王漢卿

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)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(yīng)用

王漢卿

(甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500)

以甘南、臨夏州13個(gè)縣小流域河流為研究對(duì)象，選取1949～2015年的761場(chǎng)次歷年洪水調(diào)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(zāi)害歷史洪水調(diào)查資料,篩選出符合標(biāo)準(zhǔn)的421場(chǎng)次洪水，模擬構(gòu)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(jìn)行洪峰流量的模擬驗(yàn)證，模擬結(jié)果表明本模型可以為研究區(qū)工程建設(shè)、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供理論依據(jù)。

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(jìn)行洪水計(jì)算，這在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著重要意義。小流域洪水計(jì)算有很多方法，而往往在小流域中很少設(shè)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(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水，但這些方法大都存在應(yīng)用的局限性。本論文構(gòu)建SWMMH模型，以甘南、臨夏地區(qū)小流域?yàn)楸尘?，選擇不超過(guò)200 km2的小流域河流為研究對(duì)象，目的是研究和總結(jié)小流域資料處理的原則、方法，為當(dāng)?shù)厮块T在防災(zāi)減災(zāi)、工程建設(shè)及開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目中推求設(shè)計(jì)洪水提供一種新的方法。

1 SWMMH模型簡(jiǎn)介

SWMMH模型[1]最早于1971年由美國(guó)環(huán)境保護(hù)總署開(kāi)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(zhì)狀況。本模型經(jīng)過(guò)數(shù)次的修改、完善和升級(jí)，目前SWMMH模型已經(jīng)發(fā)展到5.0版本，該模型包括標(biāo)題(備注)、選項(xiàng)、氣候、水文模塊、水利模塊、水質(zhì)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(jù)編輯、水文和水利過(guò)程模擬、水質(zhì)模擬以及豐富的結(jié)果表達(dá)形式等功能，并廣泛應(yīng)用于城市雨水管理、排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、洪水設(shè)計(jì)計(jì)算、環(huán)境保護(hù)及生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等領(lǐng)域。

2 研究區(qū)概況

依據(jù)《甘肅的水文分區(qū)》[2]劃分標(biāo)準(zhǔn)，全省共劃分為9個(gè)分區(qū)和10個(gè)子區(qū)。本次依據(jù)諸多水文指標(biāo)綜合效應(yīng)時(shí)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(nèi)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(diǎn)是樹(shù)木草叢極少，土石外露，植被很差，水土流失特別嚴(yán)重，水質(zhì)較差。遇暴雨易產(chǎn)生洪水，挾帶大量的泥沙匯入河道，是洮河的主要產(chǎn)沙區(qū)。

Ⅱ區(qū)地勢(shì)高亢，海拔在3 000～4 000m之間，屬高寒濕潤(rùn)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(rùn)的高原氣候，表現(xiàn)為夏季短促，冬季漫長(zhǎng)，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(zāi)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(chǎng)次洪水調(diào)查系列資料。并且按照2014～2015年《甘肅省山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)》工作任務(wù)和技術(shù)要求，對(duì)44條有區(qū)域代表性的典型小流域溝道進(jìn)行了歷史洪水調(diào)查。

3.2 洪水資料篩選

本論文對(duì)收集的洪水資料進(jìn)行了篩選分析。另外對(duì)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(chǎng)次予以刪除，確定出符合標(biāo)準(zhǔn)的洪水場(chǎng)次，并且按不同的流域面積分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)實(shí)用性。從研究區(qū)選取的小河流特征來(lái)看，10≤F<50的洪水共122場(chǎng)次，占分析洪水場(chǎng)次的29.0%； 50≤F<100的洪水共159場(chǎng)次，占分析洪水場(chǎng)次的37.8%； 100≤F<200的洪水共140場(chǎng)次，占分析洪水場(chǎng)次的33.2%?？偟暮樗?61場(chǎng)次，符合標(biāo)準(zhǔn)的分析洪水421場(chǎng)次，分析洪水場(chǎng)次占總洪水場(chǎng)次的55.3%。

(2)可靠性。采用資料系列較長(zhǎng)、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(zhǎng)，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(zhì)和地貌條件；總計(jì)分析洪水278場(chǎng)次，占分析洪水場(chǎng)次的66.0%。2區(qū)屬于半濕潤(rùn)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(jì)分析洪水143場(chǎng)次，占分析洪水場(chǎng)次的34.0%。

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

4 SWMMH模型的構(gòu)建與應(yīng)用

4.1 SWMMH模型的構(gòu)建

依據(jù)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(wǎng)分布圖，并考慮SWMMH模型構(gòu)建的原則，經(jīng)點(diǎn)雨量系統(tǒng)概化為面雨量、主要產(chǎn)匯流區(qū)劃分、出口洪水量及參數(shù)率定等構(gòu)建SWMMH模型。

研究區(qū)內(nèi)主要水文站(包括水位站)44站，雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)70站，蒸發(fā)監(jiān)測(cè)點(diǎn)16站。依據(jù)ArcGIS10.0數(shù)字高清圖、研究區(qū)站網(wǎng)的布設(shè)、氣候特征等情況綜合，整個(gè)研究區(qū)概化為2個(gè)分區(qū)、26個(gè)主要產(chǎn)流區(qū)和44個(gè)小流域出水口洪水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)研究區(qū)以縣為單位進(jìn)行概化統(tǒng)計(jì)特征值，包括對(duì)流域面積F、河長(zhǎng)L、坡降J、洪峰流量Qm進(jìn)行平均概化處理。

SWMMH模型過(guò)程模擬主要包括降雨徑流，產(chǎn)匯流計(jì)算采用Horton公式，模擬產(chǎn)匯流計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為100 s，演算過(guò)程選用動(dòng)態(tài)波模型。參數(shù)主要分為測(cè)量參數(shù)與率定參數(shù)[6]，測(cè)量參數(shù)數(shù)據(jù)都可借鑒原先實(shí)測(cè)資料、文獻(xiàn)記載來(lái)設(shè)置。本研究模型測(cè)量參數(shù)取值主要基于水文、工程特性數(shù)據(jù)、研究區(qū)域的下墊面特征以及SWMMH模型用戶手冊(cè)，同時(shí)借助ArcGIS10.0軟件來(lái)確定完成。另外，率定參數(shù)則是模型需要校準(zhǔn)的參數(shù)，包括產(chǎn)流區(qū)的M值和θ值[7]，特征值模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 小流域產(chǎn)流區(qū)M值和θ值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表1數(shù)據(jù)，綜合分析發(fā)現(xiàn)M、θ的計(jì)算值和模型取值誤差相當(dāng)小，而從分區(qū)來(lái)看M值在研究區(qū)明顯成2個(gè)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(gè)分區(qū)洪水(或匯流速度)的特性和變化規(guī)律不同。但θ計(jì)算值和模型取值之間關(guān)系復(fù)雜，沒(méi)有明顯的規(guī)律可循。另外通過(guò)建立Qm～M、Qm～θ和M～θ關(guān)系曲線模擬，模擬耦合結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2、圖3。從圖上反應(yīng)出SWMMH模型在研究區(qū)模擬的產(chǎn)匯流過(guò)程與實(shí)際非常接近。

圖1 Qm～M關(guān)系曲線模擬結(jié)果

圖2 Qm～θ關(guān)系曲線模擬結(jié)果

圖3 M～θ關(guān)系曲線模擬結(jié)果

4.2 SWMMH模型的應(yīng)用

從研究區(qū)13個(gè)縣的44條小流域河流的421場(chǎng)次洪水中抽取有面代表性的13場(chǎng)洪水進(jìn)行出口洪峰流量的模擬演算。對(duì)有系列實(shí)測(cè)資料的洪水，場(chǎng)次選用多年最大洪峰流量值；對(duì)無(wú)系列實(shí)測(cè)資料，但有洪水調(diào)查資料的場(chǎng)次選用調(diào)查最大洪峰流量值。另外選用的降雨量數(shù)據(jù)為本條河流雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)或水文站兼測(cè)雨量數(shù)據(jù)(*標(biāo)示)，而無(wú)水文雨量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采用當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的數(shù)據(jù)。

表2 演算出口洪峰流量與實(shí)測(cè)流量比較結(jié)果表

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

(1)模擬計(jì)算的流量過(guò)程線與實(shí)測(cè)的流量過(guò)程線基本耦合，13場(chǎng)暴雨洪峰流量實(shí)測(cè)值和模擬值非常接近。其中小于100 m3/s的流量相對(duì)誤差在1.19%～3.14%之間，誤差相對(duì)較??；而對(duì)于大于100 m3/s的流量相對(duì)誤差在2.17%～7.54%之間，誤差相對(duì)較大。但從總體分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)誤差在1.77%～7.54%之間，完全滿足實(shí)際的工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。

(2)13場(chǎng)雨洪峰流量模擬值出現(xiàn)的時(shí)間都比實(shí)測(cè)值出現(xiàn)的時(shí)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(cè)誤差、洪水調(diào)查誤差、降雨量觀測(cè)誤差、流域下墊面條件變化和采用資料不太準(zhǔn)確等。

(3)另外發(fā)現(xiàn)本模型對(duì)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(duì)模擬的結(jié)果影響較大。

5 結(jié)語(yǔ)

研究區(qū)13場(chǎng)洪水計(jì)算和模擬數(shù)據(jù)說(shuō)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(jì)算精度比較高，可以作為研究區(qū)工程建設(shè)、設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的理論依據(jù)。當(dāng)然，模型也存在一些問(wèn)題，如對(duì)流域的地表、降雨和河道下墊面條件要求較高。另外，通過(guò)建立本模型在一定程度上彌補(bǔ)小流域雨洪資料缺乏的不足。隨著人類活動(dòng)和下墊面因素的不斷改變，在選用本模型時(shí)，應(yīng)考慮研究區(qū)實(shí)際對(duì)參數(shù)適當(dāng)進(jìn)行修正，即可滿足小流域規(guī)劃的要求和工程設(shè)計(jì)。

[1]胡志芳，王世鋒，潘興瑤.SWMM模型在洪水影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用與分析.北京水務(wù).2014.6.

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

[3]陳家琦，張恭肅.小流域暴雨洪峰流量計(jì)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(jì)算研究概況.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).(22)3.

[5]能源部，水利部.水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)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(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D].上海:華東師范大學(xué).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.

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1004-1184(2016)06-0001-03

2016-10-14

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