HEC-HMS水文模型在數(shù)據(jù)稀缺山區(qū)流域中的應用——以烏魯木齊河流域為例

穆艾塔爾·賽地, 阿不都·沙拉木, 丁建麗, 崔春亮

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 新疆 烏魯木齊830046;

2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 新疆 烏魯木齊830046； 3.新疆水利水電科學研究院, 新疆 烏魯木齊 830049)

HEC-HMS水文模型在數(shù)據(jù)稀缺山區(qū)流域中的應用——以烏魯木齊河流域為例

穆艾塔爾·賽地1,2,3, 阿不都·沙拉木3, 丁建麗1,2, 崔春亮3

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院, 新疆 烏魯木齊830046;

2.綠洲生態(tài)教育部重點實驗室, 新疆 烏魯木齊830046； 3.新疆水利水電科學研究院, 新疆 烏魯木齊 830049)

摘要：[目的] 評價HEC-HMS分布式水文模型在干旱區(qū)資料稀缺內(nèi)陸河流域洪水模擬預報中的適用性。 [方法] 以烏魯木齊流域上游為例，結(jié)合流域?qū)崪y水文氣象資料，率定模型參數(shù)、建立并驗證HEC-HMS模型。[結(jié)果] 1957—2009年烏魯木齊河上游流域13場歷史洪水模擬中，HEC-HMS模型洪水模擬確定系數(shù)R2取值分布在0.67～0.87之間，洪峰流量模擬相對誤差均小于15.6%，模擬精度較高。[結(jié)論] 建立的HEC-HMS模型有效，模型參數(shù)的率定合理以及HEC-HMS模型在干旱數(shù)據(jù)稀缺山區(qū)流域洪水模擬中具有較好的適用性。

關(guān)鍵詞：HEC-HMS模型; 山區(qū)流域; 洪水模擬; 烏魯木齊河

水文現(xiàn)象隨空間和時間而變化，具有空間和時間尺度。對于空間尺度影響而言，流域面積大小是其主要影響因素，不同大小的流域因尺度不同，水文特性也具有顯著的差異；不同時間尺度的水文特征值也會呈現(xiàn)出不同的變化特征[1-6]。HEC-HMS〔hydrologic engineering center(HEC)hydrologic modeling system(HMS)〕模型是美國陸軍工程兵團水文工程中心(HEC)開發(fā)的一種具有物理概念的半分布式次降雨徑流模型，主要用于樹狀流域徑流過程的模擬[7]。其首先根據(jù)流域DEM，將流域劃分成若干單元或自然子流域，通過坡面匯流和河道匯流，最后演算至流域出山口斷面。該模型除了能夠模擬流域控制斷面的流量過程外，還可計算任一單元出口的徑流過程，在國內(nèi)外廣泛應用于無實測資料地區(qū)中、小河流的山洪預警預報[8-10]。但是，目前在我國西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域應用該模型模擬洪水過程的研究較少[6-11]。本研究以西北干旱區(qū)典型內(nèi)陸河流域——烏魯木齊河為例，以1957—2009年烏魯木齊河上游13場較大的混合型歷史洪水以及同期的流量和雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，進行模擬和預報，評價該模型在干旱區(qū)資料稀缺內(nèi)陸河流域洪水模擬預報中的適用性。

1HEC-HMS模型

1.1　HEC-HMS對徑流形成過程的概化

HMS模型將子流域分為地面和水體(河流和湖泊)兩部分，降在地面上的雨水經(jīng)過植物截留、地面填洼后形成坡面流，降在水體的雨水直接形成徑流。HMS將近地表土壤水的水平運動與坡面流合并為直接徑流，而僅僅將地下水含水層中水分的運移視作基流[11]。

1.2　HMS中的計算模塊

在HEC-HMS模型主要包括4個模塊(圖1)，分別為凈雨計算模塊、直接徑流(坡面流和壤中流)計算模塊、基流計算模塊和河道洪水演算模塊。在每一模塊內(nèi)，根據(jù)資料情況以及計算日的要求等，可以采用不同的計算方法[11]。

圖1　HEC-HMS對流域徑流概化圖

1.3　產(chǎn)流計算

1.3.1初損后損法方法假定一個常數(shù)fc，作為一場降雨過程中的最大潛在降雨損失，Pt代表在時段t到(t+Δt)內(nèi)的平均雨深；Ia為初始損失；代表徑流形成之前的截留和填洼蓄水量；Pi為累計降雨；凈雨P(guān)et的計算方法為[11]：

當∑pi

當∑pi>Ia，pt>fc時，pet=pt-fc

(1)

當∑pi>Ia，pt

1.3.2SCS-CN模型該模型認為凈雨量為累計降雨、土壤覆蓋、土地利用以及前期土壤含水量的函數(shù)，即：

(2)

式中：Pe——t時刻對應的累計凈雨(mm)；P——t時刻對應的累計降雨深(mm)；Ia——初始缺水量(mm)；S——最人持水量(mm)。

模型認為在累計降雨超過初始缺水前不產(chǎn)流。SCS建立的Ia與S的經(jīng)驗關(guān)系為：

Ia=0.2S

(3)

累計凈雨計算公式為：

(4)

任一時段的凈雨量等于時段末與時段初累計凈雨的差值，通過中間參數(shù)CN(徑流曲線號碼)，可以建立最大持水量與流域特征的關(guān)系為：

(5)

1.3.3Green和Ampt損失模型Green和Ampt損失模型是概念性下滲模型，某時段的降雨損失可計算為：

(6)

式中：f——降雨損失(cm)；K——飽和導水率(cm/s)；θs——飽和含水率(cm3/cm3)；θi——初始含水率(cm3/ cm3)；S——濕潤鋒面處土壤水吸力(cm)；F——累計降雨損失(cm)。某時段的凈雨量可通過平均降雨深減去公式(6)計算的降雨損失值來表示。

1.3.4SMA模型SMA模型是一個連續(xù)模擬模型，能夠模擬水分在植被、土地表面、土壤層內(nèi)以及地下水含水層中的蓄水和運移情況。已知降雨和潛在蒸散發(fā)(ET)，模型可以計算流域地面徑流、地下徑流、蒸散發(fā)損失以及向深層的滲透損失[12-14]。

1.4　直接徑流過程的模擬

HEC-HMS模型計算徑流過程主要通過經(jīng)驗模型，即傳統(tǒng)的單位線模型，包括User-Specified單位線、參數(shù)單位線和綜合單位線；同時概念性模型，即運動波模型，也廣泛應用[15]。相關(guān)模型在劃分子流域的基礎上，利用River Tools建立各子流域的面積—距離函數(shù)，根據(jù)該函數(shù)產(chǎn)生單位線。其中，距離的計算公式為：

(7)

式中：V——流速(m/s)；t——匯流時間(s)；a——經(jīng)驗參數(shù)；S——子流域坡度。

1.5　基流計算模型

HEC-HMS模型提供的基流計算方法有常數(shù)月變化模型、指數(shù)消退模型及線性水庫模型。其中指數(shù)消退模型認為任一時刻的基流流量Qt與初始基流流量Q0的關(guān)系為：

Qt=Q0Kt

(8)

式中：Qt——t時刻的基流流量(m3/s)；Q0——初始基流流量(m3/s)；K——指數(shù)衰減常數(shù)。

1.6　河道洪水演算模型

HEC-HMS模型包含了許多可供選擇的河道洪水演算模型，包括滯后模型，Muskingum模型，改進的Puls模型，Muskingum Cunge模型等。考慮河網(wǎng)匯流的特點，在HMS模型中設置了河道合流模型[16]。

2烏魯木齊河流域概況

烏魯木齊河位于天山山脈北坡中段，發(fā)源于天山天格爾Ⅱ峰附近1號冰川，源頭海拔4 479 m以上，自南流向北東北，出山口后，至烏拉泊折向正北，橫穿烏魯木齊市區(qū)，流向西北，最后流入準噶爾盆地南緣米泉市西北部的古爾班通古特沙漠消失，全長214 km，是一條冰雪融水、降雨及地下水混合補給的河流。根據(jù)1958—2009年流域出山口的英雄橋水文站資料統(tǒng)計，其多年平均徑流量為2.44×108m3，年最大徑流量為3.44×108m3，夏季徑流量占年徑流量的比重最大，達69.2%，春、秋和冬季徑流量均較小，占年徑流量的比重分別為10.3%，15.7%和4.8%。徑流組成大致為冰川融水占12%，融雪水占37%，降雨占36%，地下水占15%[18]。烏魯木齊河流域上游多年平均降水量為457 mm，上游洪水按成因可分為冰雪融水型、暴雨型和混合型；洪水主要來自上游山區(qū)，當春季氣溫驟升，前山積雪消融而形成春汛，夏秋季一般在小河溝山前沖積扇地帶發(fā)生局部地區(qū)暴雨。據(jù)歷史記載烏魯木齊河上游地區(qū)最大暴雨降水量達20 mm，每分鐘降水量強度在20 mm以上，每1 km2降雨平均產(chǎn)流量大于2～4 m3/s，可以產(chǎn)生較大的洪水，具有很強的破壞力；另一種是混合型洪水，每當3 000～5 000 m高空氣溫上升到零度以上，并持續(xù)3～5 d，加上較強的暴雨徑流，即可發(fā)生大洪水，常造成嚴重災害[19]。

3洪水模擬結(jié)果與分析

3.1　子流域劃分

采用流域DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過ArcView的HEC-GeoHMS模塊數(shù)據(jù)處理，得到烏魯木齊河上游的河網(wǎng)分布；按照子流域面積大于2 km2，小于20 km2的原則，將整個烏魯木齊河上游地區(qū)劃分46個自然子流域，通過子流域和河網(wǎng)分布的空間疊加獲得烏魯木齊河上游HEC-HMS模型結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖2所示。

圖2　研究流域DEM及HEC-HMS模型流域結(jié)構(gòu)

3.2　計算模型

基于由DEM生成的HEC-HMS模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和烏魯木齊河上游的降雨資料，利用克里格空間內(nèi)插方法推算子流域降雨量。推算子流域降雨量數(shù)據(jù)后，采用初損后損法和單位線法分析子流域的單位線、再利用指數(shù)消退基流模型和Muskingum河道洪水演算模型進行洪水計算[8,11]。

3.3　參數(shù)率定與徑流模擬

利用可視化數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)HEC-DSSVue模塊建立烏魯木齊河上游的降雨數(shù)據(jù)庫和流量數(shù)據(jù)庫，將烏魯木齊河上游大西溝氣象站、躍進橋水文站和英雄橋水文站在1957—2009年的13場混合型洪水雨量時間序列與同期的流量數(shù)據(jù)輸入該數(shù)據(jù)庫，通過HEC-DSSVue的數(shù)學函數(shù)功能，將不規(guī)則時間序列數(shù)據(jù)進行時間插值，轉(zhuǎn)成規(guī)則時間序列數(shù)據(jù)，最終得到每場降雨雨量數(shù)據(jù)序列和每場洪水觀測流量數(shù)據(jù)序列。

根據(jù)氣象和水文站的分布情況，利用泰森多邊形確定各控制站覆蓋的子流域，同一控制站內(nèi)的子流域采用相同的雨量資料。烏魯木齊河上游流域境內(nèi)沒有影響洪水匯流過程的大型水庫、泉水以及起分流作用的復雜水利工程等，因此將其概化為子流域、河段及結(jié)點等元素，各元素之間的拓撲關(guān)系構(gòu)成流域產(chǎn)匯流系統(tǒng)。建立流域模型產(chǎn)匯流系統(tǒng)后，利用HEC-HMS模型計算烏魯木齊河上游產(chǎn)流〔公式(1)—(6)〕、直接徑流公式(7)、基流模擬公式(8)和河道匯流等，在此基礎上，對烏魯木齊河上游13場洪水進行模擬和驗證，模擬及誤差分析結(jié)果詳見表1。

表1　HEC-HMS模型洪水模擬結(jié)果

由表1可以看出，利用HEC-HMS模型模擬烏魯木齊河上游洪峰流量的相對誤差均不超過15.6%，確定性系數(shù)最高達0.87；在13場混合洪水模擬中，模擬與實測洪峰流量值的相對誤差小于10%的有9場，確定性系數(shù)大于0.70的有12場，表明HEC-HMS模型的模擬結(jié)果較好，可用于烏魯木齊河上游山區(qū)流域的水文模擬。

在模型驗證的基礎上進一步對烏魯木齊河上游2015—2020年洪水發(fā)生概率進行初步預測，結(jié)果如表2所示。表2說明，2015—2020年烏魯木齊河上游除了2015和2018年預測平均流量小于多年平均流量外，其他年份預測平均流量均大于多年平均流量，可能發(fā)生的洪水風險較大，應適當重視。在此初步預測基礎上，為了提高預測精度需要進行深入的專題研究。

表2　HEC-HMS模型2015-2020年洪水模擬結(jié)果

注：模擬相對誤差=(預測平均流量-多年平均流量)/多年平均流量×100。

4結(jié) 論

HEC-HMS模擬系統(tǒng)具有很好的操作界而和強大的可視化功能，廣泛應用于缺乏長序列實測資料地區(qū)洪水模擬預報，經(jīng)眾多國內(nèi)外研究驗證效果較好。本研究采用HEC-HMS模型與ArcView地理信息系統(tǒng)軟件結(jié)合，利用實測水文和氣象資料，在率定模型參數(shù)的基礎，建立HEC-HMS模型，驗證模擬結(jié)果，評價該模型在干旱區(qū)山區(qū)流域洪水模擬中的適用性。結(jié)果表明，HEC-HMS模型在烏魯木齊河上游流域13場混合型歷史洪水模擬中效果比較理想，確定系數(shù)R2分布在0.67～0.87之間，洪峰流量的模擬誤差均小于15.6%?？芍?，HEC-HMS模型在資料稀缺干旱區(qū)內(nèi)陸河小流域洪水模擬預報中具有較好的適用性。

[參考文獻]

[1]林峰,陳桂芳. HEC-HMS分布式水文模型的時間尺度效應研究[J].吉林師范大學學報:自然科學版,2009(3)：132-135.

[2]Argiriou A A, Bellas-Velidis I, Kummert M, et al. A neural network controller for hydronic heating systems of solar buildings [J]. Neural Networks, 2004,17(3):427-440.

[3]Takeuchi K, Ao T, Ishidaira H. Introduction of block-wise use of TOPMODEL and Muskingum-Cunge method for the hydroenvironmental simulation of a large ungauged basin [J]. Hydrological Sciences Journal, 1999,44(4):633-646.

[4]彭盛華,趙俊琳,袁弘任. GIS技術(shù)在水資源和水環(huán)境領域中的應用[J].水科學進展,2001,12(2)：264-269.

[5]Zhou M C, Ishidaira H, Hapuarachchi H P, et al. Estimating potential evapotranspiration using Shuttle worth-Wallace model and NOAA-AVHRR NDVI data to feed a distributed hydrological model over the Mekong River basin [J]. Journal of Hydrology, 2006,327(1):151-173.

[6]丁杰,李致家,郭元,等.利用HEC模型分析下墊面變化對洪水的影響:以伊河東灣流域為例[J].湖泊科學,2011,23(3)：463-468.

[7]梁鐘元,賈仰文,李開杰,等.分布式水文模型在洪水預報中的應用研究綜述[J].人民黃河,2007,29(2)：29-32.

[8]林峰,陳瑩,陳興偉,等.基于HEC-HMS模型的時間步長對次洪模擬的影響分析[J].山地學報,2011,29(1)：50-54.

[9]王中根,劉昌明,左其亭,等.基于DEM的分布式水文模型構(gòu)建方法[J].地理科學進展,2002,21(5)：430-439.

[10]吳迪,趙勇,裴源生,等.氣候變化對瀾滄江—湄公河上中游徑流的影響研究[J].自然資源學報,2013,28(9)：1569-1582.

[11]李燕,孫永壽,朱朝霞. HEC-HMS及其在簍子溝流域的應用研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2009(3)：47-49，52.

[13]劉昌明,夏軍,郭生練,等.黃河流域分布式水文模型初步研究與進展[J].水科學進展,2004,15(4)：495-500.

[14]鮑新華,洪梅,周祖昊,等.基于DEM的等流時單元法在大流域分布式水文模型中的應用[J].吉林大學學報：地球科學版,2010,40(2)：337-341.

[15]李燕,陳孝田,朱朝霞. HEC-HMS在洪水預報中的應用研究[J].人民黃河,2008,30(4)：23-24.

[16]雍斌,張萬昌,趙登忠,等. HEC-HMS水文模型系統(tǒng)在漢江褒河流域的應用研究[J].水土保持通報,2006,26(3)：86-90.

[17]李瑞雪,張明軍,金爽,等.烏魯木齊河流域氣候變化的區(qū)域差異特征及突變分析[J].干旱區(qū)地理,2010,33(2)：243-250.

[18]穆艾塔爾·賽地，阿不都·沙拉木，崔春亮，等. 新疆天山北坡山區(qū)流域水文特征分析[J].水文,2013,33(2):87-92.

[19]姚海燕,張民.烏魯木齊河流域水管理信息系統(tǒng)[J].水文,2006,26(2)：78-80，96.

Application of HEC-HMS in Data-Insufficient Mountainous Watersheds -A Case Study from Urumqi River Basin

Muaitaer·Saidi1,2,3, Abudou·Shalamu3, DING Jianli1,2, CUI Chunliang3

(1.CollegeofResourceandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi，Xinjiang830046,China; 2.KeyLaboratoryofOasisEcologyofMinistryofEducation,Urumqi，Xinjiang830046,China; 3.XinjiangWaterResourcesResearchInstitute,Urumqi，Xinjiang830049,China)

Abstract：[Objective] To evaluate the suitability of HEC-HMS model in flood warning forecast in data-insufficient mountain watersheds. [Methods] This paper established and validated HEC-HMS model for flood simulation in the mountainous watersheds of Urumqi River basin with limited hydro meteorological data. [Results] The established HEC-HMS model simulated thirteen typical historical flood streams in the watershed with relatively good performances of Urumqi River basin in 1957—2009. The determination coefficients of the simulation varied between 0.67～0.87 and the simulation error for each flood stream was less than 15.6%。[Conclusion] The calibration of HEC-HMS model parameters is reasonable and the model is of practical application in the data-scarce arid mountainous watersheds for flood stream simulation.

Keywords:HEC-HMS model; mountainous watersheds; flood simulation; Urumqi River

文獻標識碼：B

文章編號：1000-288X(2015)06-0140-04

中圖分類號：TV121+.4

收稿日期：2014-10-23修回日期：2014-11-29

資助項目：新疆維吾爾自治區(qū)科技計劃項目“基于RiverWare模型的抗旱減災水資源管理決策支持系統(tǒng)研究”(20126013)； 國家自然科學基金項目(51069017)； 新疆維吾爾自治區(qū)公益性科研院所基本科研業(yè)務項目(KY2014044)； 新疆大學綠洲生態(tài)重點實驗室開放基金項目(XJDX0201-2013-04)

第一作者：穆艾塔爾·賽地(1984—),女(維吾爾族),新疆自治區(qū)策勒縣人,博士研究生，工程師,主要從事水文水資源方面的研究。E-mail:895798730@qq.com。