过程中断，则雪中自由水重新冻结，冻结量由下式表示：–Refreezingmeltwater=cfr·cfmax·(tt-T)–式中：cfr为冻结系数，其他参数意义同上。2.(2)降雪•冰川融水计算–当流域上的积雪完全消融后，冰川开始融化，融化量也是根据度-日公式进行计算–Glaciermelt=gmelt·(T-tt)–式中：gmelt是冰川度—日因子。–积雪及融雪模块产生的融雪、冰川融水和降雨量之和作为土壤模块输入的总水量，可以模拟土壤含水量。2.(2)降雪土壤含水量计算模块计算整个流域的湿润指数，同时结合植被截留和土壤蓄水能力。主要由三个自愿参数控制：•土壤最大储水容量FC•一定土壤含水量条件下降雨或融雪对径流量的相对贡献系数BETA•以及潜在蒸发量变形曲线形状控制参数LP2.(3)土壤含水量•这个过程基于BETA、LP和FC三个参数进行，表达式为：△Q/△P=(SM/FC)β•式中：△Q/△P通常叫做径流系数；SM为土壤含水量；FC是最大土壤含水量；β(BEAT)为土壤参数。LP是蒸散发达到最大时的土壤含水量，参数LP作为FC的分数给出。△Q/△P与土壤含水量关系见图3，Ea(实际蒸发)/Epot（潜在蒸发）与土壤含水量关系见下图。△Q/△P与土壤含水量关系Ea/Epot与土壤含水量关系2.(3)土壤含水量最近，为了提高模型在春夏天气冷暖异常变化时的模拟效果，引进了一种经过改进的蒸散发程序。该程序根据日平均气温和多年平均值的修正计算气温异常值，计算式为•式中：ETa为修正后的潜在蒸发（mm/d）;C为经验模型系数（℃-1）；Ta为日平均气温；Tm为多年月平均气温（℃）；ET0为多年月平均潜在蒸发（mm/d）。01ETTmTaCETa2.(3)土壤含水量•径流响应：土壤含水量模块产生的每个子流域超渗水量，由径流响应模块转化为各子流域出流量。该模块由两个包含下列自由参数的水库组成：•三个消退系数，K0，K1，K2•一个起涨点UZL•一个渗透率常数PERC最后，对产生的径流过程进行过滤修匀。过滤中使用一个包括自由参数MAXBAS的三角形权重函数。2.(4)径流响应在HBV模型中，径流过程由上、下两个盒子来体现，见图2-2。上层响应盒子有两个出口，通过两个消退系数K0、K1完成。只要上层盒子里有水，K1就立即发挥作用，在上层储水量UZ超过LUZ时，K0排水将会形成直接径流，并从最表层出口流出。下层盒子根据k2表现为形成流域基流成分的地下水储存2.(4)径流响应•上、下盒子的出流量Q0和Q1见图5，表达式为：Q0=k1·UZ(1+alfa)Q1=k2·LZ式中：Q0、Q1为径流组成；k1为壤中流消退系数；k2为地下径流消退系数；UZ为表层含水层；LZ为地下含水层；alfa为壤中流消退指数。上层非线性水库、下层线性水库示意图2.(4)径流响应•Q0、Q1最后通过一个三角形权重函数maxbas对产生的径流过程进行过滤修匀，如下图径流修匀过程2.(4)径流响应•下层模拟水库包含各子流域的湖泊，但是在后来的模版模型中，湖泊的洪水演算也可以很好地由蓄泄关系模拟代替，这种模拟由各主要湖泊出口断面定义的子流域划分来实现。湖泊起调蓄作用时的子流域划分2.(4)径流响应•当一个河流的集水区被划分成几个子流域时，HBV模型可以先预报每个子流域的径流，然后，再把每个子流域产生的从游到下游的出流累加起来，形成全流域出流。•如果流域存在水库，在应用HBV模型时，若将大流域划分为若干子流域，水库应位于子流域的出口处。HBV模型先计算水库的入流（包括降落在库区的雨量以及水库水面自身的蒸发量），然后，根据调度规则或频率曲线得到水库的出流。调度规则与水库出流、水库水位时间序列变化有关，同时，也与水库的用水量有关。2.(4)径流响应HBV模型在最简单情况下，只有一个子流域且只有一种植被类型，则总共有12个自由参数。评价模型的结果主要根据统计学标准，通常采用Nash和Sutcliffe1970年提出的RNS值：式如Q0为实测流量（m3/s）;为实测流量平均值（m3/s）；Qc为计算流量（m3/s）3.模型率定20020200QQQQQQ