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地球科学进展  2019, Vol. 34 Issue (6): 650-659    DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0650
全球变化研究     
基于HBV模型的太子河流域径流变化情景预估
刘鸣彦1(),孙凤华2(),侯依玲1,赵春雨1,周晓宇1
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
Runoff Change in Taizihe River Basin Under Future Climate Change Based on HBV Model
Mingyan Liu1(),Fenghua Sun2(),Yiling Hou1,Chunyu Zhao1,Xiaoyu Zhou1
1. Institute of Atmospheric Environment, China Meteorological Administration, Shenyang 110166, China
2. Regional Climate Center of Shenyang, Shenyang 110166, China
 全文: PDF(2465 KB)   HTML
摘要:

以太子河流域为研究区域,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,并选取RegCM4.4区域气候模式输出的平均气温和降水数据来驱动HBV水文模型,模拟逐日径流过程,分析RCP4.5排放情景下未来太子河流域径流的演变。结果表明,HBV水文模型在太子河流域模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均在0.60以上,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。RCP4.5情景下,2021—2070年太子河流域年平均气温呈持续升温趋势,流域降水和年径流深度呈微弱减少趋势。相较于基准期,年径流深度将增多9.79%,夏季和秋季径流深度上升明显。径流分位数的变化表明,峰值极端径流和枯水极端径流均较基准期有不同程度的增多,未来太子河流域发生极端洪涝的可能性较高。

关键词: HBV水文模型径流深度气候变化太子河流域    
Abstract:

Taking the Taizihe River Basin located in Liaoning Province as a study area, we applied HBV hydrological model to simulate the hydrological process of this river basin with the support of observed daily precipitation, mean temperature, hydrological data in Xiaolinzi hydrologic station, and global digital elevation model data from SRTM3, land utilization types, etc. According to the simulation results of daily runoff, the possible impact of future climate change on runoff was analyzed through forcing HBV model by RegCM4.4 dynamic downscaled climatic data. The results show that HBV model performed generally well for daily simulation of the Taizihe River Basin with Nash Sutcliffe coefficient and deterministic coefficient being all over 0.60 in the calibration period and validation period, and the response of flooding to precipitation were simulated better. This indicates the HBV model can be successfully applied to the Taizihe River Basin. Mean temperature will increase obviously with persistent rising trend by RegCM4.4 model in 2021-2070 under RCP4.5 scenario. Annual precipitation and runoff depth are expected to reduce a bit. Compared with the baseline period (1986-2005), annual runoff depth will increase by 9.79%. At the same time, the runoff depth will increase significantly in summer and autumn. The variation of runoff quantile indicates that both peak extreme runoff and dry extreme runoff will increase to different degrees than that in the baseline period. In the future, the Taizihe River Basin will be likely to experience extreme flooding.

Key words: HBV model    Runoff depth    Climate change    Taizihe River Basin.
收稿日期: 2018-12-29 出版日期: 2019-07-05
ZTFLH:  P343.1  
基金资助: 辽宁省科学技术计划项目“暴雨诱发的山洪灾害风险动态评估技术研究——以抚顺地区为例”(20180551217);中国气象局沈阳大气环境研究所开放基金课题“太子河流域水资源量变化特征及对生态环境的影响研究”(2017SYIAE10)
通讯作者: 孙凤华     E-mail: imlmy730@163.com;sfh3910839@sina.com
作者简介: 刘鸣彦(1987-),女,辽宁沈阳人,工程师,主要从事气候变化及气象灾害风险评估研究. E-mail:imlmy730@163.com
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刘鸣彦
孙凤华
侯依玲
赵春雨
周晓宇

引用本文:

刘鸣彦,孙凤华,侯依玲,赵春雨,周晓宇. 基于HBV模型的太子河流域径流变化情景预估[J]. 地球科学进展, 2019, 34(6): 650-659.

Mingyan Liu,Fenghua Sun,Yiling Hou,Chunyu Zhao,Xiaoyu Zhou. Runoff Change in Taizihe River Basin Under Future Climate Change Based on HBV Model. Advances in Earth Science, 2019, 34(6): 650-659.

链接本文:

http://www.adearth.ac.cn/CN/10.11867/j.issn.1001-8166.2019.06.0650        http://www.adearth.ac.cn/CN/Y2019/V34/I6/650

图1  太子河流域高程、气象站及水文站分布
子流域 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
持水力 107.9 75.0 73.0 75.0 125.4 81.2 69.1 73.5 182.8 76.7 90.5 170.8
表1  土壤持水力
序号 参数名 含义 单位 最佳值 敏感性
1 TS 阈值温度(Threshold temperature for no melt) 13.164 敏感
2 CX 融雪度日因子(Melt index) mm/(deg·d) 0.710 较敏感
3 CFR 重新冻结系数(Refreeze efficiency) 1 0.545 敏感
4 PKORR 降水对雨量校正系数(Precipitaion correction for rain) 1 1.156 敏感
5 SKORR 降水对雪的校正系数(Additional precip corr for snow at gauge) 1 0.950 较敏感
6 TTGRAD 温度梯度(无降水)(Temperature gradient for days without precip) deg/100m -1.962 敏感
7 TVGRAD 温度梯度(有降水)(Temperature gradient for days with precip) deg/100m -0.183 较敏感
8 PGRAD 降水梯度(Precipitation altitude gradient) 1/100m 0.407 敏感
9 BETA 土壤水分带阈值(Non-linearity in soil water zone) 1 0 敏感
10 KUZ2 表层区域快时间常数(Quick time constant upper zone) 1/d 0.074 敏感
11 UZ1 快速径流阈值(Threshold quick runoff) mm 0.135 敏感
12 PERC 底层土壤渗流速度(Percolation to lower zone) mm/d 10.970 敏感
表2   HBV水文模型最优参数值
图2  率定期模拟和实测径流深度及降水量曲线
阶段 时段 NSE R 2 MRE/%
率定期 逐日 0.63 0.64 21.5
逐月 0.81 0.84 21.5
验证期 逐日 0.66 0.66 0.6
逐月 0.84 0.87 0.6
表3  太子河率定期与验证期模拟结果
图3  验证期模拟和实测径流深度及降水量曲线
图4   1980—2016年观测的太子河流域年平均气温和降水量变化
图5   1980—2070年预估模拟的太子河流域年平均气温和降水量变化
图6  太子河流域平均气温与降水量的逐月变化
要素 春季 夏季 秋季 冬季
气温变化/℃ 2.08 2.05 2.10 2.21 2.00
降水变化百分率/% 1.55 5.17 0.26 -0.95 29.45
表4   2021—2070年气温和降水相对于基均期(1986—2005年)的变化
图7   2021—2070年太子河流域径流深度的年际变化
要素 2021—2030年 2031—2040年 2041—2050年 2051—2060年 2061—2070年
Kp 1.17 1.02 0.83 0.84 1.13
表5  不同年代径流模比系数
要素 春季 夏季 秋季 冬季
径流变化/% 9.79 5.63 9.85 18.44 1.41
表6   2021—2070年径流深度相对于基准期(1986—2005年)的变化
图8  太子河流域径流深度的逐月变化
时间 2021—2030年 2031—2040年 2041—2050年 2051—2060年 2061—2070年 2021—2070年
Q1 1.99 2.68 2.54 -0.46 2.43 1.84
Q5 0.23 1.89 0.96 0.18 2.10 1.07
Q10 0.16 2.02 1.09 0.78 2.02 1.21
Q90 25.29 20.73 -17.90 -27.98 -7.61 -1.49
Q95 37.34 6.56 -21.27 -23.06 23.12 4.54
Q99 32.41 12.03 -8.74 3.88 40.49 16.01
表7  分位数(2021—2070)年径流相对于基准期(1986—2005年)的变化百分率(单位:%)
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