閩江均溪小流域分布式洪水模型的建立

張亮明，林木生

(閩江學(xué)院海洋學(xué)院，福州 350007)

0 引 言

隨著全球氣溫變暖，洪水等極端水文顯現(xiàn)頻發(fā)，暴雨洪水相關(guān)研究已成為當(dāng)前水文學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。水文模型是對(duì)生物自然界復(fù)雜多變的水文這一現(xiàn)象發(fā)生的近似動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程，用來(lái)解決實(shí)際生活中針對(duì)水文規(guī)律研究和生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題提供一種最優(yōu)的方法[2-3]。流域水文模型從無(wú)到有發(fā)展到當(dāng)今，由于各個(gè)專家學(xué)者研究出于不同的目，故應(yīng)用方法也不盡相同，在國(guó)內(nèi)外也呈現(xiàn)了大量結(jié)構(gòu)和功能不同的水文模型。種類(lèi)繁多的水文模型，因劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同將會(huì)被區(qū)分成不同的種類(lèi)，依據(jù)水文發(fā)生過(guò)程概化方式、程度的大小和相關(guān)假設(shè)進(jìn)行分類(lèi)，可以分為集總式水文模型和分布式水文模型兩種模型[4]。HEC模型是美國(guó)聯(lián)邦政府出資,由美國(guó)陸軍工程師團(tuán)水資源機(jī)構(gòu)研制分布式暴雨洪水模型，模型包括HEC-GeoHMS和HEC-HMS兩部分。HEC-HMS部分是洪水預(yù)報(bào)的主要是部分，由氣象模式、流域模式和控制模式組成。該模型是一種系統(tǒng)而全面的次降雨徑流模擬模型，根據(jù)DEM及水系特征，可以將一個(gè)大流域劃分為若干子流域，結(jié)合下墊面時(shí)空發(fā)生變化的情況，按照軟件步驟計(jì)算出相對(duì)應(yīng)每個(gè)子流域的產(chǎn)流量數(shù)值的多少，匯流，出口斷面等數(shù)據(jù)。太湖流域[5-7]、漳衛(wèi)南運(yùn)河流域[8]、晉江西溪流域[9-10]、官寨流域[11]等地區(qū)的洪水預(yù)報(bào)，結(jié)果表明該模型可以為預(yù)期的洪水預(yù)報(bào)提供很高的可信度[12-13]。

福建省地處溫帶海洋性氣候地帶，常年多雨，暴雨洪水頻繁，閩江流域是福建省最大的流域，約占整個(gè)福建省國(guó)土面積的1/2。由于閩江流域面積較大，下墊面情況復(fù)雜，涉及的資料眾多，建立整個(gè)閩江流域暴雨洪水模擬難度較大，因此，文章以閩江流域尤溪支流的均溪小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于歷史暴雨洪水資料，建立研究暴雨洪水HEC-HMS模型，為整個(gè)閩江流域暴雨洪水模擬的建立積累經(jīng)驗(yàn)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

均溪小流域?qū)儆陂}江尤溪流域中的一個(gè)小流域，均溪自東向西流走，位于南部均溪與北部的文江溪在尤溪形成匯流，交匯于一起，并且一并流入閩江；西南部的桃源溪、上京溪?jiǎng)t一同經(jīng)過(guò)漳平和長(zhǎng)潭，然后又同時(shí)匯入到九龍江里，研究區(qū)自然條件為“九山半水半分田”。有山區(qū)丘陵地帶地形地貌的研究區(qū)，山巒蜿蜒不段，沿伸到溝澗。地勢(shì)起伏，西南高東北略微地，呈現(xiàn)一種傾斜狀態(tài)。東西跨度為57km，南北長(zhǎng)度約為75km。其中有175座山峰海拔>1000m，最高峰為南端的大仙峰，海拔1519m，北部的文江溪下游河谷處是最低處，海拔<345m。研究區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)，常年陽(yáng)光照射，降雨量豐沛，平均降雨量為1491.6-1809.7mm，平均氣溫為15.4-19.6℃/a，平均日照時(shí)數(shù)1723.8h/a，無(wú)霜期占了全年的5/6，農(nóng)作物生長(zhǎng)旺盛。山垅田、梯田的海拔在500m以上屬于耕地，并且這2種類(lèi)型的田地占全部耕地的71%，有60%之多的田地坡度達(dá)到15%及以上[14]。文章以大田水文站(117°50’E，25°40’N)控制的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)。研究區(qū)概況圖，見(jiàn)圖1。

圖1 研究區(qū)概況圖

2.2 研究數(shù)據(jù)

研究區(qū)所需要的數(shù)據(jù)庫(kù)為水文氣象數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)。水文氣象數(shù)據(jù)主要有多場(chǎng)次暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)，包含8個(gè)雨量站和1個(gè)水文站數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于《閩浙臺(tái)河流水文資料(1979年)》?？臻g數(shù)據(jù)主要有30×30mDEM數(shù)據(jù)，研究區(qū)1985年土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)。其中30mDEM數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)分別來(lái)自地理空間云數(shù)據(jù)網(wǎng)站和中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站，1985年土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中科院南京土壤所。

3 研究方法

3.1 研究思路

文章使用到的軟件平臺(tái)有：鑲嵌了HEC-GeoHMS模塊的ArcView軟件、HEC-DSSVue軟件、以及HEC-HMS水文模型。其中，ArcView軟件是ESRI公司開(kāi)發(fā)的地理信息處理，以地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用地理模型分析的方法，提供多種空間的和動(dòng)態(tài)的地理信息系統(tǒng)[15]處理的軟件。HEC-GeoHMS模塊是由美國(guó)陸軍兵工團(tuán)水文研究中心開(kāi)發(fā)的DEM處理模塊，該模塊必須鑲嵌在ArcView軟件中，該模塊主要用于下墊面水文參數(shù)的提取。HEC-DSSVue軟件和HEC-HMS水文模型均是美國(guó)陸軍兵工團(tuán)水文工程中心開(kāi)發(fā)的軟件，其中，HEC-DSSVue軟件是用于水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和數(shù)據(jù)的初步處理；HEC-HMS水文模型是開(kāi)發(fā)的分布式水文模型。

3.2 空間參數(shù)提取

3.2.1 DEM數(shù)據(jù)處理

用ArcView軟件里面帶有HEC-GeoHMS這一工具對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理第1步：無(wú)洼地DEM的生成；第2步：流方向的計(jì)算；第3步：匯流累計(jì)的計(jì)算、水系提取，最后位子流域的劃分。進(jìn)而通過(guò)ArcView里面的統(tǒng)計(jì)工具、公式提取河流水系長(zhǎng)度、各子流域面積、坡度坡長(zhǎng)、河流比降等空間信息。DEM數(shù)據(jù)的處理，見(jiàn)圖2。

圖2 DEM數(shù)據(jù)的處理

3.2 水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

水文氣象數(shù)據(jù)選用由美國(guó)陸軍兵工團(tuán)開(kāi)發(fā)的HEC-DSSVue軟件進(jìn)行建庫(kù)以及后續(xù)處理過(guò)程。HEC-DSSVue軟件不僅能夠存儲(chǔ)降雨、徑流量數(shù)據(jù)，還能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間尺度內(nèi)插和合并等操作。文章選取均溪小流域1979年3場(chǎng)暴雨洪水歷史實(shí)測(cè)資料，數(shù)據(jù)來(lái)源于《閩浙臺(tái)河流水文資料》。研究區(qū)共有1個(gè)水文站(大田水文站)，8個(gè)雨量站。站點(diǎn)名稱為屏山站、辛溪站、石坑站、武陵站、大石站、梅嶺站、小湖站、大田站。將研究時(shí)段各場(chǎng)次3場(chǎng)暴雨徑流資料逐一錄入HEC-DSSVue軟件，由于個(gè)別站點(diǎn)降雨觀測(cè)間隔為3h，需要利用HEC-DSSVue軟件自帶的數(shù)學(xué)函數(shù)功能，將3h降雨量?jī)?nèi)插成1h降雨量。具體軟件操作界面如下。

3.3 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型[16]是美國(guó)陸軍兵工團(tuán)開(kāi)發(fā)的分布式水文模型。此模型具有模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對(duì)于不同的研究區(qū)域，依據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)的模擬方法。目前該模型被廣泛應(yīng)用于場(chǎng)次暴雨洪水的模擬。本次模擬采用4個(gè)步驟完成有：先進(jìn)行方距離權(quán)重法將計(jì)降雨量的大小計(jì)算出來(lái)、然后用SCS單位線這種方法計(jì)算坡面匯流量以及SCS曲線的方法求出產(chǎn)流量的大小。在此以指數(shù)退水法為計(jì)算支持計(jì)算基流的大小情況，最后采用馬斯京根法計(jì)算洪水演進(jìn)從而得到模擬的真實(shí)展現(xiàn)。最終將分別經(jīng)過(guò)HEC-GeoHMS模塊處理和HEC-DSSVue軟件建立的DEM數(shù)據(jù)以及水文氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入HEC-HMS模型，進(jìn)行場(chǎng)次洪水模擬，得到最終結(jié)果。

4 閩江均溪暴雨洪水模型的建立

文章基于均溪小流域1979年5月和8月份3場(chǎng)暴雨洪水歷史數(shù)據(jù)，采用試錯(cuò)法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行篩選，建立研究區(qū)場(chǎng)次暴雨洪水HEC-HMS模型[17]。洪峰流量相對(duì)誤差、洪量相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)間和效率系數(shù)這些因素都是用來(lái)評(píng)價(jià)模擬結(jié)果好壞的指標(biāo)。其中當(dāng)洪峰流量相對(duì)誤差、洪量相對(duì)誤差和峰現(xiàn)時(shí)間越小時(shí)，結(jié)果表明此次模擬具有好的效果；當(dāng)效率系數(shù)越接近于1，表明模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果精確性高、誤差低。場(chǎng)次暴雨洪水模擬結(jié)果，見(jiàn)圖1，場(chǎng)次暴雨洪水模擬結(jié)果，見(jiàn)圖3。

圖3 場(chǎng)次暴雨洪水模擬結(jié)果

從表1分析可得，3場(chǎng)暴雨洪水的模擬結(jié)果均較好，其中平均相對(duì)洪峰誤差僅為3.35%，洪量相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)差、效率系數(shù)分別為6.67%、0、0.85。國(guó)家洪水預(yù)報(bào)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指出：洪峰相對(duì)誤差<20%，預(yù)報(bào)結(jié)果為合格。文章進(jìn)行模擬的3場(chǎng)暴雨洪水的洪峰流量相對(duì)誤差均<20%，數(shù)據(jù)表明模擬效果較好。具體分析如下：19790503場(chǎng)次洪水模擬，洪峰流量相對(duì)誤差為2.99%，洪量相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)差、效率系數(shù)分別為-2.04%、0、0.79。19790803場(chǎng)次洪水模擬，洪峰流量相對(duì)誤差為1.9%，洪量相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)差、效率系數(shù)分別為-0.33%、0、0.83。19790822場(chǎng)次洪水模擬，洪峰流量相對(duì)誤差為5.15%，洪量相對(duì)誤差、峰現(xiàn)時(shí)差、效率系數(shù)分別為17.64%、0、0.94。

表1 場(chǎng)次暴雨洪水模擬結(jié)果

5 結(jié) 論

文章以大田水文站控制的閩江均溪小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，基于1979年研究區(qū)3場(chǎng)歷史暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)，采用鑲嵌有HEC-GeoHMS模塊的ArcView處理DEM數(shù)據(jù)，提取空間特征參數(shù)，采用HEC-DSSVue軟件建立研究區(qū)暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)，最后，采用HEC-HMS模型進(jìn)行研究區(qū)水文參數(shù)的本地化研究，建立研究區(qū)分布式暴雨洪水模型。本次模擬首先采用方距離權(quán)重法將計(jì)降雨量的大小計(jì)算出來(lái)，然后用SCS單位線這種方法計(jì)算坡面匯流量以及SCS曲線的方法求出產(chǎn)流量的大小，指數(shù)退水法為計(jì)算支持計(jì)算基流，最后采用馬斯京根法計(jì)算洪水演進(jìn)從而得到模擬的真實(shí)展現(xiàn)。模擬的結(jié)果表明：

1)本研究是在遙感、GIS技術(shù)的幫助下，提取出流域下墊面地形地貌特征、植被的覆蓋度大小、土地利用效率的多少、土壤等具體信息，得到計(jì)算結(jié)果，然后利用得到的結(jié)果和HEC-HMS水文模型[23}系統(tǒng)相耦合，形成分布式水文模擬方案。

2)本研究是基于歷史場(chǎng)次洪水資料，建立研究區(qū)HEC-HMS模型。模擬結(jié)果表明，模擬得到的洪峰流量相對(duì)誤差和洪量相對(duì)誤差均<20%，HEC-HMS模型適合用于閩江均溪小流域。

3)本研究成果可以為研究區(qū)洪水預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持，同時(shí)，為整個(gè)閩江流域分布式暴雨洪水模型的建立積累建模經(jīng)驗(yàn)。