參數(shù)變化對HEC-HMS模型流域洪水模擬結(jié)果的影響

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098)

1 研究背景

圩垸式防洪模式是通過建立圩垸來抵御洪水，并保護(hù)圩區(qū)內(nèi)部農(nóng)業(yè)等安全生產(chǎn)的防洪模式。圩垸通過圈圩筑堤、建閘控制、設(shè)站排水的方法，既能達(dá)到抵御外圍洪水，又能排出圩區(qū)澇水的目的，在平原地區(qū)應(yīng)用十分廣泛。以圩垸式防洪為主體的防洪模式使原有流域水系結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致孕災(zāi)環(huán)境的變化，故研究圩垸式防洪模式對洪水的影響具有重要的意義。

近年來生態(tài)和環(huán)境的惡化導(dǎo)致洪水爆發(fā)頻繁，對洪水的模擬預(yù)報日趨重視。HEC-HMS不透水率、圩垸允許水深、排澇模數(shù)等是HEC-HMS(The Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modeling System)模型在圩垸式防洪模式下流域洪水模擬中的主要參數(shù)，它的設(shè)置會對模擬結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。HEC-HMS模型是一種模擬樹枝狀流域的水文模擬系統(tǒng)，主要由3個板塊組成[1]。目前該模型在流域洪水模擬方面已經(jīng)十分成熟，諸多不同流域和不同情境的模擬也驗證了HEC-HMS模型適用性寬廣[2-4]。而在模型中對模擬結(jié)果有影響的其中一個參數(shù)是不透水率，在考慮圩垸后還包括圩區(qū)的排澇模數(shù)以及圩垸允許水深，故研究這3個參數(shù)變化對HEC-HMS模擬結(jié)果的影響具有重大意義。

在不透水率的研究方面，國內(nèi)學(xué)者主要集中研究土地利用變化和類型對徑流的影響：史培軍等[5]利用SCS(Soil Conservation Service)模型，以深圳市為例，探討了下墊面條件變化對流域徑流過程的影響；權(quán)瑞松等[6]利用SCS模型，以上海地區(qū)為例模擬研究不同階段的土地利用和覆被變化對地表徑流的影響；徐有鵬等[7]對長三角地區(qū)城市化的水文效應(yīng)進(jìn)行了研究。國外學(xué)者主要研究不透水面增加引起的環(huán)境水文效應(yīng)[8-9]，并且研究不透水率變化對分布式水文模型的模擬結(jié)果帶來的影響[10]。國內(nèi)學(xué)者對排澇模數(shù)的研究和計算方法較多：張建新等[11]利用Nash單位線法對北京地區(qū)進(jìn)行了模擬，通過與經(jīng)驗排澇模數(shù)方法相比較，證明該方法的可行性；郭曉萌等[12]研究改進(jìn)平湖法中的時間步長，得出時間步長增大，排澇模數(shù)也增大的結(jié)論。國外學(xué)者計算排澇模數(shù)一般使用連續(xù)法、排水曲線法等[13-14]。雖然國內(nèi)外學(xué)者對不透水率、排澇模數(shù)的研究較多，但都具有一定的局限性和不精確性。

國內(nèi)對HEC-HMS模型參數(shù)變化及模型有無圩垸對模擬結(jié)果的影響作了一些研究工作：高玉芳等[15]利用不同數(shù)據(jù)源及不同分辨率數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行模擬，研究了不同數(shù)據(jù)源和不同分辨率下的DEM圖對模擬結(jié)果的影響；林峰等[16]通過改變模型中的時間步長對洪水進(jìn)行模擬，得出時間步長減小、蓄量常量K增大且模擬效率提高的結(jié)論；鄧霞等[17]以清江流域為例，探討目標(biāo)函數(shù)的選取對模擬結(jié)果的的影響；高玉琴等[18]以秦淮河流域為例，分析了城市群圩垸防洪模式對暴雨洪水的影響；袁玉等[19]通過構(gòu)建考慮圩垸的HEC-HMS水文模型，分析圩垸式防洪模式對流域防洪的影響。但上述研究都未考慮有圩垸下參數(shù)變化的情況，故本文建立HEC-HMS水文模型模擬，分析在有圩垸情景下不透水率、排澇模數(shù)和允許水深參數(shù)變化對流域洪峰和洪量模擬結(jié)果的影響。

2 流域概況、圩垸概化和模型參數(shù)設(shè)置

2.1 流域概況

秦淮河流域位于長江下游，介于118°39′E—119°19′E，31°34′N—32°10′N之間，流域涉及句容市和南京市區(qū)。流域內(nèi)地形為盆地，呈蒲扇形，中間低四周高，由盆地四周向中心的地貌類型依次為山地丘陵、黃土崗地和平原圩區(qū)，其中平原圩區(qū)面積約占25%。流域長、寬各約50 km，面積約2 631 km2；有南北兩源，分別是句容和溧水區(qū)域，自流域西北角的秦淮新河閘和武定門閘兩出水口匯入長江。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，平均溫度15.4 ℃，流域降雨充足，多年平均降雨1 047.8 mm，流域平均徑流量為 6.95×108m3。研究區(qū)氣象具有降雨和高溫同時發(fā)生的特點，洪澇干旱災(zāi)害時有發(fā)生，防汛任務(wù)十分重大。

秦淮河流域是采用圩垸式防洪模式極具典型性與代表性的流域，流域內(nèi)的圩垸主要為平原圩區(qū)，分為城市圩垸和農(nóng)村圩垸。城市圩區(qū)是封閉的單元，圩內(nèi)產(chǎn)生的徑流與圩外的河道系統(tǒng)沒有直接的聯(lián)系，要通過閘門和泵站等水利設(shè)施調(diào)節(jié)來提供灌溉供水和保持蓄水容量[20]，圩內(nèi)水面率高于非圩區(qū)；而農(nóng)村圩垸內(nèi)部的河溝、塘壩都有一定的蓄水能力。總體來說，秦淮河流域具有典型的“小流域、大防洪”特點。

2.2 圩垸概化和模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)秦淮河流域STRM90m分辨率的DEM圖，運(yùn)用ArcGIS對流域水系以及子流域進(jìn)行提取。以流域為依托，根據(jù)圩垸分布情況概化4個城市圈——句容城市圈、溧水城市圈、前垾村城市圈、東山城市圈(如圖1)構(gòu)建HEC-HMS模型。

圖1 秦淮河流域城市群圩垸分布Fig.1 Distribution of urban agglomeration polders in Qinhuai River Basin

HEC-HMS分布式水文模型主要由流域模塊、氣象模塊和控制設(shè)置模塊3個部分組成。流域模塊將降雨徑流的形成過程劃分為產(chǎn)流、直接徑流、基流、河道匯流4個部分，各個部分的計算方法有多種。本文產(chǎn)流計算采用SCS曲線法，直接徑流采用Snyder單位線法，基流采用指數(shù)退水法，河道匯流采用馬斯京根法。

氣象模塊主要用于對氣象數(shù)據(jù)的處理分析，包括降雨和蒸發(fā)2部分。本研究基于研究區(qū)的真實降雨數(shù)據(jù)，采用用戶自定義法，根據(jù)研究區(qū)已有8個雨量站點構(gòu)建泰森多邊形，確定子流域形心處的降雨量。

模型中主要的參數(shù)有CN值、流域滯時以及馬斯京根蓄量常量K和流量比重X。CN值和流域滯時是根據(jù)整個流域的土地利用類型、分布以及河道情況計算得到，而K和X則通過手工法率定得出。在率定前，流域的不透水率是根據(jù)城市建設(shè)用地比例預(yù)估，在模型中考慮圩垸后，還需要設(shè)置排澇模數(shù)和圩垸的允許水深。

表2 不同不透水率下洪量和洪峰模擬結(jié)果Table 2 Simulation results of flood volume and flood peak in the presence of varied impermeability

3 參數(shù)變化對流域洪水模擬結(jié)果的影響分析

模型初始條件是流域不透水率20%，圩垸內(nèi)允許水深0.1 m，排澇模數(shù)4 m3/(s·km2)。通過僅改變其中一個參數(shù)的大小，研究其變化對洪水模擬結(jié)果的影響。

模擬結(jié)果如表1所示，選擇其中3場不同規(guī)模洪水，即19990622(小規(guī)模)、19960626(中等規(guī)模)、20030626(大規(guī)模)作為研究對象，進(jìn)行參數(shù)變化模擬對比分析。

表1 秦淮河流域城市群圩垸洪量、洪峰模擬結(jié)果Table 1 Simulation results of flood volume andflood peak in Qinhuai River Basin

3.1 流域不透水率變化的模擬結(jié)果分析

不透水率變化是體現(xiàn)城市化進(jìn)程的一個很重要的指標(biāo)，可精確地確定不透水面的信息，能為分析城市擴(kuò)張、熱島效應(yīng)等提供數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)[21]。由于不透水率的計算復(fù)雜，對資料要求較高，本文研究的初始不透水率根據(jù)流域的城市化水平和建設(shè)用地比例等因素進(jìn)行預(yù)估，初始不透水率20%。本研究不透水率設(shè)置為20%～70%，研究該參數(shù)的變化對流域洪水模擬結(jié)果的影響趨勢。

對典型年的不同不透水率下洪量、洪峰進(jìn)行模擬，結(jié)果如表2所示。以初定不透水率20%為對比基礎(chǔ)，不同不透水率下的洪量、洪峰相對變化趨勢如圖2所示。

圖2 洪量和洪峰相對不透水率20%情景百分比變化趨勢Fig.2 Trends of relative change of flood volume andflood peak compared with those in the scenario thatimpermeability equals 20% in different flood events

由表2和圖2(a)可知，隨著流域不透水率的增長，流域洪水的洪量也呈現(xiàn)逐步增長的趨勢，且豐水年不透水率對洪量的影響反而越低，影響程度平水年小于枯水年，豐水年最低；由表2和圖2(b)可知，隨著不透水率的不斷變大，流域洪峰也是逐步增大的趨勢，且枯水年的影響程度最高，其次是豐水年，平水年最低。分析其原因，隨著城市化的進(jìn)展，圩區(qū)內(nèi)部的不透水率增大，導(dǎo)致內(nèi)部無法通過自身滲透消化掉一部分水量，被迫只能通過圩內(nèi)的水利設(shè)施抽排，從而導(dǎo)致外河道洪量增加，而不同的圩區(qū)同時抽排，洪水匯聚導(dǎo)致洪峰也逐漸增大。

因此，城市化導(dǎo)致不透水率不斷變大，而不透水率的增大也會增大流域的洪量和洪峰，對圩垸的防洪起到不利的影響。

3.2 圩垸不同允許水深對模擬結(jié)果的影響分析

在加強(qiáng)城市化和圩垸防洪能力的過程中，很大一部分體現(xiàn)在將圩垸的圩堤加固、加高，增加圩垸的可滯納水量，即增加圩內(nèi)的允許水深，以此來降低洪水給流域帶來的負(fù)面效果。本文的初始允許水深是根據(jù)秦淮河已建圩垸的防洪程度和可滯納洪水量預(yù)估得出。

本節(jié)將允計水深作為唯一變量，探討在其他參數(shù)不變的情景下允許水深的改變對模擬結(jié)果帶來的影響，將允許水深設(shè)置為0.1，0.2，0.3，0.4 m。

3場典型年不同允許水深的洪量和洪峰模擬結(jié)果如表3所示，以0.1 m的允許水深為對比基礎(chǔ)，不同允許水深的洪量和洪峰相對變化趨勢如圖3所示。

表3 不同允許水深的洪量和洪峰模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of flood volume and flood peakin the presence of varied allowable water depths

圖3 洪量和洪峰相對于允許水深0.1 m情景百分比變化趨勢Fig.3 Trends of relative change of flood volume andflood peak compared with those in the scenario thatallowable water depth equals 0.1 m in different flood events

由表3和圖3(a)可知：隨著城市圩垸允許水深的增長，流域洪水的洪量反而呈減小的趨勢，且對洪水的影響程度豐水年低于平水年，枯水年最高。由表3和圖3(b)可看出：允許水深的增大反而使洪峰呈現(xiàn)增大的趨勢。分析其原因：在模型中我們將圩垸看成一個平底水庫，隨著允許水深的增加，圩垸可滯納的洪水也開始增加，因此需外排的水量減少，流域洪量逐漸降低；但由于水位提升，內(nèi)外河道水位落差增大，在超過安全水位時排放速度較快，導(dǎo)致短時洪峰反而增大。

因此，隨著城市圩垸防洪能力的不斷提高，圩內(nèi)允許水深不斷變大，能夠降低圩區(qū)外河道的洪水洪量，對流域的防洪起到了積極的作用，但也要注意洪峰變大帶來的影響。

3.3 排澇模數(shù)對模擬結(jié)果的影響分析

由于研究區(qū)的地勢比較低洼，無法自行排水，不得不用排澇泵站等設(shè)施進(jìn)行抽排洪水，所以排澇模數(shù)很大程度上影響了圩區(qū)內(nèi)的水量變化，研究排澇模數(shù)變化對洪水的影響也具有重要的意義。研究表明秦淮河流域的排澇模數(shù)介于0.80～4.00 m3/(s·km2)之間時改變排澇模數(shù)對流域洪水沒有影響。究其原因，本研究將模型模擬時間步長設(shè)置為1 d，在最低排澇模數(shù)0.80 m/(s·km2)的情況下，都能將超過允許水深的洪水排出圩垸，所以在超過0.80 m3/(s·km2)以后對模擬結(jié)果是沒有影響的。

故本節(jié)主要研究針對在0.80 m3/(s·km2)以下的排澇模數(shù)參數(shù)變化帶來的影響，不同排澇模數(shù)的洪量和洪峰模擬結(jié)果如表4所示。不同排澇模數(shù)下洪量和洪峰相對變化趨勢如圖4所示。

表4 不同排澇模數(shù)的洪量和洪峰模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of flood volume and floodpeak with different drainage moduli

圖4 洪量和洪峰相較于排澇模數(shù)0.8 m3/(s·km2)情況百分比變化趨勢Fig.4 Trends of relative change of flood volume andflood peak compared with those in the scenario thatdrainage modulus equals 0.8 m3/(s·km2) indifferent flood events

由表4和圖4(a)可以看出，以允許水深0.1 m為對比基礎(chǔ)，隨著排澇模數(shù)的不斷減小，流域的洪量也呈下降趨勢；表4和圖4(b)可以看出，排澇模數(shù)的減小，流域洪峰也隨之減弱。分析其原因，排澇模數(shù)代表該區(qū)域的排澇能力，排澇模數(shù)越低表示在相同時間內(nèi)對外排放的水量越少，洪峰和洪量也就越低，因此在圩垸能承受的范圍內(nèi)，有效的降低排澇模數(shù)有助于流域防洪。

4 結(jié) 論

本文以秦淮河流域為研究區(qū)域，通過構(gòu)建HEC-HMS水文模型，研究模型參數(shù)變化對模擬結(jié)果的影響，研究結(jié)論如下：

(1)流域不透水率的增大會導(dǎo)致流域的洪峰和洪量增加，對流域防洪有不利影響，且洪水規(guī)模越小，其影響越顯著。

(2)圩垸的允許水深增大降低了流域的洪量，輕微提升了流域的洪峰。

(3)排澇模數(shù)的降低減弱了流域的洪峰洪量，有效降低排澇模數(shù)對流域防洪起到了積極作用。

(4)對參數(shù)的研究不僅能更直觀地了解參數(shù)變化帶來的影響，還能為提高洪水預(yù)報精度提供有力的依據(jù)。

本文利用HEC-HMS水文模型研究參數(shù)改變帶來的影響，得到的結(jié)果和影響還不夠全面和深入，對于模型中控制運(yùn)行模塊的時間步長、DEM分辨率等因素對模擬結(jié)果的影響還需進(jìn)一步研究。