河南魯山縣雞冢河小流域典型暴雨洪水過程模擬分析

朱恒槺 李虎星 鐘 凌

（1.河南省水利科學研究院，鄭州 450003；2.河南省水利工程安全技術(shù)重點實驗室，鄭州 450003；3.華北水利水電大學，鄭州 450045）

0 引 言

在全球氣候變化背景下，流域的水文條件變化顯著，特別是受極端天氣的影響，局地暴雨洪水頻發(fā)，區(qū)域性災(zāi)害不斷發(fā)生[1]。暴雨是指在短時間內(nèi)出現(xiàn)高強度的大量降水，在山丘區(qū)易造成山洪災(zāi)害，在城市易形成內(nèi)澇，對經(jīng)濟的發(fā)展和人民的生命安全造成嚴重威脅[2]。河南省地處北亞熱帶與暖溫帶的過渡帶，季風影響強烈，再加上西部、南部為連綿起伏的山地，東部為廣闊坦蕩的平原，進入省內(nèi)的主要來自東南方向的暖濕氣流受西部山地的影響，氣流急劇上升，極易產(chǎn)生大暴雨。許多對災(zāi)害性洪水成因分析的研究表明，強降雨是誘發(fā)洪水災(zāi)害的主要動力。為深入了解洪水成災(zāi)原因，加強洪水預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，有必要對暴雨洪水過程進行模擬分析研究[3]。

根據(jù)《河南省中小流域設(shè)計暴雨洪水圖集》（84 圖集）和《河南省防汛水情資料匯編資料》（1982年），沙潁河上游魯山-雞冢為河南省三大暴雨中心之一。據(jù)資料統(tǒng)計：魯山縣雞冢鄉(xiāng)1951年7月暴雨引發(fā)泥石流，死亡17人，毀房21 間；1956 年6 月20 日，7 h 降雨量437.7 mm，暴雨引發(fā)泥石流，沖走四棵樹鄉(xiāng)柴溝村推車坡組半個村莊。為進一步了解雞冢河小流域的暴雨洪水規(guī)律，收集近30 a汛期的雞冢河小流域雨水情資料和山洪災(zāi)害調(diào)查評價成果數(shù)據(jù)，從中選取多場典型暴雨過程，采用HEC-HMS 模型進行場次洪水模擬，產(chǎn)流計算選用初損穩(wěn)滲法，徑流計算選用斯內(nèi)德單位線，河道洪水演算選用馬斯京根法，探討并總結(jié)其在雞冢河小流域的適用性和局限性，為HEC-HMS 模型在鄰近類似小流域的推廣應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況

雞冢河小流域位于河南平頂山市魯山縣團城鄉(xiāng)，處于伏牛山東緣，屬于淮河流域的沙河水系，研究范圍內(nèi)流域全長10.3 km，流域面積約為45.12 km2。流域內(nèi)設(shè)有雞冢水文試驗站1 個，雨量站5 個（九道溝、玉皇廟、五道廟、王家莊和豹子溝），建站時間均在1980年之前。從東南方向進入的水汽，受到地形影響急劇上升，極易產(chǎn)生暴雨，該流域多年平均24 h 暴雨量在150 mm 以上，1967 年7 月10 日中心實測最大24 h點暴雨量太山廟河豹子溝站為479.1 mm，流域數(shù)字高程、水文站、雨量站及水系情況見圖1。

圖1 雞冢河小流域概況

2 數(shù)據(jù)源與模型構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)源

本次研究采用的行政區(qū)劃和水文站、雨量站監(jiān)測站點矢量數(shù)據(jù)來源于2013年山洪災(zāi)害調(diào)查評價成果；數(shù)字高程模型（DEM）下載于地理空間數(shù)據(jù)云平臺，為GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心全球30 m 地表覆蓋數(shù)據(jù)；近30 a 的雨水情數(shù)據(jù)收集于1980 年以來的淮河流域水文年鑒和雞冢河小流域已有的1個水文站和5個雨量站的汛期逐日降雨、流量觀測資料。

2.2 模型構(gòu)建

HEC-HMS模型主要包括流域模塊、氣象模塊、控制模塊和資料系列模塊[4-5]。流域模塊主要是通過HEC-GeoHMS根據(jù)DEM采用水文分析生成[6-7]，水系提取具體包括填洼、流向、水流累積量、河流分割、流域網(wǎng)格輪廓、流域多邊形處理、排水線處理等步驟，流域特征提取主要包括河流長度、坡度、流域中心、最大匯流路徑等特征，最終生成HMS流域模型[8]；氣象模塊可以從HEC-DSS 軟件添加，也可以手動輸入；控制模塊直接輸入所選取的次洪過程的時間范圍；資料系列模塊直接手動輸入相關(guān)測站對應(yīng)控制時間的降雨和流量數(shù)據(jù)。通過模型的構(gòu)建把雞冢河小流域分為7個子流域，雞冢水文站作為流域出口斷面。

圖2 HEC-HMS模型中雞冢河小流域概化模型

3 實測資料整理及典型次洪前期影響雨量計算

3.1 暴雨特征值統(tǒng)計

雞冢水文站和九道溝、玉皇廟、五道廟、王家莊、豹子溝5個雨量站的逐日降雨觀測資料，由1982-2016年間淮河流域水文統(tǒng)計年鑒獲取。流域內(nèi)面雨量的計算采用算術(shù)平均法，經(jīng)過統(tǒng)計得到雞冢河小流域汛期（5-9月）的暴雨特征情況（表1），其中有部分月份的觀測資料缺失。通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到，雞冢河小流域汛期多年平均降雨量達到1 122.3 mm，日最大降雨量在2000年達到423.6 mm，日平均最大降雨量達到127.6 mm，與同緯度的其他地區(qū)相比偏高[10]。

表1 雞冢河小流域多年暴雨特征值mm

3.2 典型次洪過程的選取

先劃分降雨場次，再找相對應(yīng)的洪水場次，即根據(jù)降雨的開始時間找其之后時間對應(yīng)的起漲點作為洪水的開始時間。雨場劃分原則如下：①長時間間隔的場次降雨分割采用前后24 h無降雨的原則；②中等時間間隔的場次降雨采取前后連續(xù)12 h無降雨的原則；③短時間間隔的場次洪水分割以大于4 mm相對應(yīng)時刻為該場次降雨的開始時刻，以小時雨量連續(xù)3 h小于4 mm的開始時刻為該場次降雨的結(jié)束時刻。根據(jù)以上次洪選取原則，共挑選出1982-2012年期間共10場場次洪水，編號對應(yīng)其年月日。

3.3 前期影響雨量計算

前期影響雨量Pa一般采取經(jīng)驗公式計算：即

式中：Pa(t+1)表示第t+1 天開始時的前期影響雨量，mm；Pa(t)表示第t天開始時的前期影響雨量，mm；P(t)表示第t天到第t+1 天之間的降雨量，mm；K表示流域蓄水的日消退系數(shù)，必須保證Pa(t+1)≤Im，Im為流域最大蓄水量，mm。根據(jù)《河南省魯山縣山洪災(zāi)害分析評價報告》確定魯山縣小流域最大蓄水量Im為70 mm，消退系數(shù)K取0.95。通過逐日計算可得這10場次洪過程初始時刻的前期影響雨量Pa（表2）。

表2 初始前期影響雨量計算結(jié)果

4 前期土壤含水量對洪水過程影響分析

4.1 不同前期影響雨量洪水過程分析

從歷年的洪水資料中選取“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3場洪水，其前期影響雨量分別位于40～49 mm、50～59 mm、60～69 mm 3 個區(qū)間，降雨量分別為79.6 mm、82.2 mm、82.6 mm，3場洪水的降雨過程歷時都在8 h內(nèi)，根據(jù)實測的降雨記錄數(shù)據(jù)，如表3 所示，3 場洪水從雨量、雨型和雨強來看基本類似。3 場洪水的洪水流量過程線和其對應(yīng)的降雨過程如圖3 所示，從圖中可以看出3 場洪水過程其洪水過程線形狀基本一致，這與前面判斷的3場洪水降 雨 過 程 基 本 一 致 是 對 應(yīng) 的。“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3場洪水過程的洪量分別為105.3萬m3、156.1萬m3、170.8 萬m3，3 場洪水過程的洪水總量隨著前期影響雨量的增加而增加；“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3 場洪水過程的洪峰流量分別為131 m3/s、142 m3/s、171 m3/s，3場洪水的洪峰流量隨著前期影響雨量的增加而增加；“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3 場 洪 水 的 峰 現(xiàn) 時 間分別為4 h、6 h 和7.5 h，3 場洪水的峰現(xiàn)時間隨著前期影響雨量的增加而變短。

表3 3場洪水降雨過程 mm

4.2 相同前期影響雨量下洪水過程分析

分別選取前期影響雨量在40～49 mm、50～59 mm、60～69 mm的3組洪水過程。前期影響雨量為40～49 mm的場次洪水有3場，分別為“1983.9.7”“2012.9.1”“1984.7.2”，其降雨量分別為129.7 mm、112.3 mm、82.6 mm；前期影響雨量為50～59 mm 的 場 次 洪 水 有5 場，分 別 為“2009.8.29”“1984.7.24”“2009.8.17”“1985.7.24”“2004.8.11”，其降雨量分別為99 mm、94 mm、82.2 mm、70.4 mm和39.3 mm；前期影響雨量為60～69 mm的場次洪水有2場，分別為“1988.8.14”“2012.7.7”，其降雨量分別為82.6 mm、56.6 mm。這10 場洪水具體指標詳見表4，不同前期影響雨量的洪水過程見圖4至圖6。從圖中可以看出前期影響雨量基本相同的情況下，場次洪水的洪量隨著降雨量的增加而增加，場次洪水的洪峰流量隨著降雨量的增加而增加。

表4 10場洪水指標統(tǒng)計表

圖4 40～49 mm前期影響雨量的洪水過程

圖5 50～59 mm前期影響雨量的洪水過程

圖6 60～69 mm前期影響雨量的洪水過程

5 HEC-HMS模型在水文模擬中的應(yīng)用

5.1 洪水過程模擬及參數(shù)率定

根據(jù)研究區(qū)暴雨洪水資料及歷史山洪災(zāi)害情況，選取2場典型降雨洪水資料（“1984.7.24”“2012.9.1”）進行模擬，其中產(chǎn)流計算、徑流計算、河道洪水演算分別選用初損穩(wěn)滲法、斯奈德單位線和馬斯京根法，優(yōu)化算法選用利用單純形法檢索目標值的內(nèi)爾德米德優(yōu)化算法，率參后的最優(yōu)參數(shù)見表5至表7。

表5 初損后損法參數(shù)取值

表6 斯奈德單位線參數(shù)取值

表7 馬斯京根法參數(shù)取值

5.2 結(jié)果與分析

通過HEC-HMS 模型對所選取的2 次典型洪水過程（“1984.7.24”“2010.9.1”）進行模擬，結(jié)果如圖7至圖8所示。由表8可知：本次模擬方案都取得了較好的結(jié)果：洪峰相對誤差合格率為89.25%，洪量相對誤差合格率為86.6%，納什系數(shù)為0.821。說明HEC-HMS水文模型在雞冢河小流域的適用性良好，所選用的產(chǎn)匯流計算方法較為貼近當?shù)貙嶋H。

圖7“1984.7.24”洪水過程模擬結(jié)果

圖8“2010.9.1”洪水過程模擬結(jié)果

表8“1984.7.24”和“2010.9.1”洪水過程模擬結(jié)果

6 結(jié) 論

本文對雞冢河小流域近30 a 來暴雨資料進行了收集整理，構(gòu)建了HEC-HMS 模型，選取了3 場典型場次洪水，開展了暴雨洪水過程模擬，得到以下結(jié)論：

（1）在降雨量基本相同的情況下，場次洪水的洪量隨著前期影響雨量的增加而增加，場次洪水的洪峰流量隨著前期影響雨量的增加而增加，場次洪水的峰現(xiàn)時間隨著前期影響雨量的增加而變短；在前期影響雨量基本相同的情況下，場次洪水的洪量隨著降雨量的增加而增加，場次洪水的洪峰流量隨著降雨量的增加而增加。

（2）對雞冢河小流域的兩場典型次洪過程進行模擬驗證，洪峰相對誤差合格率為89.25%，洪量相對誤差合格率為86.6%，納什系數(shù)為0.821，取得了較好的結(jié)果，表明HEC-HMS水文模型在雞冢河流域的適用性較好。

（3）結(jié)合以上兩點，在今后的工作中要充分考慮前期土壤含水量因素，并結(jié)合流域出口斷面成災(zāi)水位和斷面的水位-流量關(guān)系曲線，反推出對應(yīng)臨界雨量[11-12]，開展動態(tài)臨界雨量指標探究。