1、HBV水文模型 Hydrologiska Fyrans Vattenbalans modell,制作人：王大环 学 号：107551500598,HBV水文模型,1怪坡2,1.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： 必须以可靠的科学理论为依据； 大多数流域都能满足其数据需求； 功能尽可能强大又不能太复杂； 模型结构比较合理； 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
2、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1 HBV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： ：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：
3、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
4、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
5、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
6、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：为降水；为蒸发量；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。,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
7、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
8、消退系数 UZHQ-高流量下的表层水库含水量,Q0=K*UZ(1+ALFA),Q1=K4*LZ,Q=Q1+Q0,2.(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）
9、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AHThiessen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dir
10、ichlet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t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（）。,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
11、降水经降水观测误差校正后表达式为： RF = pcorr rfcf P if T tt SF = pcorr sfcf P if T tt 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： Snow melt = 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
12、，冻结量由下式表示： Refreezing melt water = 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 Glacier melt = 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
13、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LP,2.(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) 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；(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,E a/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
14、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）。,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
15、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
16、、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
17、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,如果模拟结果与实测值完全吻合，则RNS等于1，若模拟结果不比实测流量平均值更好，则RNS等于零。如果RNS等于负值，说明模型不适用或是数
18、据不合理。如果流域划分为多个子流域，植被类型多个，则参数个数成倍增加。在众多参数中，有些参数可以根据流域地形、气候、降水特点等直接确定，还有些参数对模型的敏感性低，无需经过太多调试就可以确定参数值。最近开发了能对模型参数进行自动率定的程序。这种方法基于大量手动率定的经验，在以后的应用中将会代替手动率定。但是并不意味着完全不需要人工检查和干预,3.模型率定,4.结果输出,为了将计算结果与实测数据作比较，模型结果输出十分需要。如果能够把数据输入、各主要水量平衡要素和容许误差显示成图表形式，也能有效地把模拟值和观测值之间的累积误差有效地表示出来。不同版本的HBV模型系统显示的输入和输出不尽相同。,模
19、型输出的一个实例,4.结果输出,三、HBV模型在径流模拟中应用,HBV模型最初是用于水文预报，之后，应用领域逐渐扩大，如今已经覆盖实时预报、数据质量控制流量资料的插补和延长、设计洪水、水量平衡示意图、水量平衡研究、可用于水质研究和不规则流域模拟。,北欧斯堪的纳维亚地区对水文系统洪水预警和水库来水预报的要求，促进了水文模型的有效运用。预报包括短期的（预见期只有几天）和长期的（预见期可包括整个融雪季节，约几个月）。短期洪水预报通常把气象预报作为输入。通常情况下，这种预见期应用于由梯级水库组成的水电厂的实时洪水预报及优化调度系统中。,3.(2)实时预报,3.(2)流量资料的插补延长和质量控制,瑞典国
20、家信息网有时把HBV模型用做流量资料控制的工具。实时证明，该模型对记录资料中人为扰动影响的修正是行之有效的，输出结果有助于判断水位的变化与融雪或降雨之间联系的密切程度。另外，也有很多运用模型来分析流量资料的不均匀性。流量资料的插补延长是HBV模型的直接应用，这种方法在气象资料比水文资料完善的地区非常有用。,3.(3)设计洪水,瑞典设计洪水决策委员会详细分析了设计洪水中应用的方法，得出结论：与水库模拟相联系的水文模型对融雪和降雨混合洪水的多水库系统是最为可行的方法。新的溢洪道设计和计算方法以下面的设计顺序：降水，流域大小、高程和时间修正，以及水文模拟。,3.（3）设计洪水,3.（4）水量平衡示意
21、图,HBV模型已经产生了相当多的研究项目及其副产品，其中最重要的一项是实用的水量平衡示意图的发展，该图由瑞典国家水文气象局每天制作。这种水量平衡示意图通过描述积雪符号，图解说明瑞典水文状况,3.（5）水量平衡研究,与溢洪道设计工作相联系，HBV模型被应用于全国范围洪水发生过程影响评估和预报。该研究说明洪水发生时间的重要性以及对最后指导防洪减灾工作的巨大作用。,3.（6）气候变化影响研究,人们对气候变化的威胁及其对水资源影响的日益关注，引起了关于应用水文模型进行分析的关注。虽然区域性气候变化存在不确定性，但早在20世纪90年代，水文模型就被用于对于气候变化对水资源影响的研究中。HBV模型可以用来
22、研究气候变化对径流模式、土壤湿度、地下水变化和蒸散发的研究。,3.（7）地下水模拟,HBV模型的另一项成果是反映气候变化的地下水模拟模型。这种模拟需要对模型饱和带进行修改。由于地下水响应的成功模拟。地下水分布示意图使得水量平衡示意图的制作更加完善,3.（8）流域水质模拟,Bergstrom等（2002）采用HBV-N模型，在瑞典西南部一个没有湖泊、以农业用地为主导的小流域，对水量和戴安娜浓度进行了联合模拟，结果如下图,四、HBV模型应用实例简介,HBV水文预报模型在白龙江流域的应用研究,模型评价标准：,敏感性参数及其标准：,结果,结果：,结果：,结果：,结论：,四、本章小结,由于HBV模型结构
23、相对简单，因此模型对计算机性能要求较低，现在大部分计算机能够满足其要求。 尽管HBV模型模型结构简单、软件界面友好实用但是不推荐在彻底了解其结构之前就使用它。 HBV模型在世界各地的大量应用证明了这个相对简单的概念性模型具有一定的普适性。 HBV模型的不同版本和不同使用组织，是得参数值的普遍化存在困难。参数值取决于使用的输入数据类型和模型计算细节，某种程度上还取决于使用者的技能和经验。,问题,HBV 模型主要包括哪三个子程序？积雪及融雪模块在上层、土壤含水量计算在中层、响应路线在底层简要说明HBV模型在径流模拟中的应用实时预报、数据质量控制流量资料的插补和延长、设计洪水、水量平衡示意图、水量平衡研究、可用于水质研究和不规则流域模拟。,
