基于HEC-HMS模型的溫榆河流域水文模擬

廖如婷 胡珊珊 杜龍剛 黃振芳

摘要：水文模擬對于流域防洪減災(zāi)、水資源規(guī)劃管理有重要的意義。將分布式水文模型HEC-HMS應(yīng)用到北京溫榆河流域，模擬該區(qū)域1980-2005年間6場暴雨洪水過程和1983-1995年日降雨徑流過程，評估HEC-HMS模型在模擬場次洪水和日徑流過程兩種時(shí)間尺度上的適用性。結(jié)果表明，場次洪水模擬的洪峰流量和洪量相對誤差均在20%以內(nèi)，峰現(xiàn)時(shí)差均不超過2 h，平均Nash效率系數(shù)為0.82，平均相關(guān)系數(shù)r為0.92;日徑流模擬率定期和驗(yàn)證期的平均Nash效率系數(shù)為0.6，平均相關(guān)系數(shù)r為0.78，平均相對誤差為3.95 %。分析結(jié)果表明，HEC-HMS模型在溫榆河流域的適用性較好，能夠有效模擬北方地區(qū)短時(shí)和長時(shí)降雨徑流過程，可用于該區(qū)域的洪水預(yù)報(bào)和水資源評價(jià)與管理。

關(guān)鍵詞：HEC-HMS模型;溫榆河流域;次洪模擬;日徑流模擬;參數(shù)率定

中圖分類號：TV121文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：[TP寥如婷.TIF]

Hydrological simulation of Wenyu River basin based on HEC-HMS model

LIAO Ruting1，2，HU Shanshan1，2，DU Longgang.3，HUANG Zhenfang.3

（1.College of Resource Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100048，China;2.Beijing Laboratory of Water Resources Safety，Capital Normal University，Beijing 100048，China;3.Beijing Hydrological Station，Beijing 100089，China）

Abstract：Hydrological simulation is important for flood hazard mitigation and water resources management.In this study，we adopted the distributed hydrological model HEC-HMS to simulate the flood events and daily runoff of the Wenyu River basin in Beijing，China.The model was calibrated and validated with the data of 6 storm events during 1980-2005 and daily stream flow during 1983-1995.The results showed that for all of the 6 floods，the relative errors of peak flow and runoff amount were less than 20%，and the peak time difference was within 2 h.The average Nash efficiency coefficient and average correlation coefficient r were 0.82 and 0.92，respectively.For the daily runoff simulation，the average Nash efficiency coefficient was 0.6，the average correlation coefficient r was 0.78，and the average relative error was 3.95%.Preliminary analysis showed that the HEC-HMS model applied well to the Wenyu River basin.It can effectively simulate the short-term and long-term rainfall and runoff processes in northern China，and can be used for flood forecast，water resources evaluation and management in this area.

Key words：HEC-HMS model;Wenyu River basin;flood simulation;daily runoff simulation;calibration

20世紀(jì)以來，隨著地[HJ2.15mm]理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，分布式水文模型成為水文水資源研究的有效手段。HEC-HMS是由美國陸軍兵團(tuán)水文工程中心 （Hydrologic Engineering Center） 開發(fā)的半分布式水文模型，因其物理機(jī)制明確、結(jié)構(gòu)簡單、能概化模擬流域的復(fù)雜下墊面特性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于不同國家和地區(qū)。國外學(xué)者們應(yīng)用HEC-HMS模型進(jìn)行了一系列流域水文相關(guān)的研究，在沙特阿拉伯Makkah[1-2]、印度Chenab[3]、伊朗Jafar-Abad[4]等流域模擬效果良好。此外，HEC-HMS模型評估城市化對洪水的影響研究在印度Thirusoolam[5]、斯里蘭卡Kelani[6]、沙特阿拉伯Jazan[7]、孟買Oshiwara[8]等流域取得了很大進(jìn)展。在國內(nèi)，HEC-HMS水文模型先后應(yīng)用于米塞、萬安流域[9]、晉江流域[10]、江河流域[11]、紫荊關(guān)流域[12]等，效果都較為理想。近些年，我國學(xué)者開始將HEC-HMS模型應(yīng)用于流域土地覆被變化的洪水響應(yīng)研究[13-14]、山洪預(yù)報(bào)[15-17]和長期徑流過程模擬[18-19]等方面，都取得了較好的研究結(jié)果。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，HEC-HMS模型目前主要應(yīng)用于流域洪水預(yù)報(bào)及下墊面變化影響分析，在流域長時(shí)間尺度的水資源模擬與管理中應(yīng)用較少。本文將HEC-HMS模型應(yīng)用到北京溫榆河流域，分別進(jìn)行場次洪水模擬和日徑流模擬，分析評價(jià)HEC-HMS模型在兩個(gè)時(shí)間尺度上的模擬效果，探討并總結(jié)HEC-HMS模型在北方城市化影響區(qū)域的適用性和局限性，為HEC-HMS模型在類似區(qū)域的應(yīng)用研究提供參考。

1研究區(qū)概況

溫榆河流域位于北京市北部，發(fā)源于燕山南麓，屬于海河流域的北運(yùn)河水系，全長約47.5 km，流域面積2 478 km.2[20]。本文選取溫榆河沙河閘水文站控制流域?yàn)檠芯繀^(qū)，匯水面積約1 099 km.2（圖1），其中山區(qū)（高程大于100 m）面積約708.3 km.2，占研究區(qū)面積的64.4 %;平原區(qū)面積約390.7 km.2，占35.6 %，跨北京市昌平、延慶和海淀三個(gè)區(qū)縣，20世紀(jì)80年代以來隨著北京衛(wèi)星城鎮(zhèn)的擴(kuò)展，流域內(nèi)的土地利用發(fā)生了明顯改變，建成區(qū)面積大大增加，目前已占到整個(gè)流域面積的19.5 %。流域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量為642.5 mm，降雨多集中在6月-9月，約占全年的84 %，多年平均蒸發(fā)量為1 815.5 mm （20 cm口徑蒸發(fā)皿），其中4月-6月占全年的42 %[21]。

2溫榆河流域HEC-HMS模型構(gòu)建

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

研究區(qū)DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)和Landsat遙感影像數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)[22]，空間分辨率均為30 m。DEM數(shù)據(jù)用于子流域的劃分和流域特征的提取，遙感影像用于解譯得到研究區(qū)土地利用類型，本文將研究區(qū)土地利用類型分為草地、耕地、林地、水域、建設(shè)用地和未利用地6大類。土壤數(shù)據(jù)是由南京土壤所提供的第二次全國土地調(diào)查1∶400萬土壤數(shù)據(jù)，主要土壤類型為褐土和黃壚土。通過查找土壤中黏粒、砂粒、有機(jī)質(zhì)等的含量，建立土壤類型屬性數(shù)據(jù)表。

研究區(qū)水文氣象資料主要來源于北京市水文總站，部分摘自歷年《海河流域水文資料（第3卷）》。水文氣象資料包括溫榆河流域上游1980-2005年間8個(gè)雨量站及流域出口沙河閘水文站的實(shí)時(shí)、日降雨徑流數(shù)據(jù)，其中流量數(shù)據(jù)根據(jù)沙河水庫水位庫容曲線反推入庫流量得到[23-24]。蒸發(fā)數(shù)據(jù)采用蘇莊站1980-2005年的20 cm蒸發(fā)皿日蒸發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2模型構(gòu)建

本文在HEC-HMS模型的擴(kuò)展模塊HEC-GeoHMS的支持下，依托ArcGIS軟件將研究區(qū)劃分為6個(gè)子流域，并提取子流域及河道的特征參數(shù)。HEC-HMS模型主要由流域模塊（Basin Model）、氣象模塊（Meteorological Model）、控制運(yùn)行模塊（Control Specifications）以及時(shí)間序列數(shù)據(jù)模塊（Time-series Data）組成。其中，流域模塊是對實(shí)際流域上降雨徑流過程的模型概化。本文根據(jù)降雨徑流的形成過程，將其劃分為降雨損失、直接徑流、基流和河道匯流四個(gè)部分，分別采用SCS-CN曲線法、SCS單位線法、指數(shù)退水法和馬斯京根法進(jìn)行計(jì)算。氣象模塊采用權(quán)重因子法對降雨數(shù)據(jù)分析處理，建立雨量站與各個(gè)子流域的地理關(guān)系?？刂七\(yùn)行模塊設(shè)定模擬計(jì)算的時(shí)間步長為1 h。時(shí)間序列數(shù)據(jù)模塊輸入研究區(qū)中相關(guān)站點(diǎn)的坐標(biāo)、雨量、流量以及蒸發(fā)等實(shí)測資料，為整個(gè)模型的模擬計(jì)算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文建立的模型中主要需要確定的參數(shù)為CN、流域滯時(shí)以及馬斯京根法中的蓄量常數(shù)K和流量比重X。其中，CN值根據(jù)研究區(qū)土地利用和土壤數(shù)據(jù)查表[25]計(jì)算得出。流域滯時(shí)、蓄量常數(shù)K和流量比重X則需要在已有流域、河道特征參數(shù)的基礎(chǔ)上計(jì)算，然后進(jìn)行參數(shù)率定確定。

2.3模型率定與驗(yàn)證

為了使建立的HEC-HMS模型模擬結(jié)果達(dá)到最優(yōu)，必須對模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。HEC-HMS模型提供了單變量梯度法（Univariate Gradient）與Nelder Mead法2種方法及七種目標(biāo)函數(shù)供用戶選擇，目標(biāo)函數(shù)包括峰值加權(quán)均方根誤差、洪峰流量百分比誤差和洪量百分比誤差等[26]。本文采用單變量梯度參數(shù)優(yōu)選法，并以峰值加權(quán)均方根誤差為目標(biāo)函數(shù)來進(jìn)行模型參數(shù)的優(yōu)化。

在驗(yàn)證過程中，選用洪峰流量相對誤差（Dv[WTBX]）、洪量相對誤差（Dp）、峰現(xiàn)時(shí)差（ΔT）、Nash效率系數(shù)（NSE）、相關(guān)系數(shù)（r）等5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行模擬精度評價(jià)。跟據(jù)SL250-2000《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[27]，洪峰流量相對誤差Dv和洪量相對誤差Dp在實(shí)測值的 20%以內(nèi)為合格;峰現(xiàn)時(shí)差ΔT的范圍為 3 h，其中Dv、Dp、ΔT的絕對值越小，表明模型的模擬精準(zhǔn)度越高;Nash效率系數(shù)NSE和相關(guān)系數(shù)r的范圍是0到1，值越大，表示模擬效果越好[28]。

3結(jié)果與分析

根據(jù)上述方法構(gòu)建溫榆河流域HEC-HMS模型，其中場次洪水模擬采用1980-2005年間的4場暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)對模型的參數(shù)進(jìn)行率定，2場暴雨洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證;日降雨徑流模擬采用1983-1988年的日徑流數(shù)據(jù)對模型的參數(shù)進(jìn)行率定，1990-1995年的日徑流數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1場次洪水模擬結(jié)果分析

從模擬結(jié)果可以看出（表1），在率定期和驗(yàn)證期這6場洪水中，洪峰流量相對誤差Dv和洪量相對誤差Dp基本上都控制在20%以內(nèi)，峰現(xiàn)時(shí)差ΔT均不超過2 h;相關(guān)系數(shù)r均大于0.85;率定期和驗(yàn)證期的平均Nash系數(shù)NSE為0.82。根據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（SL 250-2000）[27]，本文構(gòu)建的HEC-HMS模型次洪模擬結(jié)果比較理想。

結(jié)合實(shí)測與模擬流量過程對比圖（圖2）可以看出，模型對于峰高量大的單峰洪水模擬效果較好，洪號19880802、19940711和19980705這三場洪水的相關(guān)系數(shù)和Nash效率系數(shù)都在0.9左右，峰現(xiàn)時(shí)間上多表現(xiàn)為雨停峰現(xiàn)。洪號19860626和19940717模擬洪水過程與實(shí)測洪水過程誤差較大，分析其原因可能是受實(shí)測流量精度和時(shí)間步長影響，由于實(shí)測流量數(shù)據(jù)為經(jīng)過反推的入庫流量，與真實(shí)值之間可能存在一定誤差;且實(shí)測流量的時(shí)間步長不一致，模型中為線性插值結(jié)果，坦化了實(shí)際的流量過程線，導(dǎo)致局部模擬過程與實(shí)測過程相差較大。

3.2日徑流過程模擬結(jié)果分析

從表2中可以看出，率定期日徑流相關(guān)系數(shù)為0.74、Nash效率系數(shù)為0.55，相對誤差為-5.66 %，率定期日流量模擬效果較好，總體模擬值略低于實(shí)測值;驗(yàn)證期日徑流相關(guān)系數(shù)為0.81、Nash效率系數(shù)為0.65，相對誤差為2.23 %，表明驗(yàn)證期總體模擬值略高于實(shí)測值，且模擬效果較優(yōu)于率定期。

圖3和圖4分別為率定期和驗(yàn)證期的模擬與實(shí)測逐日流量過程線的比較，從圖中可以看出，日徑流模擬值與實(shí)測日流量過程線擬合程度較好，模擬效果整體令人滿意。部分日流量峰值模擬偏大，可能是由于流域內(nèi)水保措施的修建、人類活動(dòng)頻繁等多方面因素造成了徑流量減少。

4結(jié)論與討論

（1）本文利用研究區(qū)氣象、水文、土壤、土地利用數(shù)據(jù)，構(gòu)建了溫榆河流域HEC-HMS模型。通過對模型參數(shù)的不斷優(yōu)化與率定，場次洪水模擬的平均Nash效率系數(shù)為0.82，平均相關(guān)系數(shù)r為0.92;日徑流模擬的平均Nash效率系數(shù)為0.6，平均相關(guān)系數(shù)r為0.78。表明HEC-HMS模型能夠較為準(zhǔn)確的反映研究區(qū)的水文過程，具有較好的適用性。

（2）HEC-HMS模型對于場次洪水模擬和日降雨徑流模擬都具有較好的適用性，可以用于流域洪水預(yù)報(bào)和水資源評價(jià)與管理。

（3）流域內(nèi)高強(qiáng)度的人類活動(dòng)和下墊面改變導(dǎo)致的產(chǎn)匯流變化是影響模型模擬精度的重要原因，HEC-HMS模型在城市化地區(qū)的改進(jìn)是進(jìn)一步研究的方向。

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