HEC-HMS模型在定安河流域的應(yīng)用

孫亞楠

（河北省廊坊水文勘測(cè)研究中心，河北 廊坊 065000）

水文模型的實(shí)質(zhì)是用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行水循環(huán)的描述和模擬，為水資源管理和決策提供基礎(chǔ)的技術(shù)手段和參考依據(jù)[1]。近年來(lái)，隨著遙感和GIS 技術(shù)的日益成熟，可以方便地獲取不同時(shí)空分辨率的大量水文、氣象、植被、土壤數(shù)據(jù)等重要參數(shù)[2-4]，基于DEM的水文模型系統(tǒng)的應(yīng)用和研究已成為現(xiàn)代水文模型的發(fā)展趨勢(shì)之一。由于各個(gè)水文過(guò)程有著不同的模擬方法，根據(jù)研究區(qū)的地形、土地利用、土地覆蓋、土壤特性，對(duì)這些方法進(jìn)行優(yōu)選搭配，針對(duì)研究區(qū)建立最佳的模擬方案，對(duì)于陸表水文循環(huán)研究有非常重要的意義。本文采用HEC-HMS 模型對(duì)定安河流域進(jìn)行洪水徑流的模擬，根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)選擇相應(yīng)的產(chǎn)匯流方法。

1 引言

定安河屬萬(wàn)泉河水系，發(fā)源于海南省瓊中縣風(fēng)門(mén)嶺，全長(zhǎng)88 km，流域集水面積1 257 km2。流域平均降水量2 800 mm 以上，多年平均年徑流量18.39億m3，河流水量豐沛，屬于濕潤(rùn)地區(qū)。定安河流域有1個(gè)蒸發(fā)站、1個(gè)水文站和11個(gè)雨量站。

HEC-HMS 模型是由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心（HEC）開(kāi)發(fā)的次降雨徑流模型，適用于洪水預(yù)報(bào)時(shí)的降雨徑流計(jì)算。該模型用相互聯(lián)系的水文和水力學(xué)要素表示流域水文過(guò)程，由降雨模擬直接徑流過(guò)程及河道水流演進(jìn)過(guò)程[5]。模型采用模塊化操作方式，主要包括4 個(gè)相互獨(dú)立部分：流域模塊、氣象模塊、控制模塊和時(shí)間系列模塊。流域模塊主要包括對(duì)子流域的劃分、基于土壤吸收和存儲(chǔ)的損失計(jì)算模塊、將超滲降雨轉(zhuǎn)化成徑流計(jì)算模塊、徑流在河道中的匯集和傳播計(jì)算模塊和在天然河道中的演變計(jì)算模塊；氣象模塊主要用來(lái)掌握降雨量及其在區(qū)域上的分配；控制設(shè)定模塊主要用來(lái)設(shè)定計(jì)算的起始時(shí)間和終止時(shí)間；時(shí)間序列模塊主要用來(lái)輸入雨量站和流量站的數(shù)據(jù)。

在流域模塊中運(yùn)用Arcgis 來(lái)劃分子流域，對(duì)輸入的數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)行地形處理，提取出水系并劃分子流域，統(tǒng)計(jì)流域基本水文特征信息，最終生成HEC-HMS 模型可以使用的數(shù)據(jù)。在每個(gè)子流域內(nèi)，HEC-HMS 模型根據(jù)其下墊面條件選定參數(shù)進(jìn)行降雨徑流過(guò)程模擬計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果演算到流域出口處。

HEC-HMS 模型在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，為洪水風(fēng)險(xiǎn)分析及洪水預(yù)報(bào)工作提供了很多便利。本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上結(jié)合研究區(qū)域的水文屬性，對(duì)定安河的2次洪水過(guò)程進(jìn)行模擬研究，定安河流域如圖1所示。

圖1 定安河流域

2 HEC-HMS模型的建立

2.1 流域模塊

2.1.1 子流域劃分

運(yùn)用Arcgis 對(duì)定安河流域1∶40 000 的DEM 進(jìn)行子流域劃分，共劃分出6 個(gè)子流域。在Arcgis 中進(jìn)行填洼、分割合并子流域，計(jì)算河流坡度、長(zhǎng)度等，得到定安河流域的Basin 文件，Basin 流域如圖2 所示，安定河子流域概況詳見(jiàn)表1。

圖2 Basin流域

表1 定安河子流域概況

2.1.2 降雨損耗計(jì)算

研究中，運(yùn)用土壤濕度計(jì)算模型SMA（Soil Moisture Accounting Loss）來(lái)表示降雨損耗。SMA 模型將土壤分成三層，分別是包氣帶含水層、淺層含水層和深層含水層。SMA模型主要包含的參數(shù)有土壤最大下滲率、張力水蓄水容量、包氣帶飽和蓄水深度、田間持水量、包氣帶向淺層含水層滲透率、淺（或深）層含水層蓄水容量、淺層向深層含水層滲透率和淺（或深）層含水層系數(shù)（表示地下水流速）等，在進(jìn)行率定前，要注意包氣帶飽和蓄水深度要大于田間持水量，深層含水層系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于淺層含水層系數(shù)。

根據(jù)流域的下墊面情況先設(shè)定一個(gè)數(shù)值，然后進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。在優(yōu)化時(shí)首先要選定上下限，在該范圍內(nèi)進(jìn)行迭代，最后得到參數(shù)的最優(yōu)倍比，再分別乘上初始設(shè)定的參數(shù)，得到優(yōu)化后的參數(shù)。

2.1.3 坡地匯流確定

在模型的率定期，流域匯流運(yùn)用的是線性水庫(kù)法。該方法用于土壤濕度計(jì)算模型（SMA），可以采用與SMA模型相一致的校驗(yàn)方法。

在模擬洪水過(guò)程時(shí)，流域的坡地匯流運(yùn)用的是克拉克單位線法，該方法需要的參數(shù)有蓄水系數(shù)R和流域匯流時(shí)間t。R是凈雨排到出口時(shí)集水區(qū)域的臨時(shí)蓄水量指標(biāo)，可由流域的降雨數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)估算出來(lái)。在本次模擬中，參數(shù)率定之后R最后取10，流域匯流時(shí)間t最后取6 h。

2.1.4 河道匯流演算

在模型的率定期，河道匯流演算采用滯后演算法。

在模擬洪水過(guò)程時(shí)，河道演算采用馬斯京根法，主要參數(shù)有河段長(zhǎng)度、比降、馬斯京根系數(shù)K、流量比重因子x和河段分段數(shù)等。其中，K一般都要不小于時(shí)間步長(zhǎng)，本次模擬洪水過(guò)程時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，且K/Δt的結(jié)果應(yīng)近似于時(shí)間步長(zhǎng)，故K取1；流量比重因子x的取值為0~0.5；河段分段數(shù)與各個(gè)河段長(zhǎng)度有關(guān)，河段長(zhǎng)度可在Arcgis中得到。

2.2 氣象模塊

該模塊主要是指流域內(nèi)水文過(guò)程所需的雨量資料及計(jì)算面雨量的方法，本研究按泰森多邊形法計(jì)算各雨量站的權(quán)重，并計(jì)算流域的面雨量。

2.3 控制設(shè)定和時(shí)間序列模塊

控制設(shè)定模塊主要是設(shè)定計(jì)算的起始時(shí)間、終止時(shí)間和模擬的時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間間距一般為1 min~1 d 不等。本次模擬日模率定參數(shù)時(shí)間步長(zhǎng)取1 d，模擬2次洪水時(shí)時(shí)間間距取1 h。

時(shí)間序列模塊主要是輸入雨量站和流量站的數(shù)據(jù)資料。

3 結(jié)果分析

3.1 驗(yàn)證期結(jié)果分析

本研究選擇2008—2011 年的日均流量來(lái)率定參數(shù)，并選擇2012—2013 年的日均流量對(duì)率定參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。率定完日模參數(shù)，最后日模率定期的Nasch 為0.718，模擬的結(jié)果如圖3 所示。用率定期定出的參數(shù)去驗(yàn)證驗(yàn)證期的結(jié)果，驗(yàn)證期的Nasch為0.552，如圖4所示。

圖4 日模驗(yàn)證期結(jié)果

由圖3—4可以看出，定安河2008—2011年的率定期結(jié)果比較好，但是驗(yàn)證期的結(jié)果不好，這可能由于驗(yàn)證期比較短且定安河處于濕潤(rùn)地區(qū)，驗(yàn)證期的2 a都發(fā)生了洪水，造成驗(yàn)證期的模擬效果比較差。

圖3 日模率定期結(jié)果

3.2 洪水模擬結(jié)果分析

對(duì)2012年6月15—24日和2013年7月31日—8月7日的2次洪水過(guò)程進(jìn)行模擬，并與實(shí)測(cè)流量過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析，洪水特征值詳見(jiàn)表2，模擬結(jié)果如圖5—6所示。

表2 洪水模擬成果

圖5 20120615實(shí)測(cè)流量、模擬流量和河道模擬流量、概化區(qū)域模擬流量過(guò)程線

由圖5—6 和表2 可以看出，2012 年6 月15 日和2013 年7 月31 日2 場(chǎng)洪水實(shí)測(cè)洪峰流量與模擬的洪峰流量吻合較好，誤差在10%以?xún)?nèi)。20120615 次洪水的Nasch 系數(shù)為0.923，20130731 次洪水的Nasch系數(shù)為0.937，由此可以看出2 次洪水的模擬效果均比較好。

3.3 參數(shù)敏感性分析

在調(diào)整日模參數(shù)和次洪參數(shù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)比較敏感的參數(shù)，如土壤的最大下滲率、包氣帶飽和蓄水深度和張力水蓄水容量這3個(gè)參數(shù)對(duì)流量的影響比較大。經(jīng)過(guò)多次調(diào)參發(fā)現(xiàn)，這3 個(gè)參數(shù)越大流量越小。在洪水調(diào)參過(guò)程中，對(duì)結(jié)果影響比較明顯的是克拉克單位線法中的匯流時(shí)間和儲(chǔ)蓄系數(shù)，匯流時(shí)間越短，洪峰越靠前；儲(chǔ)蓄系數(shù)越大，洪峰越高。

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 20130731實(shí)測(cè)流量、模擬流量和河道模擬流量、概化區(qū)域模擬流量過(guò)程線

本研究表明，定安河流域率定期（2008—2011年）和2次洪水過(guò)程（20120615和20130731）模擬的效果比較好，但是驗(yàn)證期（2012—2013 年）的效果不太好，這可能是因?yàn)? 次洪水都發(fā)生在率定期。由此說(shuō)明，HEC-HMS 模型適用于大尺度流域降雨徑流過(guò)程的模擬，對(duì)我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)的次洪徑流模擬具有較好的適用性。