不同計(jì)算方法對HEC-HMS小流域洪水預(yù)報(bào)結(jié)果的影響研究

柳 頌

(東港市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 丹東 118300)

1 研究區(qū)概況

大洋河是遼寧省遼東半島東側(cè)的入海河流，發(fā)源于岫巖縣偏嶺鄉(xiāng)境內(nèi)的一棵樹嶺南側(cè)，流經(jīng)岫巖縣、東港市，在東溝縣的黃土坎入黃海[1]。大洋河干流全長230.0 km，其中岫巖縣境內(nèi)長度180.2 km，流域面積1968.4 km2，是岫巖縣的重要飲用水水源地。大洋河的主要支流有雅河、牤牛河、連河、哨子河等，全部流域面積6004.0 km2，多年平均徑流量31億m3[2]。大洋河從源頭至岫巖縣冷家隈子為上游，屬于典型的扇形水系，該河段比降大，流量小、流速快，汛期水大勢猛，經(jīng)常泛濫，對岫巖鎮(zhèn)存在一定的威脅。從冷家隈子至哨子河街為中游，該河段為羽毛狀水系，河道開闊、河床穩(wěn)定，水量較大、水流平穩(wěn)。哨子河街以下為下游，河道寬闊、水量豐富，由于河道比降較小，因此河床淤積現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

2 研究方案

2.1 HEC-HMS模型的構(gòu)建

HEC-HMS模型共包括流域、氣象、控制運(yùn)行和時(shí)間序列等四個(gè)運(yùn)行模塊[6]。其中，流域模塊的主要功能是提取流域河網(wǎng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行概化，該模塊的運(yùn)行可以基于子流域的劃分，獲得流域的面積、蒸發(fā)量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過具體的降雨徑流過程進(jìn)行降雨損失、直接徑流、基流以及匯流過程的計(jì)算。本次研究結(jié)合大洋河的流域和水系特點(diǎn)，將整個(gè)流域劃分為13個(gè)子流域，利用地表漫流模型進(jìn)行河網(wǎng)水系生成；氣象模塊的主要功能是對流域洪水過程中的降雨、蒸發(fā)、融雪等氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行前期分析和處理；控制運(yùn)行模塊的主要作用是設(shè)定計(jì)算步長以及計(jì)算的起止時(shí)間；時(shí)間序列模塊的主要作用是輸入站點(diǎn)坐標(biāo)與觀測資料，為模型的模擬計(jì)算做準(zhǔn)備。

在HEC-HMS模型中，計(jì)算流程主要包括產(chǎn)流、直接徑流、基流以及河道洪水等四部分的計(jì)算[7]。其中，在產(chǎn)流計(jì)算方面，模型提供了初損后損法、SCS 曲線法、格網(wǎng) SCS 曲線法、格林-艾姆普特法、盈虧常數(shù)法、土壤濕度法以及格網(wǎng)土壤濕度法等七種計(jì)算方法[8]；在直接徑流計(jì)算方面，模型提供了經(jīng)驗(yàn)單位線法、Snyder 單位線法、SCS 單位線法、Clark 單位線法、ModClark 單位線法、運(yùn)動(dòng)波法等六種不同的計(jì)算方法；在基流計(jì)算方面，模型提供了退水曲線法、月恒定流法和線性水庫法三種方法；在河槽洪水演算方面，模型提供了馬斯京根法、運(yùn)動(dòng)波法、滯后演算法、改進(jìn)的Puls法、馬斯京根法-康吉法等五種方法。因此，在研究中需要根據(jù)流域的具體情況選用計(jì)算方法，但是對同一流域，適合的計(jì)算方法往往不止一種，因此，不同計(jì)算方法對計(jì)算結(jié)果是否存在顯著影響就顯得尤為重要。

2.2 計(jì)算方案設(shè)計(jì)

根據(jù)HEC-HMS模型提供的計(jì)算方法，結(jié)合大洋河流域的水文、氣象特點(diǎn)，研究中確定基于不同計(jì)算方法的兩套方案構(gòu)建模型并進(jìn)行模擬計(jì)算，具體方案設(shè)計(jì)如表1所示。

2.3 研究洪水場次

本次研究選擇的是大洋河流域的5個(gè)主要水文和雨量站點(diǎn)1976—2018年近42 a的降雨徑流數(shù)據(jù)，作為本次研究中模型參數(shù)率定和驗(yàn)證的依據(jù)。研究中對上述資料進(jìn)行整理，剔除資料不全或不具有代表性的數(shù)據(jù)，最終篩選出12場次的洪水場次。其中，將上述12場次的洪水按照時(shí)間序列排序，將前7場洪水資料用于模型參數(shù)的率定，將后5場次洪水資料用于模型的驗(yàn)證。

3 結(jié)果與分析

3.1 方案一結(jié)果與分析

利用表1中所列的方案一的計(jì)算方法確定模型參數(shù)的初始值，并將其輸入構(gòu)建的模型，選擇上節(jié)確定的7個(gè)場次洪水對方案一進(jìn)行參數(shù)的率定和優(yōu)化，獲得如表2所示的率定期7場次洪水的模擬結(jié)果。由表中的結(jié)果可知，在模擬的7場次洪水中有6場合格，合格率為85.71%，所有場次洪峰流量的模擬結(jié)果誤差均小于20%，確定性均值為0.827。

利用方案一條件下參數(shù)率定之后的模型，對5場次的驗(yàn)證期洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如表3所示。由表中的結(jié)果可知，5場次洪水的模擬結(jié)果均合格，合格率為100%，其中洪峰流量的模擬誤差均小于15%，確定性均值為0.820。

3.2 方案二結(jié)果與分析

利用表1中所列的方案二的計(jì)算方法確定模型參數(shù)的初始值，并將其輸入構(gòu)建的模型，選擇上節(jié)確定的7個(gè)場次洪水對方案二進(jìn)行參數(shù)的率定和優(yōu)化，獲得如表4所示的率定期7場次洪水的模擬結(jié)果。由表中的結(jié)果可知，在模擬的7場次洪水中有5場合格，合格率為71.43%，除010 725場次洪水之外，其余場次洪峰流量的模擬結(jié)果誤差均小于25%，確定性均值為0.778。

利用方案二條件下參數(shù)率定之后的模型，對5場次的驗(yàn)證期洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如表5所示。由表中的結(jié)果可知，5場次洪水中有4場次的模擬結(jié)果為合格，合格率為80%，其中洪峰流量的模擬誤差均小于15%，確定性均值為0.760。

表2 方案一率定期模擬結(jié)果

表3 方案一驗(yàn)證期模擬結(jié)果

表4 方案二率定期模擬結(jié)果

表5 方案二驗(yàn)證期模擬結(jié)果

3.3 結(jié)果對比分析

從兩種不同計(jì)算方案下的模型模擬結(jié)果來看，均取得了比較理想的結(jié)果，可以用于大洋河流域的洪水模擬計(jì)算。具體來看，方案一在洪峰流量以及徑流深方面的模擬計(jì)算誤差較小，模擬和驗(yàn)證期的12場洪水中，有11場次的模擬結(jié)果為合格，合格率為91.67%；各場次洪水的峰現(xiàn)時(shí)差均小于5 h；確定性系數(shù)的均值為0.824。方案二在洪峰流量以及徑流深方面的模擬計(jì)算誤差相對較大，模擬和驗(yàn)證期的12場洪水中，有9場次的模擬結(jié)果為合格，合格率為75.00%；除010 725場次和170 808場次以外，其余場次洪水的峰現(xiàn)時(shí)差均小于5 h；確定性系數(shù)的均值為0.770?？傊?，兩種方案的模擬結(jié)果整體較好，說明HEC-HMS 水文模型在大洋河洪水模擬和預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮重要作用，但是不同的計(jì)算方法對模擬結(jié)果和精度存在一定的影響，方案一更適合研究區(qū)的山洪預(yù)報(bào)工作。由此可見，在HEC-HMS 水文模型應(yīng)用過程中要結(jié)合流域的具體特征選擇合適的計(jì)算方法以提高模型的模擬精度。

4 結(jié) 論

本次研究以遼東半島東部的大洋河流域?yàn)槔?，提出了基于不同?jì)算方法的兩種方案，對不同計(jì)算方法對HEC-HMS 水文模型模擬精度的影響進(jìn)行研究，并獲得如下結(jié)論：

(1)兩種方案的模擬結(jié)果整體較好，說明HEC-HMS 水文模型在大洋河洪水模擬和預(yù)報(bào)預(yù)警中發(fā)揮重要作用。

(2)兩種方案相比較，方案一更適合大洋河流域的山洪預(yù)報(bào)工作。

(3)在HEC-HMS 水文模型應(yīng)用過程中，不同的計(jì)算方法對模擬結(jié)果和精度存在一定的影響，因此應(yīng)該結(jié)合流域的具體特征選擇合適的計(jì)算方法以提高模型的模擬精度。