巖溶區(qū)洪水預(yù)報(bào)模擬研究

摘要：巖溶地區(qū)產(chǎn)匯流機(jī)制復(fù)雜，洪水預(yù)報(bào)的精度難以保證。為檢驗(yàn)分布式水文模型（HEC-HMS）對巖溶地區(qū)山洪徑流過程的模擬效果，以陽朔金寶河流域?yàn)槔盟臍庀蠹跋聣|面資料構(gòu)建水文模型。基于修正的Morris篩選法分析模型的參數(shù)敏感性，并選取9場洪水進(jìn)行模型參數(shù)率定和驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：巖溶地區(qū)水文模型的主要敏感參數(shù)為徑流曲線數(shù)（Curve Number，CN）、流域滯時(shí)、退水常數(shù)、峰值比和蓄量常數(shù)；參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的敏感性隨著雨強(qiáng)的增大而降低，且參數(shù)對峰現(xiàn)時(shí)間的敏感性受雨強(qiáng)影響較??；金寶河模擬場次洪水的徑流深誤差均小于20%、峰現(xiàn)時(shí)間誤差均小于1 h，綜合合格率為88.89%，平均Nash效率系數(shù)為0.85，達(dá)到乙級預(yù)報(bào)精度，遇龍河洪水預(yù)報(bào)同樣也達(dá)到了乙級精度，表明所構(gòu)建的模型對金寶河及其他巖溶山區(qū)小流域徑流模擬具有良好的適用性；模型計(jì)算得出不同降雨重現(xiàn)期下易受災(zāi)點(diǎn)的預(yù)警時(shí)間和預(yù)警流量，可為該地區(qū)防洪預(yù)警提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖溶地區(qū)；山洪預(yù)報(bào)；HEC-HMS模型；參數(shù)敏感性；金寶河流域

中圖分類號：TV877文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-9235（2024）08-0029-09

Flood Forecasting Simulation in Karst Areas

——A Case Study of Jinbao River Basin in Yangshuo

YUAN Meng1，HU Haiying1，TIAN Tian1，ZHU Dantong1，CHENG Xiangju1，2*

（1.School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China;2.State KeyLaboratory of Subtropical Building and Urban Science，South China University of Technology，Guangzhou 510641，China）

Abstract：The production and sink mechanism in karst areas is complicated，and the accuracy of flood forecasting is difficult to ensure.In order to test the simulation effect of the distributed hydrological model（HEC-HMS）on the flash flood runoff process in karst areas，the hydrological model was constructed using hydrometeorological and subsurface data in the Jinbao River Basin of Yangshuo as an example.The parameter sensitivity of the model was analyzed based on the modified Morris screening method，and nine floods were selected for model parameter rate determination and validation.The results show that：the main sensitive parameters of the hydrological model in karst area are CN（curve number），lag time，recessionconstant，ratio to peak and storage constant.The sensitivity of the parameters to the objective function decreases with increasing rainfall intensity，and the sensitivity of the parameters to the peak time is less affected by rainfall intensity.The runoff depth errors of the simulated floods in Jinbao River are all less than 20%，the peak time errors are all less than 1 h，and the overall qualification rate is 88.89%，with an average Nash efficiency coefficient of 0.85，which achieves the accuracy of Class B forecasting，and the flood prediction of the Yulong River is also up to the Class B accuracy，which indicates that the constructed model has good applicability to the simulation of runoff in the Jinbao River and other small watersheds in the karst mountainous areas.The model calculates the warning time and flow rate of vulnerable points under different rainfallrecurrenceperiods，which can provide a basis for flood prevention and early warning in this area.

Keywords：karstarea;flash flood forecasting;HEC-HMSmodel;parametersensitivity;Jinbao River Basin

山洪主要指由降雨所導(dǎo)致暴漲暴落的山區(qū)溪河洪水［1］，有流速大、成峰快、沖刷力和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)［2］，其中山洪災(zāi)害作為洪澇災(zāi)害中傷亡率最高的災(zāi)種［3］，日漸受到社會的高度重視。廣西是中國目前山洪災(zāi)害發(fā)生次數(shù)最多的省級行政區(qū)［4］，且?guī)r溶地貌發(fā)育典型、分布廣闊，占廣西土地總面積的35.1%［5］。由于巖溶地區(qū)具有流域不閉合、巖層裂隙與孔隙發(fā)達(dá)、覆蓋層薄及下墊面空間異質(zhì)性較大等特點(diǎn)［6-7］，導(dǎo)致洪峰、洪水過程受巖溶地貌的影響顯著，加之廣西境內(nèi)山區(qū)流域常缺乏實(shí)測雨洪資料，使得洪水模擬難度大，因此在該巖溶地區(qū)進(jìn)行山洪模擬對洪澇災(zāi)害及生態(tài)保護(hù)等都具有重要意義。

巖溶地區(qū)產(chǎn)匯流機(jī)制復(fù)雜，其含水介質(zhì)中水流的水文運(yùn)動規(guī)律與非巖溶地區(qū)存在較大差異，洪水預(yù)報(bào)在該地區(qū)的精度普遍不高。為解決此類問題，國內(nèi)外學(xué)者對巖溶水文模擬做了大量研究，目前用于巖溶水文過程的水文模型主要以概念性或集總式為主［6］。其中，許波劉等［8］構(gòu)建了以三水源新安江模型為基礎(chǔ)的LKHM模型，在貴州平湖流域有著良好適用性；ZHOU等［9］將集總式新安江模型與雙儲層的巖溶模型相結(jié)合，利用K-XAJ模型對漓江流域進(jìn)行了徑流模擬。然而，集總式巖溶水文模型卻難以考慮到巖溶含水層的復(fù)雜性［10］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和3S技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們也將分布式、半分布式水文模型應(yīng)用在巖溶地區(qū)，該類模型則可以考慮到流域內(nèi)水文要素的空間變異性［11］，常用的包括TOPMODEL［12］、SWAT［13-14］和DHSVM［15］等，但是上述模型多用于長時(shí)段的模擬，難以用于巖溶地區(qū)短歷時(shí)的洪水過程模擬。其中，HEC-HMS模型是由美國陸軍兵工團(tuán)（USCE）研發(fā)的用于模擬降雨徑流過程的半分布式水文模型，目前在國內(nèi)主要應(yīng)用于土地利用變化［16］、洪水模擬及臨界面雨量計(jì)算等［17-18］方面。胡國華等［19］研究表明，HEC-HMS在缺乏水文觀測資料的山區(qū)小流域洪水預(yù)報(bào)有很強(qiáng)的適用性；王璐等［20］也通過在典型山區(qū)小流域進(jìn)行了5種水文模型的對比分析，結(jié)果表明HEC-HMS模擬效果最優(yōu)。該模型在圪洞流域［21］、通天河流域［22］、武水流域［23］、岷江鎮(zhèn)江關(guān)流域［24］等非巖溶地區(qū)的暴雨-徑流模擬具有較為理想的效果，但在巖溶地區(qū)應(yīng)用還較少。

鑒于此，本文選擇陽朔金寶河流域作為廣西典型巖溶山區(qū)的研究區(qū)域，利用HEC-HMS水文模型進(jìn)行洪水模擬，分析影響洪水預(yù)報(bào)精度的敏感參數(shù)，探討其在巖溶山區(qū)小尺度流域的適用性，模擬在不同降雨重現(xiàn)期下易受災(zāi)點(diǎn)的洪水過程，其結(jié)果可為金寶河流域以及其他類似巖溶山區(qū)流域的洪水預(yù)報(bào)研究提供借鑒和參考。

1研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

金寶河流域（圖1）位于廣西桂林市陽朔縣西南部，發(fā)源于陽朔縣與永?？h交界處的大蘇尾，屬于漓江水系。流域面積224 km2，主河道長43.1 km，流域坡度4.22‰，建有久大、陽朔洞2個(gè)中型水庫，其干流與遇龍河在荔陽公路工農(nóng)橋處匯合后稱田家河，并有栗木河在龍角山附近匯入，后于田家河村北匯入漓江。

金寶河流域?qū)僦袊胶橐患墔^(qū)劃中的東南亞熱帶豐水-高易發(fā)區(qū)［25］，多年降雨量為1 640.2 mm，3—8月為雨季且暴雨頻發(fā)，尤以短歷時(shí)強(qiáng)降雨為主，造成極端降雨事件頻發(fā)，山洪災(zāi)害嚴(yán)重。流域?qū)賻r溶地貌，以丘陵為主，山地為輔，地勢西北高東南低。2022年6月桂林普降大雨，金寶河流域暴發(fā)山洪，永寧橋附近至下游的陽朔城區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重，危及學(xué)生和居民生命安全，再次引起公眾重視。

1.2數(shù)據(jù)來源

HEC-HMS模型所需數(shù)據(jù)包括DEM數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)來源于日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的ALOSPALSAR 12.5 m高程數(shù)據(jù)（https：//search.asf.alaska.edu）；土壤分布數(shù)據(jù)為聯(lián)合國糧農(nóng)組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所構(gòu)建的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)（HWSD）（http：//www.fao.org/nr/land/soils/harmonized－world-soil－database/en/）；土地利用數(shù)據(jù)為國家自然資源部（2020年）Globeland30數(shù)據(jù)（http：//www.global‐landcover.com）；水文氣象數(shù)據(jù)來源于陽朔縣水利局及水文中心，實(shí)測歷史數(shù)據(jù)采用研究區(qū)內(nèi)部及周邊的18個(gè)雨量站和1個(gè)水位站的逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)（2016年3月至2023年5月），徑流數(shù)據(jù)根據(jù)龍?zhí)端徽镜乃涣髁筷P(guān)系曲線反推求得，并采用泰森多邊形法得出各子流域的雨量站權(quán)重，相關(guān)數(shù)據(jù)資料見圖2。

2 HEC-HMS模型構(gòu)建

2.1模型預(yù)處理

在HEC-GeoHMS10.8的支持下對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，將金寶河流域劃分為43個(gè)子流域，提取出相應(yīng)的河流長度、流域坡度、子流域面積等特征數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上生成圖3所示的流域HMS模型結(jié)構(gòu)概化。降雨流量資料利用HEC-DSSvue建立研究區(qū)雨量數(shù)據(jù)庫和流量數(shù)據(jù)庫，其中少數(shù)雨量站在部分時(shí)間段內(nèi)缺乏相應(yīng)數(shù)據(jù)，因雨量站間分布密集且距離較近，故選用臨近雨量站同時(shí)段降水?dāng)?shù)據(jù)。

2.2模型構(gòu)建方法

根據(jù)流域?qū)嶋H情況和計(jì)算目的，本模型在產(chǎn)流計(jì)算中選用SCS-CN曲線法，坡面匯流選用SCS單位線法，基流計(jì)算選用指數(shù)衰減法，河道匯流選用馬斯京根法。賈曉青等［26］通過修正CN進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，在巖溶地區(qū)得到了較好的應(yīng)用。本文CN的參數(shù)確定需要在土壤數(shù)據(jù)庫中查找到對應(yīng)區(qū)域中粘粒、砂礫、有機(jī)質(zhì)的含量，通過飽和導(dǎo)水率經(jīng)驗(yàn)公式［27］計(jì)算土壤飽和導(dǎo)水率，查取美國自然資源保護(hù)署（NRCS）土壤類型分類表可知研究區(qū)的土壤類型主要為B組?；谕恋乩脭?shù)據(jù)和水文土壤類型，利用美國國家工程手冊查算出各子流域的AMCII條件下的CN平均值。其他參數(shù)根據(jù)河道特征參數(shù)和已有流域數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并在后續(xù)進(jìn)行參數(shù)率定。

2.3參數(shù)敏感性分析

Morris篩選法是進(jìn)行局部敏感性分析較為廣泛的方法，其原理是對選定參數(shù)在閾值范圍內(nèi)進(jìn)行改變，以此得到模型目標(biāo)函數(shù)值，其變化率用于表示分析參數(shù)對輸出值的影響程度，具體計(jì)算見式（1）：

式中：y*為參數(shù)變化后的輸出值；y為參數(shù)變化前的輸出值；?i為參數(shù)i的變幅。

因Morris篩選法中參數(shù)變化幅度的隨機(jī)性會影響運(yùn)行結(jié)果［28］，本研究利用修正的Morris篩選法，選取多個(gè)重要參數(shù)，設(shè)定5%作為固定步長，10%最大運(yùn)行變幅進(jìn)行擾動，從而得到靈敏度判別因子評價(jià)參數(shù)的靈敏度，見式（2）：

式中：SN為敏感性辨別因子；Yi為模型第i次運(yùn)行的輸出值；Yi+1為模型第i次運(yùn)行的輸出值；Y0為參數(shù)率定后計(jì)算結(jié)果初始值；Pi為第i次模型運(yùn)算參數(shù)值相對于率定后參數(shù)值的變化百分率；Pi+1為第i次模型運(yùn)算參數(shù)值相對于率定后參數(shù)值的變化百分率；n為模型運(yùn)算次數(shù)。

在HEC-HMS模型中，據(jù)上述選取的計(jì)算方法共有徑流曲線數(shù)CN、初損Ia、不透水率I、流域滯時(shí)Llag、衰減系數(shù)k、峰值比r、蓄量常數(shù)K和退水常數(shù)X共8個(gè)參數(shù)。根據(jù)修正的Morris篩選法得到靈敏度判別因子評價(jià)參數(shù)的靈敏度S。根據(jù)判別因子的絕對值將參數(shù)敏感性劃分為4個(gè)等級［29］，S越大說明所對應(yīng)的靈敏度越高。其中，|S|≥1為高敏感等級，1gt;|S|≥0.2為敏感等級，0.2gt;|S|≥0.05為中等敏感，0.05＞|S|≥0為不敏感等級。本次采用5、10、20、50 a重現(xiàn)期24 h設(shè)計(jì)暴雨，對研究區(qū)8個(gè)過程參數(shù)進(jìn)行擾動，得到洪峰流量、徑流系數(shù)（徑流深）和峰現(xiàn)時(shí)間的敏感性分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

CN值、流域滯時(shí)及衰減系數(shù)對洪峰流量和徑流系數(shù)均表現(xiàn)出較高的敏感性，其中CN值為高敏感參數(shù)，同時(shí)蓄量常數(shù)和峰值比分別為洪峰流量和徑流系數(shù)的敏感參數(shù)。從圖4a、4b中可以看出，當(dāng)暴雨重現(xiàn)期從5 a增加到50 a時(shí)，各參數(shù)敏感性辨別因子（S）的絕對值大致呈現(xiàn)遞減趨勢。由此說明，當(dāng)雨強(qiáng)在一定范圍內(nèi)增大，參數(shù)對目標(biāo)函數(shù)的敏感性降低。

在各重現(xiàn)期下，流域滯時(shí)、蓄量常數(shù)和退水常數(shù)為峰現(xiàn)時(shí)間的中等敏感參數(shù)，CN值只在5 a和10 a重現(xiàn)期下略微表現(xiàn)出對峰現(xiàn)時(shí)間的敏感性，其余參數(shù)對峰現(xiàn)時(shí)間幾乎無影響。從圖4c可以發(fā)現(xiàn)，在不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)暴雨條件下，除CN值外的相關(guān)參數(shù)敏感性辨別因子不變，說明各參數(shù)對峰現(xiàn)時(shí)間的敏感性幾乎不受雨強(qiáng)的影響。

2.4模型率定與驗(yàn)證

根據(jù)GB/T 22482—2008《水情情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》［30］對模型模擬預(yù)報(bào)精度等級評價(jià)，規(guī)定若洪峰流量相對誤差和徑流深相對誤差不超過20%，峰現(xiàn)時(shí)間誤差在±3 h，則判定為預(yù)報(bào)合格，洪水預(yù)報(bào)精度等級劃分見表2。

基于上述參數(shù)敏感性分析結(jié)果，采用人工試錯(cuò)與目標(biāo)函數(shù)（峰值加權(quán)均方根誤差）優(yōu)化相結(jié)合的方法進(jìn)行模型參數(shù)率定。選取2016—2023年9場典型降雨洪水資料進(jìn)行模擬計(jì)算，其中6場用于模型參數(shù)率定，3場用于模型結(jié)果驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果見表3，部分場次實(shí)測流量和模擬流量對比見圖5。率定期6場洪水的洪峰流量相對誤差在20%以內(nèi)的占比83%，徑流深相對誤差均在20%以內(nèi)，峰現(xiàn)時(shí)差均在40 min以內(nèi)，洪水模擬合格率為83.33%，Nash系數(shù)為0.85。從驗(yàn)證期模擬結(jié)果中可以看出，3場洪水模擬的洪峰流量和徑流深的相對誤差均在15%以內(nèi)，洪水模擬合格率為89.7%，Nash系數(shù)為0.90。綜合洪水預(yù)報(bào)精度達(dá)到乙級，說明模擬方案和模型參數(shù)對金寶河流域模擬精度較高，可準(zhǔn)確地模擬再現(xiàn)洪水過程。

為進(jìn)一步驗(yàn)證HEC-HMS模型在巖溶區(qū)河流的適用性，選取臨近的巖溶區(qū)流域-遇龍河流域（圖1）同樣采用9場洪水進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，結(jié)果見表4。率定期6場洪水的洪水峰值相對誤差均值為6.86%，徑流系數(shù)相對誤差均值為14.43%，平均峰值相對誤差為1.5 h，平均Nash系數(shù)為0.84；驗(yàn)證期3場洪水的合格率為100%，平均Nash系數(shù)為0.94。綜合洪水預(yù)報(bào)精度達(dá)到乙級，交叉驗(yàn)證確定了HEC-HMS在巖溶區(qū)洪水預(yù)報(bào)模擬結(jié)果精度較高。

3模型的應(yīng)用

根據(jù)《廣西暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖集》（2010年3月）查算金寶河流域設(shè)計(jì)暴雨，設(shè)計(jì)雨型采用《廣西暴雨徑流查算圖表》中的第6雨型（圖6中的設(shè)計(jì)降雨），以此擬定24 h設(shè)計(jì)暴雨過程。易受災(zāi)點(diǎn)位置見圖1。

用上述已率定及驗(yàn)證后的金寶河流域HEC-HMS模型，基于不同重現(xiàn)期下的降雨過程對易受災(zāi)處的設(shè)計(jì)洪水過程進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖6。其中，降雨的初始時(shí)間設(shè)置為0：00，降雨峰值出現(xiàn)在18：00。永寧橋出口斷面處模擬過程呈明顯的雙峰小洪水，洪峰在20：00左右到達(dá)；木崗槽村、牛村及包茂高速附近洪峰在21：00左右到達(dá)；龍?zhí)端徽咎幵O(shè)計(jì)洪水洪峰在22：00左右到達(dá)。圖6f給出了相應(yīng)位置的洪峰對比。從圖6f可以看出，繼降雨峰值出現(xiàn)后，以金寶河主體的洪峰將在大約2 h后到達(dá)永寧橋，3 h到達(dá)木崗槽村、牛村及包茂高速，4 h后到達(dá)龍?zhí)端徽静⒌竭_(dá)陽朔縣城，不同重現(xiàn)期下的相應(yīng)預(yù)警流量詳見表5。為此，預(yù)警時(shí)間和預(yù)警流量的確定有助于水資源管理部門做出及時(shí)的調(diào)度決策，也可幫助相關(guān)部門提前應(yīng)對洪澇災(zāi)害的發(fā)生，包括疏散人員、轉(zhuǎn)移財(cái)產(chǎn)、加固防洪設(shè)施等預(yù)警防范措施，從而最大程度地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

4結(jié)論

本文利用研究區(qū)水文、氣象、土壤、土地利用等數(shù)據(jù)建立了陽朔金寶河流域的HEC-HMS模型，在對其進(jìn)行敏感性分析的基礎(chǔ)上，采用9場次洪水進(jìn)行率定與驗(yàn)證，以分析該模型在金寶河流域的適用情況，所得結(jié)論如下。

a）CN是洪峰流量和徑流系數(shù)的高敏感參數(shù)，流域滯時(shí)與衰減系數(shù)為洪峰流量和徑流系數(shù)的敏感參數(shù)，同時(shí)蓄量常數(shù)與峰值比分別對洪峰流量和徑流系數(shù)表現(xiàn)出敏感性。對峰現(xiàn)時(shí)間有影響的敏感參數(shù)為流域滯時(shí)、蓄量常數(shù)和退水常數(shù)。隨著雨強(qiáng)在一定范圍內(nèi)的增大，參數(shù)對洪峰流量和徑流系數(shù)的敏感性降低，且參數(shù)對峰現(xiàn)時(shí)間的敏感性受雨強(qiáng)影響較小。

b）金寶河流域的洪水模擬結(jié)果顯示所選場次洪水的綜合合格率為88.89%，平均Nash效率系數(shù)為0.85，峰現(xiàn)時(shí)差絕對值平均為0.26 h，達(dá)到了乙級預(yù)報(bào)精度。同時(shí)對鄰近巖溶山區(qū)-遇龍河流域利用同樣的方法再次進(jìn)行洪水模擬，也達(dá)到了乙級預(yù)報(bào)精度，表明HEC-HMS模型適用于巖溶山區(qū)小流域洪水模擬，可為流域洪水預(yù)報(bào)提供技術(shù)參考。

c）根據(jù)不同降雨重現(xiàn)期下的模擬結(jié)果，以金寶河主體的洪峰將在降雨峰值出現(xiàn)后的2 h左右到達(dá)永寧橋，3 h左右到達(dá)木崗槽村、牛村及包茂高速，4 h左右到達(dá)龍?zhí)端徽炯瓣査房h城，該結(jié)果對金寶河流域及陽朔縣城的防汛工作具有指導(dǎo)和參考意義。

d）由于巖溶山區(qū)小流域往往缺少水文地質(zhì)基本資料，所以HEC-HMS簡單有效的計(jì)算方法和模型結(jié)構(gòu)往往更為實(shí)用。但是HEC-HMS與新安江等模型相比，對巖溶地下系統(tǒng)空間異質(zhì)性的表達(dá)不夠全面和深入，針對地下徑流及基流模擬的方案選擇及參數(shù)變化還需進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯：高天揚(yáng)）