基于HEC-HMS水文模型的中小流域洪水模擬預(yù)報(bào)分析

張 浩,蔣林杰,付成華

(1.西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,成都 610039; 2.四川岷江港航電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,四川 樂(lè)山 614000)

0 引言

近年來(lái),由于全球氣候不斷變化,降水時(shí)空分布較以往更加不均勻,極端天氣事件明顯增多[1],旱澇災(zāi)害頻發(fā)對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)環(huán)境等造成了嚴(yán)重影響,針對(duì)降雨時(shí)空變異及其所引發(fā)的水文現(xiàn)象的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)[2-3]。我國(guó)中小型流域洪水由于具有產(chǎn)匯流非線性特征顯著[4]、洪水暴漲暴落、水文氣象特征復(fù)雜等特點(diǎn),故洪水預(yù)報(bào)難度較大且精度低[5]。針對(duì)中小型流域,構(gòu)建流域水文模型是研究其水文現(xiàn)象的關(guān)鍵所在,水文模型是一種水文科學(xué)研究的重要手段,使用數(shù)學(xué)語(yǔ)言或物理模型等方法對(duì)水文系統(tǒng)中降水、徑流等水文循環(huán)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行描述,是伴隨水文學(xué)發(fā)展而發(fā)展的產(chǎn)物。雖然早在1969年就已經(jīng)提出了分布式水文模型的概念[6],但其發(fā)展受到計(jì)算機(jī)技術(shù)的制約?，F(xiàn)階段,隨著計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量功能和結(jié)構(gòu)各異的水文模型,在水資源開(kāi)發(fā)利用、防洪減災(zāi)等方面廣泛應(yīng)用,是目前水文學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。

1 流域數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 流域概況

渠江是嘉陵江的最大支流,發(fā)源于川陜邊界山區(qū),渠江全長(zhǎng)723 km,干流長(zhǎng)約301 km,以達(dá)州市三匯鎮(zhèn)為界,其上為上游,其下到重慶市合川城北渠河咀為下游。從源頭到渠河咀,地跨陜西的漢中、四川的巴中、廣元、達(dá)州、廣安等市和重慶的萬(wàn)州、合川兩區(qū)。渠江流域面積為39 220 km2,約占嘉陵江全流域面積的25%。流域內(nèi)地勢(shì)由西南向東北傾斜且多為低山深丘,天然落差51 m,絕對(duì)高程在500～1 500 m,河道平均比降0.16%。

渠江流域氣候受西太平洋副熱帶高壓的控制,水汽向上輸送強(qiáng)勁,又處于四川盆地北部邊緣地帶,易受北方南下冷空氣的侵襲而形成強(qiáng)降水過(guò)程。降水強(qiáng)度大、歷時(shí)長(zhǎng)、面積廣,且降水、徑流年內(nèi)分配極其不均;枯季降雨少,汛期暴雨多,易形成災(zāi)害性洪水[7]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

DEM數(shù)字高程信息來(lái)自于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)的ASTER GDEM的30 m分辨率數(shù)據(jù)高程集。渠江流域位于北緯30°03′～32°45′、東經(jīng)106°20′～109°00′[8],在DEM數(shù)據(jù)高程集上跨越了三個(gè)條帶號(hào),利用Arc Map將渠江流域DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行合并裁剪后如圖1所示。土壤類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于由維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)、聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)所建立的全球土壤數(shù)據(jù)庫(kù)和南京土壤所第二次全國(guó)土地調(diào)查所提供的土壤數(shù)據(jù)。

圖1 渠江流域DEM

2 研究區(qū)數(shù)字流域構(gòu)建

2.1 河網(wǎng)提取

河網(wǎng)提取主要在Arc GIS中完成,首先將預(yù)處理好的DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arc GIS中進(jìn)行填洼處理,生成無(wú)洼地的研究區(qū)域DEM模型,在后續(xù)計(jì)算柵格流向時(shí)確保流域的連貫性,避免提取水系河網(wǎng)時(shí)發(fā)生水流方向出錯(cuò)或者河網(wǎng)斷裂等問(wèn)題[9]。得到無(wú)洼地的DEM模型后對(duì)其進(jìn)行流向分析進(jìn)而得出研究區(qū)域的流向柵格數(shù)據(jù)并以此確定水流方向,水流方向是水流離開(kāi)柵格時(shí)的指向,能夠反映流域空間范圍內(nèi)地表徑流的走向和流量分配[10]。在流向柵格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行流量分析即可得出研究區(qū)域的流量柵格數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行河網(wǎng)定義和河網(wǎng)分級(jí)即可得出研究區(qū)域的河網(wǎng)水系柵格數(shù)據(jù)。河網(wǎng)提取流程及河網(wǎng)水系如圖2、圖3所示。

圖2 河網(wǎng)提取流程

圖3 渠江流域子流域及河網(wǎng)水系

2.2 子流域劃分及參數(shù)特征提取

以流域出口為起始點(diǎn)沿主河道向上游依次比較臨近點(diǎn)的匯流累計(jì)量,若有較大的變化則可確定該點(diǎn)為一個(gè)支流匯入點(diǎn),該點(diǎn)的匯流累計(jì)變化量就是該支流的匯水面積。按此方法逐級(jí)分析各支流,最終將整個(gè)流域劃分為若干子流域,并以子流域?yàn)榛締卧M(jìn)行洪水模擬和預(yù)報(bào)計(jì)算[11]。利用Arc GIS對(duì)研究流域進(jìn)行子流域劃分[11],再結(jié)合實(shí)際情況對(duì)子流域進(jìn)行合并或拆分處理,最終將研究流域劃分為10個(gè)子流域,如圖4所示。提取各個(gè)子流域的水文特征參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 子流域水文特征參數(shù)

圖4 流域底圖模型

根據(jù)各個(gè)子流域的水文特征參數(shù),利用Arc GIS創(chuàng)建流域底圖模型,如圖4所示。

3 洪水模擬預(yù)報(bào)分析

3.1 初次模擬

在保證水文資料的可靠性、一致性和代表性的條件下,選取研究區(qū)域1975～2009年間25場(chǎng)洪水,將其中20場(chǎng)用于模型參數(shù)率定,剩余5場(chǎng)用于模型驗(yàn)證,選取的洪水場(chǎng)次見(jiàn)表2。

表2 選定洪水場(chǎng)次

選定洪水場(chǎng)次后,分別用SCS曲線法、SCS單位線法、馬斯京根法對(duì)產(chǎn)流過(guò)程、直接徑流及河道匯流進(jìn)行模擬計(jì)算。由于研究區(qū)域洪水來(lái)源主要為降雨,故不考慮基流影響。將得出的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)作比較,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 初次模擬結(jié)果

表3中,Nash系數(shù)表示預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的吻合程度,又稱(chēng)確定性系數(shù)(DC),其計(jì)算公式為：

式中,n為資料長(zhǎng)度;y0為實(shí)測(cè)值的均值;yc(i)為預(yù)報(bào)值;y0(i)為實(shí)測(cè)值。

根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》(GB/T 22482-2008)規(guī)定,降雨徑流預(yù)報(bào)中實(shí)測(cè)洪峰流量、降雨徑流深的許可誤差為20%,而實(shí)測(cè)峰現(xiàn)時(shí)間的許可誤差為30%,Nash系數(shù)應(yīng)大于0.65。初次模擬的效果整體精度低于丙級(jí),需進(jìn)一步對(duì)該模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析。

3.2 參數(shù)率定

結(jié)合研究流域具體情況,利用HEC-HMS水文模型的參數(shù)優(yōu)化功能和人工率定相結(jié)合方式對(duì)實(shí)驗(yàn)流域進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[12],選擇HEC-HMS水文模型自帶的單純形法作為搜索算法;峰值加權(quán)作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。先建立某場(chǎng)洪水的優(yōu)化模塊,確保搜索算法和優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的可靠性,再根據(jù)由前期土壤濕潤(rùn)程度得來(lái)的20組產(chǎn)匯流參數(shù)進(jìn)行人工率定后整合出的產(chǎn)匯流參數(shù)對(duì)率定期中20個(gè)場(chǎng)次洪水進(jìn)行模擬。產(chǎn)匯流參數(shù)和優(yōu)化后的模擬結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 產(chǎn)匯流參數(shù)確定

表5 參數(shù)率定后模擬結(jié)果

對(duì)比表3和表5可知：參數(shù)優(yōu)化過(guò)后的模擬結(jié)果在選定的20場(chǎng)率定期洪水模擬中更加接近與實(shí)測(cè)值,從精度評(píng)定參數(shù)指標(biāo)看,徑流深誤差有6場(chǎng)不達(dá)標(biāo),洪峰誤差有4場(chǎng)不達(dá)標(biāo),Nash系數(shù)有6場(chǎng)不達(dá)標(biāo)。模擬結(jié)果整體合格率為70%,達(dá)到乙等精度要求,可用于洪水預(yù)報(bào)相關(guān)研究。

3.3 模型驗(yàn)證

對(duì)20組率定期洪水進(jìn)行模型建立以及參數(shù)優(yōu)化后,用該模型參數(shù)對(duì)驗(yàn)證期中的5個(gè)洪水場(chǎng)次進(jìn)行洪水模擬預(yù)報(bào),即驗(yàn)證水文模型是否能良好地反映出渠江流域的產(chǎn)匯流過(guò)程,又可對(duì)實(shí)時(shí)降雨洪水進(jìn)行預(yù)報(bào)分析,模擬驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 驗(yàn)證期模擬結(jié)果及誤差分析

由表6可見(jiàn),驗(yàn)證期場(chǎng)次洪水模擬結(jié)果整體較好,Nash系數(shù)均遠(yuǎn)大于0.65,平均值為0.861,洪峰誤差均小于20%,除20040822場(chǎng)次洪水徑流深誤差大于20%以外,其余場(chǎng)次均合格,達(dá)乙等精度。驗(yàn)證結(jié)果表明,HEC-HMS水文模型可以很好地反映渠江流域的產(chǎn)匯流過(guò)程,說(shuō)明HEC-HMS水文模型在渠江流域具有較強(qiáng)的適用性。

3.4 洪水模擬分析

根據(jù)羅溪渡水文站設(shè)計(jì)洪峰流量成果以5年一遇洪水19750920場(chǎng)次為例,進(jìn)行歷史洪水模擬分析。該場(chǎng)次洪水中,鎮(zhèn)巴、達(dá)縣、萬(wàn)源、巴中、南充氣象站控制流域內(nèi)降雨呈遞減趨勢(shì),9月20日萬(wàn)州氣象站最先出現(xiàn)降雨,緊接著萬(wàn)源、鎮(zhèn)巴、巴中、達(dá)縣控制站范圍內(nèi)逐漸出現(xiàn)降雨,形成的產(chǎn)匯流形成洪水后到達(dá)渠江流域控制出口羅渡溪水文站。模擬結(jié)果顯示：渠江流域控制出口在首次降雨14 d后10月3日達(dá)到最大洪峰20 022 m3/s,徑流深307 mm;實(shí)測(cè)最大洪峰21 300 m3/s,相對(duì)誤差6%,實(shí)測(cè)徑流深330 mm,相對(duì)誤差7%。相對(duì)誤差均符合行業(yè)規(guī)范有關(guān)規(guī)定。

3.5 預(yù)報(bào)分析

根據(jù)模型驗(yàn)證及參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可知基于歷時(shí)洪水?dāng)?shù)據(jù)所建立的HEC-HMS洪水預(yù)報(bào)模型達(dá)到乙等精度,可用于實(shí)際洪水預(yù)報(bào)。為實(shí)現(xiàn)流域降雨洪水預(yù)報(bào),擬定流域內(nèi)隨機(jī)降雨信息見(jiàn)表7。

表7 擬定的隨機(jī)降雨系列 mm

對(duì)表7中的各個(gè)雨量站隨機(jī)降雨系列進(jìn)行模擬即可得出研究區(qū)域任意地點(diǎn)的洪水過(guò)程。以渠江流域上游巴河境內(nèi)平昌縣、州河境內(nèi)三匯鎮(zhèn)、宣漢縣及下游控制出口羅渡溪為例進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)分析,預(yù)報(bào)結(jié)果如圖5所示。

(a)平昌縣洪水過(guò)程

(d)羅渡溪洪水過(guò)程

由圖5可知,平昌縣最大洪峰出現(xiàn)在降雨發(fā)生后的第19 d,最大洪峰量2 224 m3/s,徑流深122 mm;宣漢縣在降雨發(fā)生20 d后達(dá)到最大洪峰,最大洪峰量2 003 m3/s,徑流深180 mm;三匯鎮(zhèn)的最大洪峰出現(xiàn)在降雨20 d后,最大洪峰量3 303 m3/s,徑流深133 mm;羅渡溪最大洪峰出現(xiàn)于7月20日,最大洪峰量7 894 m3/s。由歷史洪水場(chǎng)次可知,渠江流域水系呈向心扇形發(fā)育,洪水易集中遭遇,具有峰高量大、過(guò)程尖瘦、歷時(shí)不長(zhǎng)(一般為3～5 d)、水位變幅大等特點(diǎn)[13]。隨機(jī)降雨系列模擬出的洪水過(guò)程符合渠江流域的洪水特性以及產(chǎn)匯流的一般規(guī)律。綜上,以時(shí)間步長(zhǎng)為1 d的HEC-HMS水文模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)分析,此次洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期可達(dá)18 d,為流域的防洪減災(zāi)工作提供了應(yīng)急決策依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

以渠江流域DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用Arc GIS通過(guò)無(wú)洼地DEM模型建立、河網(wǎng)提取以及子流域劃分等構(gòu)建渠江流域的數(shù)字流域模型。采用HEC-HMS水文模型對(duì)率定期場(chǎng)次洪水進(jìn)行模擬計(jì)算及參數(shù)率定,以驗(yàn)證期場(chǎng)次洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證且精度達(dá)到乙等。在此基礎(chǔ)上,一旦流域?qū)嶋H降雨發(fā)生,通過(guò)構(gòu)建的HEC-HMS水文模型模擬計(jì)算,便可預(yù)報(bào)出該降雨在流域任一位置形成的最大洪峰流量以及峰現(xiàn)時(shí)間,可為中小流域防洪減災(zāi)工作應(yīng)急方案和決策提供依據(jù)。