基于HEC-HMS的黃土高塬溝壑區(qū)流域城市化對洪水情勢的影響

鐘芳倩 霍艾迪 趙志欣 陳建 楊璐瑩 王星

關(guān)鍵詞：HEC-HMS模型；流域城市化；洪水響應(yīng)；硯瓦川流域；黃土高塬溝壑區(qū)

0引言

黃土高塬溝壑區(qū)城市化的快速發(fā)展．造成自然下墊面急劇變化，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境脆弱和洪水災(zāi)害頻發(fā)，制約了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在流域城市化進程中，土地利用類型的轉(zhuǎn)變以及下墊面硬化面積增大是影響水文過程的主要因素，造成嚴重的洪水災(zāi)害。

近年來，流域城市化帶來的城市水文效應(yīng)對城市暴雨內(nèi)澇、水資源供需矛盾等方面造成了深刻的影響，是目前乃至未來幾十年全球環(huán)境研究的熱點問題。張榮等通過SWMM模型模擬北京楊洼閘流域洪水特征，研究表明洪峰流量與流域城市化程度具有一致的正相關(guān)性。王艷君等用SWAT模型模擬分析秦淮河流域城市化的水文響應(yīng)，結(jié)果表明城市擴張致使流域年徑流量呈現(xiàn)上升的趨勢。隨著HEC-HMS水文模型的出現(xiàn)，為流域復(fù)雜下墊面變化對洪水徑流影響的評估提供了強有力的分析手段，受到了眾多學(xué)者的青睞，如：劉鵬飛等基于HEC-HMS模型建立了適合高度城鎮(zhèn)化下平原集水區(qū)的降雨一徑流模擬模型，分析城鎮(zhèn)化過程中土地利用轉(zhuǎn)變對暴雨洪水的影響：高玉琴等預(yù)測了秦淮河流域2028年3種土地利用情景，運用HEC-HMS水文模型研究該流域快速城市化背景下不同土地利用變化的暴雨洪水響應(yīng)機制。目前利用HEC-HMS模型在黃河流域已開展了一些科學(xué)研究工作，但這些研究主要集中于探究該水文模型的適用性，開展山洪災(zāi)害臨界雨量計算等，有關(guān)黃河流域城市擴張對暴雨洪水情勢影響的研究還鮮見報道。此外，黃河流域城市群面臨暴雨洪水、氣候環(huán)境惡劣等帶來的多種災(zāi)害問題，同時城市分布密集、地形破碎等多方面因素使得其在應(yīng)對極端降水條件下的洪澇災(zāi)害方面困難重重。因此，迫切需要在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展前提下深入研究流域城市化對洪水形成各個環(huán)節(jié)的影響機制，開展在其背景下的洪水預(yù)測。

基于此，本文構(gòu)建HEC-HMS模型，選取甘肅省慶陽市硯瓦川流域為研究區(qū)，模擬率定流域城市化前后不同時期土地利用條件下的產(chǎn)匯流參數(shù)，開展極端暴雨洪水情景設(shè)計，對比分析不同暴雨情景設(shè)計對流域城市化產(chǎn)生的水文響應(yīng)機制，探究各子流域洪水要素變化空間響應(yīng)分布的差異性及其主要驅(qū)動因素，以期為未來硯瓦川流域土地利用規(guī)劃和水資源合理調(diào)控工作提供理論和方法支撐。

1研究區(qū)概況

硯瓦川流域位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)和寧縣境內(nèi)，流域總面積約為372.15km2，集水區(qū)總長度35km。該流域?qū)俅箨懶约撅L氣候區(qū)，多年平均降水量為544.9mm，降水量年際變化大，7-9月為雨季且暴雨頻發(fā)，降雨空間分布由東北向西南增多，而且該流域河流調(diào)蓄能力弱，導(dǎo)致洪水災(zāi)害頻發(fā)。

2數(shù)據(jù)及方法

2.1數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究選用的DEM數(shù)據(jù)為地理空間數(shù)據(jù)云（2015年）STER GDEM 30m分辨率高程數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)為中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：／／www.resdc. cn）的30m柵格數(shù)據(jù)，土壤數(shù)據(jù)為世界土壤數(shù)據(jù)庫（FAO網(wǎng)站）的1：100萬土壤數(shù)據(jù)（HWSD），降雨徑流數(shù)據(jù)來自《1981-2020年黃土高塬溝壑區(qū)硯瓦川流域降雨徑流觀測數(shù)據(jù)集》和文獻。

對研究區(qū)數(shù)字高程數(shù)據(jù)（DEM）進行預(yù)處理，包括流域填洼、子流域劃分等水文過程分析；將硯瓦川流域劃分成27個子流域，提取出相應(yīng)的河流長度、流域坡度、子流域面積等流域特征數(shù)據(jù)，得到硯瓦川流域概化圖。該地區(qū)降雨資料主要為30min或1h的時間間隔，也存在15min時間間隔，利用HEC-DSSvue軟件的時間序列插值功能，將間隔不規(guī)則的降雨徑流數(shù)據(jù)進行插值應(yīng)用，轉(zhuǎn)化為15min步長的數(shù)據(jù)序列。

2.2HEC-HMS模型構(gòu)建

HEC-HMS水文模型主要包括三大模塊：流域、氣象和時間控制模塊。流域模塊主要用于對降雨徑流過程的概化，氣象模塊主要負責對降水等資料的前期處理，時間控制模塊用于設(shè)定模擬的起始時間以及確定模擬時間步長。流域模塊涵蓋了產(chǎn)匯流參數(shù)計算部分，每個參數(shù)計算部分囊括的方法各不相同。本研究采用SCS曲線法、Snyder單位線法、指數(shù)衰減法和馬斯京根法進行產(chǎn)匯流參數(shù)計算。該組合參數(shù)計算量較少，原理簡單易懂，能夠較好地反映流域城市化背景下土地利用變化情景對暴雨水文情勢的影響。

2.2.1產(chǎn)流計算

HEC-HMS模型包括多種產(chǎn)流計算方法，本研究選擇SCS曲線法。該方法在引進CN參數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了土壤最大蓄水量與流域特征之間的對應(yīng)關(guān)系，使得產(chǎn)流計算過程簡單。

CN參數(shù)的計算需要在土壤數(shù)據(jù)庫中查找對應(yīng)類型土壤的黏粒、砂粒含量，建立土壤類型屬性數(shù)據(jù)表；再利用SPAW軟件計算獲得土壤水分分組所需的飽和導(dǎo)水率，根據(jù)飽和導(dǎo)水率進行分組，查表得知本研究區(qū)中土壤類型均為A組。參照國內(nèi)前人研究中對CN初始值的劃分，計算各子流域的CN平均值，相關(guān)計算公式為

2.2.2坡面匯流計算

Snyder單位線法的相關(guān)參數(shù)與集水區(qū)特性有關(guān)，且容易計算獲取，流域洪峰滯時T可以由流域特征參數(shù)計算獲得：

2.2.3基流計算

指數(shù)衰減法常用來解釋流域的自然排水問題，一般在場次洪水分析中選擇河道的年平均流量作為初始流量t時刻的基流量計算公式為

2.2.4河道匯流計算

馬斯京根法在實際計算中最為常用，參數(shù)率定精度高。其中：k值為洪水在河道中的傳播時間，k值越大，傳播時間越長；流量比重因子x的取值范圍為0～0.5，為無量綱權(quán)重系數(shù)。馬斯京根法計算公式如下：

3結(jié)果與分析

3.1 1990-2018年土地利用動態(tài)變化

硯瓦川流域不同時期土地利用類型面積變化見表1。

由表1可知，1990年整個流域以耕地和草地為主，城鎮(zhèn)化程度不高；進入21世紀后耕地大幅減少，占流域面積百分比由49.69%下降為42.01%。隨著人口的持續(xù)流入和區(qū)域資源的聚集，黃土高塬溝壑區(qū)城市化得到了迅速的發(fā)展，整個流域城市化擴張由西北部地區(qū)向周圍遞減，建設(shè)用地面積相比1990年增加了23.48km2，面積占比由7.72%增加到14.04%。

處理硯瓦川流域不同時期的土地利用數(shù)據(jù)得到不同地類面積轉(zhuǎn)移面積矩陣，見表2。耕地、林地、草地和建設(shè)用地4種地類之間發(fā)生了較為明顯的轉(zhuǎn)移，其中耕地有31.93km2轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸兀?1.26km2轉(zhuǎn)為建設(shè)用地：林地主要向耕地和草地轉(zhuǎn)移，總共轉(zhuǎn)移了9.22km2，占比47.72%；草地主要向耕地、林地和建設(shè)用地等地類轉(zhuǎn)移，有25.67km2轉(zhuǎn)為耕地，7.78km2轉(zhuǎn)為林地，3.42km2轉(zhuǎn)為建筑用地。因此，硯瓦川流域土地利用類型在空間上和時間上的轉(zhuǎn)移是交替進行且相對可逆的，以耕地面積減少、建設(shè)用地面積擴張為主要特征。

3.2HEC-HMS模擬結(jié)果

基于硯瓦川流域逐次洪水測驗成果對洪水資料進行“三性”（可靠性、一致性和代表性）審查，選取具有典型代表性的16場洪水。將硯瓦川流域1981-2000年的前5場洪水用于產(chǎn)匯流參數(shù)的確定及率定，后3場洪水驗證參數(shù)的準確度。2006-2020年的8場洪水設(shè)置類似，前5場用于率定，后3場用于驗證。設(shè)計1990年和2018年土地利用條件下的洪水模擬方案情景．模擬結(jié)果見表3．

本研究采用洪峰流量相對誤差、洪量相對誤差、峰現(xiàn)時差、Nash效率系數(shù)這4個指標對模擬結(jié)果進行評定。根據(jù)《水文情報預(yù)報規(guī)范》（SL250-2000）中的規(guī)定，洪峰流量和洪量的誤差在20%以內(nèi)為合格，峰現(xiàn)時差在3h內(nèi)為合格，洪水預(yù)報各精度等級劃分見表4。從表3模擬結(jié)果可以看出，在1981-2000年8場洪水模擬中，率定期洪量合格率為80%，驗證期洪量合格率為67%：8場洪水的洪峰流量合格率均為100%，洪水的峰現(xiàn)時差均小于等于0.15h，Nash效率均超過0.7。其中模擬效果最好的是編號19880626場次洪水，而模擬效果相對較差的是編號19970727場次洪水。其原因可能是該模型自帶參數(shù)優(yōu)化模塊，但參數(shù)的變化仍然有不確定性，導(dǎo)致設(shè)置的水文模型參數(shù)有偏差，而且對實際流量數(shù)據(jù)采用了線性插補的方法，也對局部模擬結(jié)果具有一定的影響。2006-2020年8場洪水模擬中，率定期洪峰流量合格率為87.5%，驗證期洪峰流量合格率為67%；8場洪水的洪量合格率均為100%．峰現(xiàn)時差均在1h內(nèi)，Nash效率系數(shù)有6場在0.7以上。編號20200804場次洪水的洪峰流量相對誤差未達到合格，總合格率為87.5%。編號20060830和20200804場次洪水Nash效率系數(shù)明顯偏低，這兩場洪水的洪峰均為復(fù)峰，降雨徑流過程復(fù)雜，模擬歷時較長，擬合程度不高，說明HEC-HMS模擬單峰洪水過程比復(fù)峰的總體效果好。16場洪水的洪峰流量相對誤差的絕對值平均為9.80%，洪量相對誤差的絕對值平均為15.35%．峰現(xiàn)時差的絕對值平均為0.19h，Nash效率系數(shù)平均值為0.82，共有13場洪水預(yù)報合格，合格率為81.25%，模擬結(jié)果達到乙級預(yù)報精度。綜上所述，HEC-HMS模型在黃土高塬溝壑區(qū)硯瓦川流域具有良好的適用性，可用于分析該流域城市化對洪水過程的影響。

3.3流域城市化對設(shè)計洪水過程的影響

收集硯瓦川流域各雨量站點1981-2020年共40a的降雨資料，從中統(tǒng)計各站點最大24 h降雨量，采用P-Ⅲ型頻率曲線進行極端暴雨情景設(shè)計，5、10、20、50、100 a-遇的設(shè)計降雨量分別為45. 11、73. 02、83.21、95.59、106.08mm。以1h間隔設(shè)置降雨分布，參照《甘肅省暴雨洪水圖集》對各重現(xiàn)期設(shè)計暴雨進行分配（見圖1，其中P為頻率）。將逐時降雨數(shù)據(jù)輸入HEC-HMS軟件中，分別模擬流域城市化進程前后不同土地利用時期的設(shè)計洪水過程，以1990年的洪水數(shù)據(jù)為基準，比較2018年土地利用條件下各重現(xiàn)期洪峰和洪量的變化率。模擬結(jié)果見表5。

由表5可知，流域城市化背景下不同土地利用情景使設(shè)計洪水的洪峰流量和洪量均呈現(xiàn)上升趨勢，且同一量級洪水的洪量變化大于洪峰流量變化。100、50、20、10、5a這5種重現(xiàn)期洪峰流量與洪量的變化率差值分別為1.86%、1.90%、2.05%、2.13%、2.43%，表明越短重現(xiàn)期的洪水，其洪水要素的差異越大。對比分析發(fā)現(xiàn)，5a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為7.06%和9.49%，而100a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為4.54%和6.40%，即流域城市化對重現(xiàn)期短的洪水事件影響更大。

從子流域尺度探討硯瓦川流域城市化引發(fā)不同重現(xiàn)期設(shè)計洪水的水文響應(yīng)機制。由圖2可知各子流域（圖中W+數(shù)字為子流域編號）不同重現(xiàn)期洪水要素變化差異大，洪峰流量和洪量的變化率總體上隨重現(xiàn)期的縮短呈現(xiàn)增長的趨勢，重現(xiàn)期最小的洪水對下墊面變化響應(yīng)最為強烈，這與全流域的模擬結(jié)果類似。

由圖3可知，各子流域設(shè)計暴雨洪水對硯瓦川流域城市化的響應(yīng)具有空間差異性，西北部地區(qū)響應(yīng)最強，其次為南部地區(qū)，東北部地區(qū)最弱，與建設(shè)用地擴張的程度基本保持一致。隨著重現(xiàn)期的增大，設(shè)計洪水的響應(yīng)從西北部地區(qū)向周邊地區(qū)逐漸減弱，100a-遇和50a一遇洪水的空間響應(yīng)基本保持一致。西北部地區(qū)的子流域W330、W290、W400和W370洪水要素變化幅度較大，該地區(qū)城市化擴張迅速，建設(shè)用地大幅增加，占據(jù)各子流域面積的25%～35%，導(dǎo)致該區(qū)域下墊面急劇變化，CN值大幅增大，不透水面積增大，產(chǎn)流能力增強，洪峰流量變化率均大于15%。南部地區(qū)城市化發(fā)展較為緩慢，1990-2018年建設(shè)用地面積占比均不到各子流域的10%，洪峰流量的變化率均小于10%，其中子流域W410、W430隨著重現(xiàn)期的減小，對洪水的響應(yīng)變化最為強烈。與西北部地區(qū)不同的是，硯瓦川流域東北部為黃土高塬典型溝壑區(qū)，城市化特征不明顯，建設(shè)用地增加緩慢，其中W450、W300和W340子流域同時發(fā)生了耕地向林地、草地和建設(shè)用地多種土地利用類型的轉(zhuǎn)變。因此，東北部地區(qū)子流域洪峰流量變化率較小，洪水對流域城市化的響應(yīng)最不顯著。

4討論

流域城市化使得土地利用類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，進而改變了流域下墊面條件以及水文特征，而這些因素又與流域產(chǎn)匯流能力息息相關(guān)，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)洪峰流量和洪量增大。此外，相關(guān)研究表明土地利用的變化引起的不同重現(xiàn)期洪水要素變化的幅度具有差異性，對重現(xiàn)期短的洪水事件影響較大，這與本研究結(jié)果一致。梁彥寬等提出HEC-HMS模型在岢嵐流域具有良好的適用性，且模擬小型洪水較大中型洪水精度高：沈煒彬等基于HEC-HMS模型確定山洪災(zāi)害臨界雨量，為羅敷堡流域的洪水預(yù)報提供新的依據(jù)，有效提高了山洪災(zāi)害預(yù)警預(yù)報精度。以上這些研究為黃河流域的洪水預(yù)報提供了新的思路，而本研究在考慮硯瓦川流域大強度、短歷時降雨時空分布特征的基礎(chǔ)上，開展極端暴雨情景設(shè)計，重點分析流域城市化對暴雨洪水情勢的影響，探究各子流域設(shè)計洪水響應(yīng)的空間差異性及其主要驅(qū)動因素，進一步完善了下墊面變化對短歷時設(shè)計降雨徑流影響的評價體系。

值得注意的是，未來黃土高塬溝壑區(qū)城市化的發(fā)展會使同量級的暴雨產(chǎn)生更高的洪水水位，極端暴雨頻率增大，導(dǎo)致區(qū)域洪澇風險提高。今后應(yīng)系統(tǒng)并全方位地分析引起洪水徑流變化的關(guān)鍵因素，根據(jù)流域城市化水平綜合實施分區(qū)治理。在硯瓦川流域東北部溝壑區(qū)采取退耕還林還草、還湖等措施，推進林地和草地穩(wěn)步增長：西北部及南部地區(qū)加強洪水調(diào)查和觀測，運用觀測數(shù)據(jù)進行降雨徑流實驗，為區(qū)域防洪減災(zāi)提供準確可靠的水文信息：同時，合理控制整個流域城市化開發(fā)強度，增加自然透水面，如建設(shè)城市綠地、河流濕地等，提高徑流下滲能力。

5結(jié)論

1）1990-2018年硯瓦川流域土地利用變化以耕地減少、建設(shè)用地擴張為主要特征。本研究建立的HEC-HMS降雨一徑流模型適用于黃土高塬溝壑區(qū)流域洪水預(yù)報，其中16場洪水模擬的綜合合格率為81.25%，平均Nash效率系數(shù)為0.82，峰現(xiàn)時差絕對值平均為0.19h，達到了乙級預(yù)報精度。

2）流域城市化引起的土地利用變化導(dǎo)致設(shè)計洪水的洪峰流量和洪量均呈現(xiàn)增長的趨勢，對重現(xiàn)期短的洪水要素影響最為顯著，且同一量級的洪量變化幅度大于洪峰流量變化幅度。100a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為4.54%和6.40%，5a一遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為7.06%和9.49%。

3）硯瓦川各子流域設(shè)計洪水對流域城市化的響應(yīng)具有空間差異性，建設(shè)用地擴張的幅度與各子流域洪水響應(yīng)程度基本保持一致。西北部地區(qū)響應(yīng)最強，其次為南部地區(qū)，東北部地區(qū)最弱。