基于ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型的潼三段流域２０２１ 年秋汛洪水模擬

摘 要：水庫精細(xì)化調(diào)度是確保防洪安全與提高水庫綜合效益的主要措施。以三門峽庫區(qū)潼關(guān)至三門峽大壩間流域（潼三段流域）無測控區(qū)為研究區(qū)域，基于土壤、土地利用、降水、徑流等數(shù)據(jù)，構(gòu)建ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型，對２０２１ 年潼三段流域整個秋汛洪水過程進(jìn)行模擬，分析區(qū)間各支流洪水疊加過程與徑流量變化。采用徑流系數(shù)法（算術(shù)平均法和泰森多邊形法）計(jì)算潼三段流域徑流總量并與實(shí)測值對比，驗(yàn)證ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型在潼三段流域表現(xiàn)出良好的適用性與可靠性，徑流總量模擬值與實(shí)測值僅相差２．３３％，模擬效果顯著優(yōu)于徑流系數(shù)法。

關(guān)鍵詞：ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型；秋汛；洪水模擬；潼三段流域；三門峽庫區(qū)

中圖分類號：ＴＶ１２２＋ ．５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．０１０

引用格式：婁書建，劉世帆．基于ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型的潼三段流域２０２１ 年秋汛洪水模擬［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１１）：６３－６７．

近年來在全球氣候變化影響下，極端洪澇事件頻發(fā)［１－２］ ，為區(qū)域防洪安全帶來了極大挑戰(zhàn)。２０２１ 年，黃河中下游發(fā)生新中國成立以來最嚴(yán)重秋汛［３］ ，三門峽水庫以先敞泄、后控泄的方式參與了“五庫聯(lián)調(diào)”防洪運(yùn)用，為保障黃河防洪安全發(fā)揮了重大作用。

水庫作為水利工程體系中的重要組成部分［４］ ，其精細(xì)化調(diào)度是提高防洪效益的主要措施，洪水預(yù)報(bào)是開展水庫防洪調(diào)度的基礎(chǔ)工作。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)在水文預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，以及水文預(yù)報(bào)理論與方法的不斷創(chuàng)新，預(yù)報(bào)精度日益提高［５］ ，同時(shí)出現(xiàn)了一批具有各自適用條件的水文模型，如Ｔｏｐ－Ｍｏｄｅｌ、ＶＩＣ、ＨＥＣ－ＨＭＳ、ＳＷＡＴ、ＷＲＦ－Ｈｙｄｒｏ 模型等。史利杰等［６］ 探究了ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型在干旱半干旱地區(qū)的適用性；崔震等［７］ 將概念性水文模型的預(yù)報(bào)流量耦合到長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 構(gòu)建了ＧＲ４Ｊ－ＬＳＴＭ混合模型，提高了洪水預(yù)報(bào)精度；鐘芳倩等［８］ 基于ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型分析了黃土高塬溝壑區(qū)流域城市化對洪水情勢的影響；沈煒彬等［９］ 驗(yàn)證了ＨＥＣ－ＨＭＳ 模型對小流域山洪具有較好的模擬效果。目前關(guān)于水文模型的研究大都側(cè)重于其在某一流域的適用性或預(yù)報(bào)精度提高措施方面，而對大型水庫入庫站以下缺少測流資料的區(qū)間流域洪水分析較少。

潼關(guān)水文站作為三門峽水庫入庫站，距三門峽壩址１１３．５ ｋｍ，區(qū)間流域面積６ ２６０ ｋｍ２。汛期遇強(qiáng)降水時(shí)，區(qū)間支流洪水直接匯入庫區(qū)，造成水庫入出庫水量出現(xiàn)偏差。為此，本文在剖析潼關(guān)至三門峽大壩間流域（以下簡稱潼三段流域）產(chǎn)匯流機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建潼三段流域ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型，對２０２１ 年秋汛洪水過程進(jìn)行模擬計(jì)算、分析與檢驗(yàn)，以期為三門峽水庫汛期精細(xì)化調(diào)度提供理論支撐。

１ 研究區(qū)域概況及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

１．１ 研究區(qū)域概況

三門峽水庫是黃河干流興建的第一座大型水庫，以防洪、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電等綜合任務(wù)［１０］ 。水庫位于黃河中游河段，控制流域面積為６８．８萬ｋｍ２，占黃河流域總面積的９１．５％。潼三段流域處于黃河流域陜、晉、豫三省交界處，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，為半濕潤半干旱區(qū)，降水量年際年內(nèi)變化較大。區(qū)域土壤類型以壤土、沙壤土和黏土為主，土地利用類型以耕地、林地和草地為主。黃河干流潼三段屬三門峽庫區(qū)，兩岸為黃土臺塬，河道上段寬淺、下段窄深，具有“灘高槽深”特征，有２０ 條支流呈“羽狀”分布直接匯入三門峽庫區(qū)，其中：左岸（山西側(cè)）９ 條，集水面積共２ １０４ ｋｍ２；右岸（河南側(cè)）１１ 條，集水面積共４ １５６ ｋｍ２。

１．２ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

ＤＥＭ（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)源自地理空間數(shù)據(jù)云（ｈｔｔｐ：／／ ｗｗｗ． ｇｓｃｌｏｕｄ． ｃｎ／ ） 及ＡＬＯＳ ＰＡＬＳＡＲ １２． ５ ｍ（ｈｔｔｐｓ：／／ ｓｅａｒｃｈ．ａｓｆ．ａｌａｓｋａ．ｅｄｕ／ ）；土壤數(shù)據(jù)源自聯(lián)合國糧農(nóng)組織（ ＦＡＯ） 與維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（ＩＩＡＳＡ）聯(lián)合構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫（ＨＷＳＤ）（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆａｏ．ｏｒｇ／ ），１ ｋｍ 分辨率的網(wǎng)格數(shù)據(jù)經(jīng)重采樣為３０ ｍ分辨率；土地利用數(shù)據(jù)源自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（ｈｔｔｐ：／／ ｗｗｗ．ｒｅｓｄｃ．ｃｎ）；降水、徑流數(shù)據(jù)為研究區(qū)３ 個水文站與４８ 個雨量站的實(shí)測數(shù)據(jù)。

土壤類型與土地利用類型是流域下墊面的重要條件，黃河潼三段流域的土壤類型與土地利用類型分別見表１、表２。

２ 模型構(gòu)建與計(jì)算分析

２．１ 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理

模型構(gòu)建之前需要對研究區(qū)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括子流域劃分、流域邊界與河網(wǎng)信息提取、雨量站控制面積及權(quán)重分配等。具體操作如下：首先，在ＨＥＣ－ＨＭＳ 軟件的ＧＩＳ 模塊中導(dǎo)入ＤＥＭ 數(shù)據(jù)進(jìn)行流向等水文分析，提取河網(wǎng)信息及流域邊界，并劃分子流域；其次，結(jié)合流域矢量數(shù)據(jù)及雨量站點(diǎn)位信息，按照泰森多邊形法確定各子流域雨量站的控制面積及權(quán)重。

２．２ 模塊計(jì)算

基于潼三段流域?qū)崪y降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，考慮ＨＥＣ－ＨＭＳ 模型計(jì)算的效率與簡便性，選擇ＳＣＳ 徑流曲線法計(jì)算產(chǎn)流、Ｓｎｙｄｅｒ 單位線法計(jì)算坡面匯流、退水曲線法模擬流域基流、馬斯京根法進(jìn)行河道匯流演算。

２．２．１ 產(chǎn)流計(jì)算

ＳＣＳ 徑流曲線法是美國農(nóng)業(yè)部土壤保持服務(wù)局研發(fā)的計(jì)算農(nóng)業(yè)、森林和城市流域特定降水時(shí)間內(nèi)地表徑流量的常用方法。該方法考慮了土壤類型、土地利用類型、地表?xiàng)l件和前期土壤水分條件，其適用性和可接受性高。根據(jù)大量的流域試驗(yàn)分析，建立Ｉａ 和Ｓ 的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下：

Ｉａ ＝ λＳ （１）

式中：Ｉａ為初始降水損失量，Ｓ 為土壤最大蓄水量，λ 為比例系數(shù)（通常取０．２）。

由于Ｓ 受降水等因素影響，變化范圍較大，不易取值，因此引入無量綱參數(shù)ＣＮ（０～１００），建立ＣＮ與Ｓ 之間的關(guān)系式如下：

Ｓ ＝ ２５ ４００ － ２５４ＣＮ／ＣＮ （２）

ＣＮ的取值主要與土壤、土地利用類型等有關(guān)，其值由前期數(shù)據(jù)處理得到，代入以上２ 個公式得到初始降水損失量，并將其作為初始值輸入模型。

２．２．２ 坡面匯流計(jì)算

Ｓｎｙｄｅｒ 單位線是一種適用于無實(shí)測資料地區(qū)的參數(shù)化單位線，能有效將洪水特征和流域特征聯(lián)系起來。單位線洪峰流量與流域滯時(shí)之間的關(guān)系式如下：

式中：Ｕｐ 為單位線洪峰流量，Ａ 為流域面積，Ｃ 為換算常數(shù)（通常取２．７５），Ｃｐ為標(biāo)準(zhǔn)單位線峰值系數(shù)，ｔｐ為洪峰滯時(shí)，Ｌ 為主河道長度，Ｙ 為流域坡度。

２．２．３ 基流計(jì)算

地面徑流包括直接降水徑流與基流，基流主要指流域滯蓄的雨水。退水曲線法用隨時(shí)間衰減的函數(shù)描述基流，公式如下：

Ｑｔ ＝ Ｑ０ｋ （５）

式中：Ｑｔ為ｔ 時(shí)刻的基流量，Ｑ０為初始基流量，ｋ 為衰減常數(shù)（ｋ＜１）。

２．２．４ 河道匯流計(jì)算

馬斯京根法是一種聯(lián)立水量平衡方程和槽蓄方程的河道匯流計(jì)算方法，公式如下：

式中：Ｉ１、Ｉ２ 分別為時(shí)段初、時(shí)段末的入流量；Ｑ１、Ｑ２ 分別為時(shí)段初、時(shí)段末的出流量；Ｋ 為洪水波的河道傳播時(shí)間；ｘ 為流量比重引子，無量綱，取值為０～０．５；Δｔ 為計(jì)算時(shí)段長。

２．３ 參數(shù)率定

參數(shù)率定即在合理范圍內(nèi)尋找最優(yōu)估值。以模型內(nèi)置的峰值加權(quán)均方根誤差為目標(biāo)函數(shù)，采用內(nèi)置內(nèi)德－米德優(yōu)化算法，結(jié)合人工手動微調(diào)方法對模型參數(shù)進(jìn)行率定，最終得到一系列參數(shù)值。

窄口水庫是黃河支流弘農(nóng)澗河中游的一座大（２）型水庫，控制流域面積為９０３ ｋｍ２，占整個研究區(qū)面積的１４．４％。２０２１ 年秋汛潼三段流域與窄口水庫控制流域（以下簡稱窄口流域）同處一個雨區(qū)，面平均降水量分別為５３８．１、５３２．５ ｍｍ，兩者相差較小，認(rèn)為２ 個流域具有相似的氣候條件。此外，潼三段流域與窄口流域的土壤類型都以壤土為主，占比分別為７７．３４％、７６．０６％，其次都是沙壤土和黏土。潼三段流域林地、耕地、草地占比分別為２３．９４％、４３．６９％和２４．８３％，窄口流域占比分別為５５．４８％、１４．９９％和２８．６７％。雖然２ 個流域的土地利用類型占比有差異，但土壤類型具有高度一致性，可近似認(rèn)為２ 個流域的下墊面條件具有相似性。

考慮到窄口流域具有完整的數(shù)據(jù)資料，且與缺乏部分資料的潼三段流域的氣候、下墊面等條件相似，因此同步構(gòu)建窄口流域ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型，采用參數(shù)移植法將窄口流域模型參數(shù)作為潼三段流域模型參數(shù)的初始值，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行參數(shù)修正尋優(yōu)，以取得較為理想的洪水徑流模擬結(jié)果。

選?。玻埃玻?年汛期３ 個場次洪水過程對窄口流域的水文模型進(jìn)行參數(shù)率定，率定結(jié)果見表３。

３ 模擬結(jié)果對比分析

２０２１ 年汛期窄口流域３ 個場次洪水過程模擬結(jié)果見表４ 和圖１。３ 個場次洪水模擬結(jié)果均合格，其中第２ 場次洪水模擬結(jié)果確定性系數(shù)大于０．９００，精度達(dá)到甲級標(biāo)準(zhǔn)，其余２ 個場次洪水確定性系數(shù)均超過０．７００；３ 個場次洪水的洪峰流量誤差均小于５．００％，最大誤差為３．１４％、最小誤差為１．５０％；峰現(xiàn)時(shí)間最大偏差３ ｈ、最小偏差１ ｈ；第２ 場次洪水的洪水總量（用徑流深表示）模擬誤差最大，為１７．５６％。

基于窄口流域的模型參數(shù)，結(jié)合潼三段流域下墊面條件進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，并對洪水過程進(jìn)行模擬，潼三段流域左、右兩岸各入黃支流洪水過程模擬結(jié)果分別見圖２、圖３。

潼三段流域左右兩岸各支流徑流量模擬值見表５。

綜合分析圖３、圖４ 以及表５ 可知，潼三段流域各支流的流量變化過程具有高度一致性，差異主要體現(xiàn)在徑流量上。原因是各支流降水與下墊面條件較為一致，產(chǎn)匯流機(jī)理相同，徑流量的大小與流域面積正相關(guān)。潼三段流域徑流總量主要源自右岸河南側(cè)支流，左、右岸支流占比分別為２５．０４％、７４．９６％；右岸支流宏農(nóng)澗河的徑流量最大，占右岸徑流總量的４５．６０％；其次是青龍澗河、雙橋河，分別占右岸徑流總量的１８．８６％、８．３２％。

２０２１ 年潼三段流域入黃洪水徑流過程模擬結(jié)果見圖４。徑流過程大致可分為３ 次漲落過程，分別為８ 月２９ 日至９ 月１５ 日、９ 月１６ 日至２４ 日、９ 月２５ 日至１０ 月３１ 日。３ 次洪水漲落過程洪峰流量逐次增大，最大洪峰流量為６３９．６ ｍ３ ／ ｓ，峰現(xiàn)時(shí)間為９ 月２９ 日０ 時(shí)。

綜上，采用ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型模擬的潼三段流域洪水徑流總量為１２．２８ 億ｍ３，與實(shí)測徑流總量１２．００億ｍ３相差０．２８ 億ｍ３，僅占實(shí)測徑流總量的２．３３％。

在模擬分析中，由于有的支流缺乏完整的實(shí)測資料，無法直接檢驗(yàn)洪峰流量模擬結(jié)果的偏差，因此只能通過徑流系數(shù)法（算術(shù)平均法和泰森多邊形法）計(jì)算區(qū)間流域徑流總量，通過與實(shí)測值對比，間接驗(yàn)證ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用算術(shù)平均法、泰森多邊形法計(jì)算潼三段流域徑流總量分別為１０．２５ 億、１０．３８ 億ｍ３，與實(shí)測徑流總量１２ 億ｍ３ 分別相差１４．６％、１３．５％，誤差在允許范圍內(nèi)。對比可知，構(gòu)建的ＨＥＣ－ＨＭＳ 模型模擬效果明顯優(yōu)于徑流系數(shù)法，間接驗(yàn)證了該模型在潼三段流域的適用性以及洪水模擬結(jié)果的可靠性。

４ 結(jié)論

構(gòu)建ＨＥＣ－ＨＭＳ 水文模型，對潼三段流域２０２１ 年秋汛洪水過程進(jìn)行模擬，所得潼三段流域左右岸各支流洪水漲落過程具有高度的一致性，其徑流量的大小主要取決于各支流流域面積的大小，面積越大徑流量越大。該模型在潼三段流域表現(xiàn)出良好的適用性，徑流總量模擬值與實(shí)測值僅相差２．３３％，模擬效果顯著優(yōu)于徑流系數(shù)法。

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【責(zé)任編輯 栗 銘】