采用分布式HEC－HMS水文模型的晉江流域暴雨次洪模擬

陳芬，林峰，陳興偉

（1.福建師范大學(xué) 地理研究所，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

采用分布式HEC－HMS水文模型的晉江流域暴雨次洪模擬

陳芬1，2，林峰1，陳興偉2

（1.福建師范大學(xué) 地理研究所，福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

以晉江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，采用分布式HEC－HMS水文模型進(jìn)行暴雨次洪模擬 .分別通過(guò)SCS曲線數(shù)法計(jì)算水文損失，單位線法計(jì)算直接徑流，Muskingum模型進(jìn)行河道洪水演進(jìn)，基流指數(shù)退水法模擬流域基流，并以1972－1979年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的率定及驗(yàn)證.研究結(jié)果表明：?jiǎn)畏宓暮樗M結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合比較好，模型效率系數(shù)都在0.8以上，峰現(xiàn)誤差為3h以內(nèi)；多峰的洪水效率系數(shù)在0.6以下.

HEC－HMS水文模型；晉江流域；洪水模擬；暴雨

分布式模型以其具有明確物理意義的參數(shù)結(jié)構(gòu)成為水文學(xué)研究的熱點(diǎn).HEC－HMS是美國(guó)陸軍工程師團(tuán)水文工程中心研發(fā)的水文模型系統(tǒng)，主要用于樹(shù)狀流域降雨－徑流過(guò)程的模擬，是一個(gè)同GIS緊密耦合的分布式水文模型［1－3］.它充分考慮了流域下墊面和氣候因素的時(shí)空變異性，以及地表參數(shù)變化對(duì)水文過(guò)程的影響.國(guó)外很早就利用HEC－HMS進(jìn)行徑流模擬［4－9］，而我國(guó)模擬應(yīng)用還處于初期階段.張建軍等［10］，雍斌等［11］利用HEC－HMS水文模型系統(tǒng)對(duì)官寨流域、漢江褒河流域半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)進(jìn)行適應(yīng)性研究；萬(wàn)榮榮等［12］在太湖上游西苕溪流域進(jìn)行次洪水模擬及土地覆被變化的洪水響應(yīng).近年來(lái)，晉江流域上游由于不合理的人類(lèi)活動(dòng)，使得同樣量級(jí)的暴雨洪水的洪峰流量及洪峰峰現(xiàn)時(shí)間發(fā)生變化，小流域山洪頻繁，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，山洪災(zāi)害已成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素之一.本文利用HEC－HMS水文系統(tǒng)模型，進(jìn)行晉江流域分布式洪水模擬.

1 研究方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

晉江流域位于福建省東南部，西有戴云山脈，東面濱海，流域面積5 629km2.其中石龔水文站控制區(qū)流域的研究區(qū)面積為5 007km2.研究區(qū)屬典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，具有季風(fēng)氣候的顯著特點(diǎn)，雨熱同期，降水和氣溫隨季節(jié)變化明顯；降水豐富，但時(shí)空分布不均，自東南向西北遞增，西北局部山區(qū)年降水量可達(dá)2 000mm，年平均降水量為1 200～1 900mm，降水的年內(nèi)分布極為不均，降雨主要集中在5～8月，占全年60%以上.受臺(tái)風(fēng)影響，暴雨洪水發(fā)生頻率高，洪水流量大，破壞力強(qiáng)，如1935年的洪峰流量達(dá)1萬(wàn)m3·s－1.該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人類(lèi)活動(dòng)比較活躍，土地利用／覆被變化較大，部分地區(qū)水土流失嚴(yán)重，徑流的空間分布也差異較大.

1.2 HEC-HMS水文模型

HEC－HMS水文模型根據(jù)數(shù)字高程模型（DEM）將流域劃分成若干網(wǎng)格單元或自然子流域，然后計(jì)算每一個(gè)單元（子流域）的產(chǎn)流量、坡面匯流和河道匯流，最后演算至流域出口斷面.模型主要包含凈雨計(jì)算、直接徑流過(guò)程模擬、基流計(jì)算和河道洪水演算等4個(gè)計(jì)算子模型 .每個(gè)計(jì)算子模型包括多種可供選擇的計(jì)算方法，即可根據(jù)不同的流域、資料情況及計(jì)算目的選擇不同計(jì)算方法.HEC－GeoHMS是HEC－HMS的數(shù)據(jù)接口，對(duì)輸入的DEM等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成HEC－HMS可以接受的格式文件.

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立 利用HEC－DSSVue數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，輸入1972－1979年研究區(qū)流域內(nèi)7場(chǎng)洪水的40個(gè)雨量站累積雨量數(shù)據(jù)、3個(gè)水文站同期流量數(shù)據(jù)及山美水庫(kù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立研究區(qū)的雨量數(shù)據(jù)庫(kù)和流量數(shù)據(jù)庫(kù).整理已有的30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，1∶50萬(wàn)的晉江流域土壤圖，1∶10萬(wàn)福建省土地利用／覆被遙感解譯數(shù)據(jù)圖，通過(guò)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及投影轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一為高斯克里格投影；按照徑流曲線數(shù)（SCS）法對(duì)土壤水文類(lèi)型的劃分，將土壤分為4大類(lèi)型，與土地利用圖迭加得到水文響應(yīng)單元（HRU）.

1.3.2 流域水文參數(shù)的處理 利用HEC－GeoHMS 1.1模塊對(duì)研究區(qū)的DEM進(jìn)行填洼、流向、匯流累積量計(jì)算，提出河網(wǎng)，劃分子流域，定義流域出口，獲取流域的地形參數(shù)及河道特征參數(shù) .然后，把研究區(qū)劃分為48個(gè)子流域，計(jì)算出子流域坡度、流域中心位置，以及河長(zhǎng)、最長(zhǎng)水流路徑和流域滯時(shí)參數(shù)等，生成HMS文件，為HEC－HMS模擬提供流域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（圖1）.研究區(qū)的平均坡度為29.7°，河道總長(zhǎng)度為479.406km.

1.3.3 雨量數(shù)據(jù)空間插值 由于降雨數(shù)據(jù)的空間分布不均勻，而流域的雨量站數(shù)據(jù)有限且分布也不均勻，故采用距離平方倒數(shù)（RDS）法計(jì)算流域平均降量.RDS法把無(wú)測(cè)站點(diǎn)的降雨視為附近雨量站點(diǎn)降雨和雨量站點(diǎn)間距離的函數(shù)，對(duì)較近的站賦予較大的權(quán)重.

圖1 研究區(qū)的HMS圖Fig.1 HMS map of study area

2 流域模型模擬的過(guò)程

2.1 水文損耗計(jì)算

選擇美國(guó)土壤局的SCS曲線數(shù)值法來(lái)計(jì)算降雨損耗.SCS模型的降雨－徑流關(guān)系的表達(dá)式［13］為

S值的變化幅度很大，從實(shí)用出發(fā)引入一個(gè)無(wú)因次參數(shù)CN與S建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即S＝（25 400／CN）－254.CN稱為曲線數(shù)，用于描述降雨－徑流關(guān)系，它將AMC（前期土壤濕潤(rùn)程度）、坡度、土壤類(lèi)型和土地利用現(xiàn)狀等因素綜合在一起，用定量的指標(biāo)來(lái)反映下墊面條件對(duì)產(chǎn)匯流過(guò)程的影響［14］.

2.2 直接徑流

直接徑流模擬采用SCS單位線法.它是由美國(guó)農(nóng)業(yè)水土保持局（Soil Conservation Service，簡(jiǎn)稱SCS）提出的一個(gè)參數(shù)單位線模型.研究表明，單位線洪峰流量與單位線到達(dá)洪峰時(shí)間之間的關(guān)系［15］為

式（2）中：A為流域面積；C為轉(zhuǎn)換系數(shù)，國(guó)際單位中的數(shù)值為2.08；tP為單位線到達(dá)洪峰時(shí)間，tP＝Δt／2＋tlag，Δt為凈雨歷時(shí)（計(jì)算時(shí)間間隔），tlag為洪峰滯時(shí).在該模型中，基于劃分的子流域，自動(dòng)計(jì)算各子流域平均洪峰滯時(shí).

2.3 河道的洪水演進(jìn)

Muskingum模型以上游水文過(guò)程線為邊界條件，運(yùn)用圣維南方程組計(jì)算下游的水文過(guò)程線.該模型是在圣維南（Saint－Venant）方程組的基礎(chǔ)上，根據(jù)河段的水量平衡原理與蓄泄關(guān)系，把河段上游斷面的入流量過(guò)程演算為下游斷面的出流量過(guò)程的方法.模型將連續(xù)性方程作差分［13］，即

式（3）中：It－1和It分別為t－1t時(shí)刻的入流；Qt－1和Qt分別為t－1和t時(shí)刻的出流量；St和St－1分別為t－1和t時(shí)刻的河段蓄量

Muskingum模型把河道槽蓄量定義為

式（4）中：K為蓄積量常數(shù)；X為流量比重因素；XIt＋（1－X）Qt為權(quán)重流量.當(dāng)X＝0時(shí)，表示河道由下游條件控制，河槽蓄量與出流量之間有高度相關(guān)性；當(dāng)X＝0.5時(shí)，則表示賦予入流和出流相同的權(quán)重.聯(lián)立方程（3），（4）可得

Muskingum模型根據(jù)入流過(guò)程、初始條件，以及K和X的值，通過(guò)遞歸方法計(jì)算出流量過(guò)程線.

2.4 基流指數(shù)退水

基流指數(shù)退水法適合基流受降雨事件影響大的流域，解釋自然流域的基流，其退水曲線［16］為

式（6）中：Q0為初始時(shí)間的基流；Qt為Q0以后t時(shí)段的基流量；K為小于1的退水系數(shù).在模型中，K被定義為t時(shí)刻的基流量占前一日基流量的比率.

3 模型的校驗(yàn)

3.1 參數(shù)的率定

由于CN值已經(jīng)確定，洪水流域滯時(shí)的延遲時(shí)間由Geohms模塊直接計(jì)算獲得 .因此，洪水模擬中需要率定的參數(shù)有：初損、初始基流量、基流退水系數(shù)、退水拐點(diǎn)流量、流量比重因子、蓄積量常數(shù).

3.2 模型的校驗(yàn)

Nash－Suttcliffe模型效率系數(shù)（Eos）［17］同時(shí)選擇相關(guān)系數(shù)（r）、相對(duì)誤差（ER）和峰現(xiàn)誤差做為驗(yàn)證模型模擬的精度，其計(jì)算式為

式（7）中：Qs，i為i時(shí)間段的流量過(guò)程的模擬值；Qo，i為i時(shí)間段的流量過(guò)程的觀測(cè)值；ˉQo為觀測(cè)流量過(guò)程的均值；ˉQs為模擬流量過(guò)程的均值；n為模擬的時(shí)段數(shù).

4 結(jié)果與分析

利用1972－1973年的實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的率定，而以1974－1979年的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的驗(yàn)證，結(jié)果如表1所示.表1中：Qo，Qs分別是洪峰流量的觀測(cè)值和模擬值；ER，Q為洪峰流量相對(duì)誤差；∑Qo，∑Qs分別是洪水總量的觀測(cè)值和模擬值；ER，∑Q洪水總量相對(duì)誤差；Δt為峰現(xiàn)時(shí)差；Eos為效率系數(shù)；r相關(guān)系數(shù).

表1 研究區(qū)次洪模擬結(jié)果Tab.1 Results of simulating rainfloods in study area

從表1可知：率定期1972年，1973年兩場(chǎng)洪水的效率系數(shù)和相關(guān)系數(shù)都大于0.9，峰現(xiàn)誤差在3h誤差之內(nèi)，洪峰相對(duì)誤差為3%之內(nèi)，洪量相對(duì)誤差為11%之內(nèi)；驗(yàn)證期1977年，1978年，1979年的效率系數(shù)分別為0.925，0.810，0.870，相關(guān)系數(shù)都大于0.8，洪峰誤差都在1h以內(nèi)，洪峰流量的相對(duì)誤差在6%以內(nèi)，洪量相對(duì)誤差在10%以內(nèi).模擬結(jié)果在預(yù)報(bào)的誤差范圍以內(nèi).1974年和1975年兩場(chǎng)次洪的模擬結(jié)果不理想，效率系數(shù)分別為0.302和0.599，不能達(dá)到預(yù)報(bào)的精度，這主要是由于多峰型洪水的情況相對(duì)比較復(fù)雜.模擬結(jié)果表明：該模型對(duì)于晉江流域單峰洪水模擬表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性.

從圖1還可看出：對(duì)于單峰型洪水，出口斷面模擬的洪水過(guò)程線與實(shí)測(cè)過(guò)程吻合較好，模擬的總體效果比較好；對(duì)于多峰型洪水，誤差比較大，主要表現(xiàn)為峰現(xiàn)時(shí)間提前，洪峰陡漲陡落.

圖2 率定期與驗(yàn)證期模擬流量過(guò)程線Fig.2 Comparisons of simulated and observed streamflow hydrograghs in different calibration and validation periods

5 結(jié)束語(yǔ)

采用分布式水文模型HEC－HMS對(duì)晉江流域典型降雨次洪進(jìn)行模擬，單峰型的暴雨次洪模擬效率系數(shù)大于0.8，模擬的流量過(guò)程線與實(shí)際的流量過(guò)程線總體吻合 .模擬結(jié)果表明：HEC－HMS模型對(duì)晉江流域單峰型的暴雨次洪模擬具有較好的適應(yīng)性，可為晉江流域及閩東南無(wú)資料地區(qū)的單峰洪水模擬及預(yù)警提供可行的方法及技術(shù)手段.然而，對(duì)于多峰型洪水，由于情況比較復(fù)雜，模擬的誤差也比較大.

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Application of HEC－HMS Distributed Hydrological Model to the Rainflood Similation in Jinjiang River Basin

CHEN Fen1，2，LIN Feng1，CHEN Xing－wei2

（1.Institute of Geography，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350007，China；2.College of Geographical Sciences，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Taking Jinjiang River Basin as a study area，the HEC－HMS distributed hydrological model was used in simulating rainfloods occurred in the basin.In the process of simulation，the hydrological loss was calculated by the SCS curve method，the direct run－off by the unit line method，the channel flowing by the Muskingum model and the basin baseflow by the way of exponential eecession mode.After calibration and validation on the basis of measured data during 1972and 1979，it was found that，for uni－modal floods，the efficiency coefficients of the model were all great than 0.8and the error time of peak flow was within 3hours，showing a better performance in rainfloods simulation than for multi－modal floods，whose efficiency coefficients of the model were lower than 0.6.

HEC－HMS hydrological model；Jinjiang River Basin；flood simulation；rainflood

P 333.2；P334.92

A

1000－5013（2012）03－0325－05

2011－11－07

陳芬（1971－），女，助理研究員，主要從事 GIS應(yīng)用及水資源的研究.E－mail：fchen11＠163.com.

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（2009R10039－2）

（責(zé)任編輯：錢(qián)筠 英文審校：吳逢鐵）