基于HEC-HMS的小流域山洪雨量預警

張珊珊，王江婷,2，徐征和

(1.濟南大學水利與環(huán)境學院，濟南 250022；2.湖北江河盛騰工程咨詢有限公司，武漢 430000)

山洪廣義上指山區(qū)溪溝中發(fā)生的洪水暴漲，包括暴雨山洪、融雪山洪等[1]。本文針對中國北方小流域的暴雨山洪[2]分析計算。頻發(fā)的山洪災害，對人民的生命財產(chǎn)安全造成威脅[3,4]，因此準確及時地預警尤為重要。部分山洪頻發(fā)地區(qū)因缺乏水文資料，使山洪預警的難度加大[5,6]。通常山洪預警指標分為臨界雨量預警指標、臨界水位預警指標[7]，前者運用更普及[8]。成災水位為河道發(fā)生暴雨洪水有可能誘發(fā)山洪災害的最小水位，其對應的斷面流量為臨界流量，由水位流量關系可對應確定數(shù)值[9]。當降雨量達到或超過某一量級和強度時，則可能會引發(fā)山洪等災害，此時對應時間段的降雨量為該區(qū)域的臨界雨量[10,11]。臨界雨量有靜態(tài)臨界雨量、動態(tài)臨界雨量，二者對土壤含水量的處理不同[12]。預警時段是在預警指標分析中研究對象的典型降雨歷時，分析預警時段的臨界雨量可得雨量預警指標[13]。

HEC-HMS模型為半分布式次洪降雨徑流模型[14]，國外很早就將其用于徑流模擬[15,16]。李燕[17]等將HEC-HMS模型應用于國內(nèi)中湯流域，效果較好，表明該模型可在無實測資料的地區(qū)進行山洪預警?；诖?，本文選取萊蕪市通天河流域的一個子流域作為研究區(qū)，基于HEC-HMS模型，計算預警指標并檢驗復核。

1 研究區(qū)HEC-HMS模型建立

通天河流域處于山東省萊蕪市北部山區(qū)，處于東經(jīng)117°23′～117°37′，北緯36°24′～36°33′。源于雪野鎮(zhèn)紅哨子村的通天河，向南匯入雪野水庫，全長16.1 km，流域面積98 km2。降雨量年內(nèi)年際變化較大，10-4月降水量約占全年1/4；呈三面(東西北)高、南面低的貝殼形地勢，地表大多被青石風化土層覆蓋，易飽和，降雨產(chǎn)流較快。

利用HEC-GeoHMS模塊對通天河流域30 m×30 m DEM進行填洼處理，采用D8法計算水流方向，用HEC-GeoHMS模塊Stream Definition工具提取河網(wǎng)，通過HEC-GeoHMS模塊生成Stream Link，用Catchment Grid Delineation工具給河段分級，得到子流域，再用Drain Line Processing工具將柵格流域圖矢量化。HEC-GeoHMS模塊依據(jù)選定的出水口自動劃分出10個子流域，形成流域數(shù)字水系。選子流域2為研究區(qū)，選取官正村、富家莊、房干村、安子灣4個沿河村落為研究對象。研究區(qū)、研究對象、雨量站位置見圖1。

研究區(qū)土地利用類型約95%為有林地和耕地，棕壤土和粗骨土為主要土壤類型，研究對象基本分布于棕壤土，研究區(qū)基本情況見表1。因通天河流域外的雨量站相距較遠，與該流域相關性較差，故只采用流域內(nèi)上游雨量站的資料。創(chuàng)建研究區(qū)HEC-HMS模型，經(jīng)分析比較后選擇初損穩(wěn)滲法、Synder單位線法、指數(shù)衰減法、馬斯京根法分別計算產(chǎn)流、直接徑流、基流和河道匯流演算。參考《萊城區(qū)山洪災害分析評價報告》，研究區(qū)降雨土壤初損值為10 mm，穩(wěn)定下滲率為1.56～3.66 mm/h。按照土地利用情況，分析其不透水面積；流域滯時為降雨量質(zhì)心與洪峰流量之間的時距，由相應公式計算可得。據(jù)研究區(qū)實際情況以及美國陸軍工程兵團水文水資源中心的推薦值，確定峰值系數(shù)的范圍為0.4～1；由流量過程線計算流量變化率，確定衰減指數(shù)和退水拐點比率的初值；K為穩(wěn)定流情況下河段傳播時間，流量比重因子X取值通常為0～0.5。采用人工調(diào)參法和目標函數(shù)優(yōu)化法相結合的方式調(diào)整模型參數(shù)，將模擬與實測水文過程對比，采用單變量梯度優(yōu)化法將參數(shù)初始值重復迭代修正，通過單純形法檢索目標函數(shù)得最優(yōu)解。分別選取1966-2016年間的7場、3場洪水過程率定、驗證模型參數(shù)，率定和驗證后的模型參數(shù)取值見表2。

表1 研究區(qū)基本情況表Tab.1 Basic information of the research area

表2 率定和驗證后的模型參數(shù)取值表Tab.2 The value of the model parameters after calibration and verification

2 預警指標分析

2.1 預警時段和臨界流量

將研究對象的匯流時間設置成最長預警時段，根據(jù)地區(qū)降雨特征等確定其他典型時段。根據(jù)《山東省水文圖集》，土壤最大蓄水量為60 mm，土壤較干、一般、較濕三種情況的初損值Ia依次為24、10、0 mm，本文臨界雨量計算中Ia取10 mm。根據(jù)已有資料所建立的水位流量關系曲線，由成災水位可得對應的臨界流量值。根據(jù)之前模型模擬洪水過程獲得的洪峰流量值，采用插值法計算其防洪能力，詳見表3，如房干村的臨界流量為105 m3/s，處于5 a一遇到10 a一遇的洪峰流量之間，推算其防洪能力為6.9 a。而富家莊的臨界流量達到305 m3/s，遠大于100 a一遇的洪峰流量，可知富家莊河道防洪能力較好，河道防護治理能力較強，受災概率較小。

表3 臨界流量和防洪能力表Tab.3 Critical flow and flood control capacity

2.2 研究區(qū)預警指標

2.2.1 臨界雨量

根據(jù)實測資料借助曼寧公式建立水位流量關系，由斷面成災水位對應出臨界流量；由《山東省中小河流治理工程初步設計設計洪水計算指導意見》中的泰沂山南區(qū)1 h雨型，結合實際，擬定降雨系列，作為模型輸入值，通過雨型分配降雨，研究對象的降雨序列見表4；利用模型試算法，將洪峰流量與臨界流量相比較，若二者相近，則為所需臨界雨量，若相差較大，重新假定初始雨量，重復上述步驟[18]，直到小于允許誤差為止。不同土壤干濕條件下的臨界雨量值如表5所示。

2.2.2 雨量預警指標

預警指標通常分準備轉移預警指標與立即轉移預警指標[19]，相應地，臨界雨量包括準備轉移雨量和立即轉移雨量[20]，在臨界雨量基礎上，分別乘以系數(shù)0.9、1.1作為準備轉移預警指標和立即轉移預警指標，見表5。

3 雨量預警指標檢驗復核

參考《山洪災害預警指標檢驗復核技術要求(試行)》，對研究區(qū)雨量預警指標檢驗復核。

表4 研究對象的設計雨型表Tab.4 The design rain type of the research objects

表5 臨界雨量及雨量預警指標表Tab.5 Critical rainfall and rainfall early warning indicators

3.1 水位流量關系

采用復核后的方法、比降、糙率等對20160722場次洪水計算現(xiàn)水位流量關系，與原水位流量關系比較，如表6所示，官正村、富家莊和房干村的現(xiàn)成災水位大于原成災水位，故三者的成災水位仍為原成災水位；安子灣的現(xiàn)成災水位雖小于原成災水位，而實際仍發(fā)生了山洪，故將現(xiàn)成災水位定為其成災水位；臨界流量誤差分別為-3.6%、7.9%、8.6%、-6.1%，均小于10%，表明水位流量關系相對合理。

表6 水位流量檢驗結果表Tab.6 Check results of water level and flow

3.2 HEC-HMS計算洪峰方法

(1)同一條河流上下游不同位置的洪峰流量及洪峰模數(shù)。富家莊、安子灣、李家莊位于同一條河流上下游的不同位置，如表7所示，可知三者的設計洪水洪峰流量呈上小下大趨勢，洪峰模數(shù)相差不大。

表7 同一條河流上下游不同位置的洪峰流量及洪峰模數(shù)表Tab.7 The flood peak flow and flood peak modulus of the same river at different locations

(2)相似小流域的洪峰流量及洪峰模數(shù)。通天河流域的子流域1和子流域4形狀相似，比降、植被和土壤分布類似，可認為二者具有一定相似性。如表8所示，可知二者的洪峰模數(shù)相近。20160722、20120708場次的洪水過程模擬圖見圖2，兩個子流域洪水過程線形狀類似，峰現(xiàn)時間相近。

表8 相似小流域對比表Tab.8 Comparison of similar small watersheds

圖2 流域出口處洪水過程模擬圖Fig.2 Flood process simulation diagram at the outlet of the basin

3.3 臨界雨量及預警指標

成災之前不同預警時段的最大雨量作為該時段特征雨量，同步計算前期影響雨量Pa,t，應選用與成災洪水特征雨量相同前期影響雨量下的臨界雨量計算偏離度。對于成災洪水，偏離度分布在10%范圍內(nèi)，則臨界雨量基本合理；否則，需再用頻率區(qū)間分析，若特征雨量和臨界雨量位于同一頻率區(qū)間，則臨界雨量視為合理，否則應重新計算。因富家莊河道防洪能力大于100 a一遇，故不再檢驗。臨界雨量的偏離度計算結果見表9。

(1)

4 結 語

官正村臨界雨量偏離度除20120708場次(洪水最大)合理外，其余偏大；房干村臨界雨量20160722、20120708場次偏離度偏小，其余偏大；安子灣臨界雨量偏離度除19960730場次偏大外，其余偏小。分析預警指標誤差的影響因素：雨量站資料代表性不足；成災水位換算至控制斷面時有誤差；由水位流量關系曲線對應出的臨界流量有誤差；參數(shù)取值大多據(jù)流域平均狀態(tài)選取，具體至每個研究對象會有偏差等。

從偏離度來看，部分臨界雨量偏離度小于10%，預警指標部分合理，需更多場次洪水來精確預警指標閾值；從頻率區(qū)間分析，除19960730場次外，其余場次特征雨量與臨界雨量基本位于同一頻率區(qū)間，預警指標基本合理。總之，在無更精確的獲取預警指標的方法時，此方法為小流域山洪預警指標分析提供了參考。

表9 預警指標檢驗成果表Tab.9 The checked and verified results of early warning indicators

注：t為預警時段；Pa,t為前期影響雨量；D為偏離度；Pt為特征雨量，Pl為臨界雨量，表中分別用*、√表示。