SWMMH模型在甘南、臨夏州小流域河流洪水中的模擬應用

王漢卿

(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

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SWMMH模型在甘南、臨夏州小流域河流洪水中的模擬應用

王漢卿

(甘肅省臨洮水文水資源勘測局，甘肅 臨洮 730500)

以甘南、臨夏州13個縣小流域河流為研究對象，選取1949～2015年的761場次歷年洪水調查資料，加入了2014～2015年甘肅省甘南、臨夏州小流域河流山洪災害歷史洪水調查資料,篩選出符合標準的421場次洪水，模擬構建SWMMH模型，模擬率定出參數(shù)M和θ值。并選取13條有流域代表性的典型溝道進行洪峰流量的模擬驗證，模擬結果表明本模型可以為研究區(qū)工程建設、設計洪水計算提供理論依據。

小流域河流；SWMMH模型；模型模擬；甘南州；臨夏州

由于一系列小流域涉水工程，必須進行洪水計算，這在國民經濟建設中有著重要意義。小流域洪水計算有很多方法，而往往在小流域中很少設有水文站，缺少系列雨量及洪水資料，因此常采用推理公式或經驗公式法計算設計洪水，但這些方法大都存在應用的局限性。本論文構建SWMMH模型，以甘南、臨夏地區(qū)小流域為背景，選擇不超過200 km2的小流域河流為研究對象，目的是研究和總結小流域資料處理的原則、方法，為當?shù)厮块T在防災減災、工程建設及開發(fā)建設項目中推求設計洪水提供一種新的方法。

1 SWMMH模型簡介

SWMMH模型[1]最早于1971年由美國環(huán)境保護總署開發(fā)，用于模擬單一降雨事件或連續(xù)降雨事件下徑流的水量和水質狀況。本模型經過數(shù)次的修改、完善和升級，目前SWMMH模型已經發(fā)展到5.0版本，該模型包括標題(備注)、選項、氣候、水文模塊、水利模塊、水質模塊及曲線模塊等7大類。該模型5.0中文版界面功能齊全，能夠提供輸入數(shù)據編輯、水文和水利過程模擬、水質模擬以及豐富的結果表達形式等功能，并廣泛應用于城市雨水管理、排水管網規(guī)劃設計、洪水設計計算、環(huán)境保護及生態(tài)系統(tǒng)修復等領域。

2 研究區(qū)概況

依據《甘肅的水文分區(qū)》[2]劃分標準，全省共劃分為9個分區(qū)和10個子區(qū)。本次依據諸多水文指標綜合效應時空變化相似性和差異性，并且考慮研究區(qū)概況及下墊面、氣候特征，最終劃分為洮河、大夏河下游隴西黃土丘陵西Ⅰ區(qū)和中上游甘南高原Ⅱ區(qū)。

Ⅰ區(qū)山地海拔高程大都在1 780～2 460 m左右。多年平均氣溫7.0℃，多年平均降水量300～500 mm左右。境內大部分面積被黃土覆蓋，地表起伏，溝谷縱橫，山嶺密布，呈典型的黃土丘陵地貌。其特點是樹木草叢極少，土石外露，植被很差，水土流失特別嚴重，水質較差。遇暴雨易產生洪水，挾帶大量的泥沙匯入河道，是洮河的主要產沙區(qū)。

Ⅱ區(qū)地勢高亢，海拔在3 000～4 000m之間，屬高寒濕潤氣候，多年平均氣溫為2.3℃，多年平均降水量為400～600 mm。中上游地處甘南高山森林區(qū)，源地區(qū)屬高寒濕潤的高原氣候，表現(xiàn)為夏季短促，冬季漫長，氣候多變，植被良好。四季不甚分明，夏季氣候變化劇烈，潮濕多雨，暴雨頻繁，主要災害性天氣為冰雹。

3 洪水資料收集和篩選[3～5]

3.1 洪水資料收集

選用研究區(qū)13縣的761場次洪水調查系列資料。并且按照2014～2015年《甘肅省山洪災害調查評價》工作任務和技術要求，對44條有區(qū)域代表性的典型小流域溝道進行了歷史洪水調查。

3.2 洪水資料篩選

本論文對收集的洪水資料進行了篩選分析。另外對一些小流域河流缺乏較大洪水或者缺少流域特征值的部分洪水場次予以刪除，確定出符合標準的洪水場次，并且按不同的流域面積分別進行了統(tǒng)計，從統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)有以下幾個特點：

(1)實用性。從研究區(qū)選取的小河流特征來看，10≤F<50的洪水共122場次，占分析洪水場次的29.0%； 50≤F<100的洪水共159場次，占分析洪水場次的37.8%； 100≤F<200的洪水共140場次，占分析洪水場次的33.2%?？偟暮樗?61場次，符合標準的分析洪水421場次，分析洪水場次占總洪水場次的55.3%。

(2)可靠性。采用資料系列較長、精度高。資料系列大都采用1949～2015年間，部分小河流的洪水資料系列較長，大大提高了分析成果的精度。

(3)代表性。1區(qū)屬于半干旱地區(qū)，有丘陵、淺山、深山區(qū)、石山區(qū)、土石山區(qū)等各類地形、地質和地貌條件；總計分析洪水278場次，占分析洪水場次的66.0%。2區(qū)屬于半濕潤地區(qū)，有原始森林、針葉、灌木林、草原和草坡等地形、地貌條件；總計分析洪水143場次，占分析洪水場次的34.0%。

(4)真實性。加入2014～2015年小流域山洪災害歷史洪水調查資料，把成果加入到本次研究中，保證了分析成果的真實性。

4 SWMMH模型的構建與應用

4.1 SWMMH模型的構建

依據洮河、大夏河流域ArcGIS10.0數(shù)字高清圖及研究區(qū)各縣水系站網分布圖，并考慮SWMMH模型構建的原則，經點雨量系統(tǒng)概化為面雨量、主要產匯流區(qū)劃分、出口洪水量及參數(shù)率定等構建SWMMH模型。

研究區(qū)內主要水文站(包括水位站)44站，雨量監(jiān)測點70站，蒸發(fā)監(jiān)測點16站。依據ArcGIS10.0數(shù)字高清圖、研究區(qū)站網的布設、氣候特征等情況綜合，整個研究區(qū)概化為2個分區(qū)、26個主要產流區(qū)和44個小流域出水口洪水量監(jiān)測點。對研究區(qū)以縣為單位進行概化統(tǒng)計特征值，包括對流域面積F、河長L、坡降J、洪峰流量Qm進行平均概化處理。

SWMMH模型過程模擬主要包括降雨徑流，產匯流計算采用Horton公式，模擬產匯流計算時間步長設為100 s，演算過程選用動態(tài)波模型。參數(shù)主要分為測量參數(shù)與率定參數(shù)[6]，測量參數(shù)數(shù)據都可借鑒原先實測資料、文獻記載來設置。本研究模型測量參數(shù)取值主要基于水文、工程特性數(shù)據、研究區(qū)域的下墊面特征以及SWMMH模型用戶手冊，同時借助ArcGIS10.0軟件來確定完成。另外，率定參數(shù)則是模型需要校準的參數(shù)，包括產流區(qū)的M值和θ值[7]，特征值模擬結果見表1。

表1 小流域產流區(qū)M值和θ值模擬結果統(tǒng)計表

由表1數(shù)據，綜合分析發(fā)現(xiàn)M、θ的計算值和模型取值誤差相當小，而從分區(qū)來看M值在研究區(qū)明顯成2個系列，臨夏州系列M值變化范圍在0.20～0.67之間、甘南州系列M值變化范圍在0.74～1.15之間，從而反映出2個分區(qū)洪水(或匯流速度)的特性和變化規(guī)律不同。但θ計算值和模型取值之間關系復雜，沒有明顯的規(guī)律可循。另外通過建立Qm～M、Qm～θ和M～θ關系曲線模擬，模擬耦合結果見圖1、圖2、圖3。從圖上反應出SWMMH模型在研究區(qū)模擬的產匯流過程與實際非常接近。

圖1 Qm～M關系曲線模擬結果

圖2 Qm～θ關系曲線模擬結果

圖3 M～θ關系曲線模擬結果

4.2 SWMMH模型的應用

從研究區(qū)13個縣的44條小流域河流的421場次洪水中抽取有面代表性的13場洪水進行出口洪峰流量的模擬演算。對有系列實測資料的洪水，場次選用多年最大洪峰流量值；對無系列實測資料，但有洪水調查資料的場次選用調查最大洪峰流量值。另外選用的降雨量數(shù)據為本條河流雨量監(jiān)測點數(shù)據或水文站兼測雨量數(shù)據(*標示)，而無水文雨量監(jiān)測點的采用當?shù)貧庀蟛块T提供的數(shù)據。

表2 演算出口洪峰流量與實測流量比較結果表

河道匯流洪峰流量的演算在SWMMH模型中可以通過輸送模塊或擴展的輸送模塊來模擬演算，采用對圣維南方程組(Saint-Venant)求解，演算過程中參數(shù)M與θ值采用表2數(shù)據。演算過程首先把河道分成若干個出口流量斷面，求出河道任意斷面的流量過程線，第一段出口的流量過程線與下一流量斷面口的入流過程線疊加以后的流量過程線便是下一流量斷面入流流量過程線，依此類推，便可演算至出口斷面洪峰流量。由于演算過程比較復雜，在此不做詳細過程，只給出演算結果。演算出的出口洪峰流量與實測洪峰流量比較結果見表2。從表2分析結果顯示：

(1)模擬計算的流量過程線與實測的流量過程線基本耦合，13場暴雨洪峰流量實測值和模擬值非常接近。其中小于100 m3/s的流量相對誤差在1.19%～3.14%之間，誤差相對較??；而對于大于100 m3/s的流量相對誤差在2.17%～7.54%之間，誤差相對較大。但從總體分析發(fā)現(xiàn)，相對誤差在1.77%～7.54%之間，完全滿足實際的工程設計洪水計算。

(2)13場雨洪峰流量模擬值出現(xiàn)的時間都比實測值出現(xiàn)的時間滯后，誤差較大。分析原因除了SWMMH模型本身存在局限性外，還有一些其他原因，如徑流的觀測誤差、洪水調查誤差、降雨量觀測誤差、流域下墊面條件變化和采用資料不太準確等。

(3)另外發(fā)現(xiàn)本模型對流域下墊面因素非常敏感，特別是參數(shù)M與θ值的取值，對模擬的結果影響較大。

5 結語

研究區(qū)13場洪水計算和模擬數(shù)據說明，SWMMH模型能夠適合甘南、臨夏州小流域河流的雨洪分析，而且模型的洪峰流量計算精度比較高，可以作為研究區(qū)工程建設、設計洪水計算的理論依據。當然，模型也存在一些問題，如對流域的地表、降雨和河道下墊面條件要求較高。另外，通過建立本模型在一定程度上彌補小流域雨洪資料缺乏的不足。隨著人類活動和下墊面因素的不斷改變，在選用本模型時，應考慮研究區(qū)實際對參數(shù)適當進行修正，即可滿足小流域規(guī)劃的要求和工程設計。

[1]胡志芳，王世鋒，潘興瑤.SWMM模型在洪水影響評價中的應用與分析.北京水務.2014.6.

[2]譚啟后，褚友良，張萬春.甘肅的水文分區(qū).甘肅水利水電技術.1990(2):53-545.

[3]陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪峰流量計算.水利電力出版社.1985.

[4]吳婉玲，謝華偉，陳曉東.特小流域暴雨洪水計算研究概況.浙江水利水電?？茖W校學報.(22)3.

[5]能源部，水利部.水利水電工程設計洪水計算手冊[M].北京:中國水利水電出版社.1995:349-363.

[6]孫阿麗.基于情景模擬的城市暴雨內澇風險評估[D].上海:華東師范大學.2011.

[7]王維新，周憲莊，張恭肅，等.華東地區(qū)特小流域洪水參數(shù)研究.水文.1989.4.

TV131

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1004-1184(2016)06-0001-03

2016-10-14

王漢卿(1981-)，男，甘肅會寧人，工程師，主要從事水文資料分析計算及水資源調查等工作。