HEC-HMS模型在缺資料地區(qū)山洪預(yù)報的應(yīng)用研究

邢子康 ，馬苗苗 ，文 磊 ，劉昌軍 ，呂 娟 ，蘇志誠

（1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；4.中國水利水電科學(xué)研究院 防洪抗旱減災(zāi)研究所，北京 100038）

1 研究背景

山丘區(qū)洪水具有流速快、流量大、暴漲暴落等特點，導(dǎo)致了山洪災(zāi)害突發(fā)性強，破壞力大。同時，山丘區(qū)小流域情況復(fù)雜，影響因素多，加上水文觀測基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后，水文觀測資料缺少，加大了山丘區(qū)水文預(yù)報的難度［1］。目前，國內(nèi)外常用的山洪預(yù)報方法有兩種：基于分布式水文模型的山洪過程預(yù)報和基于臨界雨量閾值的山洪預(yù)警［2］。其中臨界雨量法依賴于通過水位/流量反推法、比擬法和水動力學(xué)法等來獲取小流域臨界雨量，缺少產(chǎn)流機制的描述和分析，不能描述山洪災(zāi)害的全過程。分布式水文模型考慮了降水和下墊面的空間變異性，可以更好地利用GIS、遙感等技術(shù)獲取的空間信息來描述從降雨到徑流的過程機理，在缺資料地區(qū)山洪預(yù)報中起到了關(guān)鍵作用。

應(yīng)用分布式水文模型進行缺資料流域山洪預(yù)報的難點在于沒有長序列水文數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定。Foody等［3］基于經(jīng)驗SCS曲線和馬斯京根法的半分布式水文模型構(gòu)建了無資料流域山洪預(yù)報方案，其參數(shù)直接通過地形和植被覆蓋數(shù)據(jù)獲取；Vieux等［4］指出，基于Green-Ampt下滲理論的水文模型可很好地描述山洪的水文過程。

本文在HEC-HMS（The Hydrological Engineering Center’s Hydrological Modeling System）模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS、RS技術(shù)，研究缺資料流域的山洪預(yù)報方法。HEC-HMS模型是美國陸軍工程兵團開發(fā)的具有物理概念的半分布式降雨徑流模型，在國外已有廣泛的應(yīng)用［5］。HEC-HMS可以根據(jù)流域特性選擇適宜的模塊和計算方法進行洪水過程模擬，并結(jié)合GIS技術(shù)，由流域土壤覆蓋、土地利用等下墊面信息直接推求模型參數(shù)，對缺乏水文觀測資料的山丘區(qū)小流域洪水預(yù)報有很強的適用性［6］。本文在HEC-HMS模型的靈活建模框架基礎(chǔ)上，選取Green-Ampt下滲模塊、SCS單位線模塊和運動波模塊構(gòu)建模型，基于DEM、土壤覆蓋、土地利用等下墊面信息提取參數(shù)，建立山洪預(yù)報模型，并對研究區(qū)典型洪水場次進行模型驗證，檢驗了模型在缺資料地區(qū)山洪預(yù)報的可行性。

本文主要針對缺少歷史徑流資料，但是有土壤、地形、土地利用等基本下墊面信息的缺資料流域進行研究。

2 研究區(qū)概況

陽泉市位于山西省東部，地形地貌復(fù)雜，降水集中，歷史上曾多次發(fā)生洪災(zāi)［7］。桃河是縱貫陽泉市區(qū)的主要河流，屬海河流域子牙河水系，流域總面積1313 km2，河長96 km。本文選取陽泉水文站（東經(jīng) 113°33′8.80″，北緯 37°51′52.60″）上游流域為研究區(qū)域，流域面積為 484 km2。流域內(nèi)有 2 個水文站（陽泉站和舊街站）以及7個雨量站。流域內(nèi)洪水主要由上游山區(qū)暴雨形成，洪水陡漲陡落，持續(xù)時間短，具有典型的山洪特征［8］。

陽泉小流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨集中在夏秋季（6—10月），約占全年的75%。

流域多年平均降水量為560.1 mm，最大年降水量866.4 mm（1964年）。流域內(nèi)有山南水庫，屬小（1）型水庫，建成后基本未泄水，對水文序列一致性影響不大［9］。

流域地貌主要是丘陵山地，海拔西高東低，高程范圍在671～1463 m之間（圖1（a））。土地利用類型主要為草地、灌木林地和坡耕旱地（圖1（b）），植被覆蓋率達70%。土壤類型主要以壤土、砂壤土和砂黏土為主，壤土主要分布在山間谷地，黏土主要分布在高山區(qū)和流域出口處（圖1（c））。

圖1 研究區(qū)基本信息

3 數(shù)據(jù)來源及處理

基于30 m精度的DEM數(shù)據(jù)，采用HEC-GeoHMS拓展模塊，對流域DEM進行前處理，包括填洼、提取坡度、匯流量、河網(wǎng)水系和最長匯流路徑等，并劃分出水文響應(yīng)單元（HRU），控制響應(yīng)單元的平均面積約為10 km2（圖1（d））。最后得到小流域各水文響應(yīng)單元的地形及河流特征參數(shù)。

本文收集了1970—2015年陽泉站、舊街站的流量系列及流域內(nèi)雨量站的雨量系列，時間分辨率為小時，從中篩選出14場典型洪水場次。采用數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)HEC-DSSvue建立了小流域觀測雨量和流量數(shù)據(jù)庫，利用反距離平方加權(quán)法，將站點雨量轉(zhuǎn)化為面雨量輸入到各子流域中。

4 山洪模型構(gòu)建

HEC-HMS是一個靈活的建?？蚣?，可以針對不同的水文過程選擇不同的模塊，從而構(gòu)建合適的模型。這些水文過程包括：冠層截流、地表截流、降雨損失、直接徑流、基流、河道匯流和河道損失/補給等［10］。

由于山洪預(yù)報的特點和缺資料地區(qū)的局限性，構(gòu)建預(yù)報方案應(yīng)盡量簡化模型結(jié)構(gòu)，采用參數(shù)易獲取的計算模塊。不要求精細化模擬每個水文過程，只要快速準(zhǔn)確模擬洪峰、洪量和峰現(xiàn)時間?；谶@個原則，本文選取了Green-Ampt方法進行產(chǎn)流計算，SCS單位線法進行直接徑流計算，運動波方法進行河道匯流計算，冠層截流、基流等過程在建模過程中進行了省略。選取模塊的參數(shù)大部分可以直接從下墊面信息和HRU的幾何特征進行提取，不依賴實測資料的率定。

4.1 產(chǎn)流計算 產(chǎn)流計算選用Green-Ampt方法，該模塊可計算出每個時間步長在透水地表的降雨損失。需要的參數(shù)有土壤初始含水量、飽和土壤含水量、濕潤鋒水吸力、飽和水力傳導(dǎo)度和不透水面積比。

式中：ft為t期間的降雨下滲損失；K為土壤飽和水力傳導(dǎo)率；(φ -θi)為土壤水分虧缺；Sf為濕潤鋒水吸力；Ft為時段t的累積損失。

其中飽和土壤含水量、濕潤鋒水吸力、飽和水力傳導(dǎo)度等參數(shù)可以根據(jù)子流域的土壤覆蓋來確定，不透水面積可以根據(jù)土地利用類型來確定，初始土壤含水量在場次模擬中需要通過實測徑流量進行率定，但是在長期滾動預(yù)報中，可以通過設(shè)置預(yù)熱期的方式解決。表1、表2給出了下墊面土壤和土地利用與重要產(chǎn)流參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系［11］，采用面積加權(quán)的方法來計算各子流域的產(chǎn)流模塊參數(shù)。

4.2 匯流計算 匯流計算采用SCS單位線方法，SCS單位線是一個單峰的單位線，其峰值UP和峰現(xiàn)時間TP滿足以下關(guān)系［12］：

表1 土地利用類型與產(chǎn)流參數(shù)對照

表2 土壤類型與產(chǎn)流參數(shù)對照

式中：A為子流域面積；C為單位轉(zhuǎn)換常數(shù)，采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位制時為2.08。

SCS單位線引入子流域洪峰滯時tlag來描述凈雨歷時Δt與單位線峰現(xiàn)時間TP的關(guān)系，表達式為：

需要輸入的參數(shù)是子流域洪峰滯時，采用下式計算：

式中：L為流域的干流長度；LC為流域中心至流域出口的距離；C為轉(zhuǎn)換常數(shù)，采用國際單位制時取0.75；Ct為停滯系數(shù)，通常取1.8～2.2。

L和LC均可在模型前期預(yù)處理時通過HEC-GeoHMS拓展模塊提取，代入上式即可求出滯時，進而推求出SCS單位線。

4.3 河道洪水計算 河道洪水演算采用運動波，運動波假定水面坡度與河床坡度一致，簡化了圣維南方程組［13］。該模塊需要的參數(shù)為河流長度、坡降、曼寧糙率、斷面形狀、底寬和邊坡坡降。運動波的參數(shù)都是基于物理過程的，幾何參數(shù)可以在流域河流提取時通過HEC-GeoHMS拓展模塊獲取，糙率可以根據(jù)河道材質(zhì)查表得到，不需要依賴實測資料的率定。

示例流域共劃分了53個HRU，采用上述方法，提取了每個HRU的產(chǎn)匯流模塊所需參數(shù)，其中主要參數(shù)如表3所示。

5 結(jié)果分析

本文利用流域下墊面信息確定參數(shù)初始值，輸入模型，利用實測流量數(shù)據(jù)進行部分參數(shù)率定，需要率定的參數(shù)為初始土壤含水量。選取8場典型洪水過程，采用Nash系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，選用單變量梯度搜索算法進行參數(shù)率定。采用另外6場典型洪水過程對缺資料山洪預(yù)報模型進行驗證，結(jié)果見表4。

模擬結(jié)果顯示，14場洪水中，洪峰相對誤差均小于20%，峰現(xiàn)時差的絕對平均值為0.38 h，平均納什效率為0.862，達到了山洪預(yù)報的技術(shù)要求。本文提出的模型結(jié)構(gòu)和基于下墊面信息的參數(shù)提取方法，僅初始含水量一個參數(shù)依賴實測徑流資料的率定，且可以通過設(shè)置預(yù)熱期來避免率定過程，其他參數(shù)的模擬效果達到了精度要求，可應(yīng)用于缺資料山丘小流域的徑流預(yù)測。

圖2為驗證期舊街站和陽泉站各洪水場次的實測和模擬流量過程。結(jié)果顯示，19830511、19830629、19900711三場洪水降雨集中，歷時短，洪峰陡漲陡落，模型模擬效果最佳；19820802、19880805這兩場洪水降雨持續(xù)時間較長，流域退水速度相對較慢，峰現(xiàn)時間的模擬值比實測值短，洪水起漲和退水過程模擬的偏差相對較大。原因可能是匯流模塊所選用的SCS單位線本身是陡漲陡落型的曲線，對于速度較慢的洪水過程模擬效果相對較差；同時，模型沒有考慮基流，而退水階段流域地下水對河道徑流會有一定的補給，所以退水時的流量往往比實測值低。多峰洪水19830728的洪峰模擬誤差較大，兩個洪峰的峰現(xiàn)時間模擬不準(zhǔn)確，在參數(shù)率定過程中也存在同樣的問題，多峰洪水的參數(shù)率定難度比單峰洪水要大。這和SCS單位線自身的單峰特性有密切的聯(lián)系。

表4 典型洪水場次模擬結(jié)果

圖2 驗證期模擬及實測流量過程

6 結(jié)論

（1）本文基于HEC-HMS的靈活建?？蚣埽x取基于物理過程且參數(shù)易獲取的Green-Ampt產(chǎn)流模塊，SCS單位線模塊，運動波河道匯流模塊建立了水文模型，結(jié)合DEM和流域下墊面資料提取了產(chǎn)匯流參數(shù)并利用典型洪水過程進行了模型驗證。結(jié)果顯示，所選的模擬方案和模型參數(shù)提取方法模擬效果較好，達到了山洪預(yù)報的業(yè)務(wù)要求，驗證了該方法在缺資料地區(qū)山洪預(yù)報中的可行性。

（2）本模型產(chǎn)流模塊的初始土壤含水量對峰現(xiàn)時間有一定影響，需要根據(jù)實測資料率定或通過設(shè)置預(yù)熱期來消除初始土壤含水量的影響；其他參數(shù)可以從流域地形、土壤、土地利用等下墊面信息中獲取，參數(shù)率定對結(jié)果的提升不明顯。

（3）結(jié)果顯示，對于單峰型、起漲和退水速度快的洪水過程，本文提出的模型模擬效果較好，對于速度較慢或多峰的洪水過程，參數(shù)率定的難度較大，模型模擬的效果稍差。

（4）解決缺資料地區(qū)的山洪預(yù)報問題，需要重點考慮山丘區(qū)洪水速度快、來勢猛、預(yù)見期短的特點，突出地表快速產(chǎn)流、地表徑流和河道匯流的模擬，對于速度較慢的壤中流、地下徑流可以弱化，對蒸發(fā)、植被截留等模塊可以省略。選取計算方法時也要考慮參數(shù)獲取的難易，由于山丘區(qū)小流域往往缺少可用于參數(shù)率定的水文資料，所以簡單有效的計算方法和模型結(jié)構(gòu)往往更適合山洪的模擬。