鄒 楊，胡國(guó)華?,于澤興,顧慶福,陳 肖,寧邁進(jìn)

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，410114,長(zhǎng)沙；2.湖南省水文水資源勘測(cè)局，410007,長(zhǎng)沙)

山丘區(qū)中小流域頻發(fā)的山洪災(zāi)害經(jīng)常造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展制約因素。暴雨洪水預(yù)報(bào)常用水文預(yù)報(bào)模型方法進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)的分布式水文模型已成為水文學(xué)科研究的重點(diǎn)。HEC-HMS(The Hydrologic Engineering Center′s-Hydrologic Modeling System)模型[1]由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)研發(fā)，是可用于模擬流域降雨徑流過(guò)程的半分布式水文模型。該模型既可模擬流域控制斷面的流量過(guò)程，又能計(jì)算任一產(chǎn)流單元出口的徑流過(guò)程，可用于無(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)中小流域的山洪預(yù)警預(yù)報(bào)[2]。HEC-HMS在國(guó)外應(yīng)用較早，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。陳芬等[3]采用修正的Morris篩選法對(duì)HEC-HMS模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，并在晉江流域建立洪水模擬分布式模型。雍斌等[4]在漢江褒河流域運(yùn)用HEC-HMS模型比較2種模擬方案的模擬結(jié)果，根據(jù)子流域面積的劃分，采用SCS曲線(xiàn)數(shù)法、Snyder單位線(xiàn)法、指數(shù)衰減基流模型、馬斯京根河道匯流演算模型這一模塊組合模擬結(jié)果較好。李燕等[5]將HEC-HMS模型應(yīng)用在簍子溝流域，模型模擬結(jié)果較好，考慮到水利建筑的影響，各子流域及河段可采用不同的計(jì)算模型。

武水流域山洪頻發(fā)，歷年來(lái)造成了較大經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，山洪災(zāi)害已成為流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素。本文基于DEM、遙感影像和土壤資料等，結(jié)合GIS技術(shù)推求流域水文參數(shù)，利用HEC-HMS模型對(duì)該流域不同年份場(chǎng)次洪水進(jìn)行模擬分析，開(kāi)展該流域洪水預(yù)報(bào)方案研究。

1 研究區(qū)概況

武水流域位于湖南省衡陽(yáng)市衡陽(yáng)縣境內(nèi)，武水系蒸水一級(jí)支流，湘江二級(jí)支流，全長(zhǎng)58 km，流域面積315 km2，歷年平均流量為2.74 m3/s，最大流量為519 m3/s。流域控制站為井頭江水文站，坐標(biāo)為E 112°08′10″，N 26°56′56″，控制站以上流域內(nèi)有4個(gè)雨量站，分別為大云站、井頭江站、唐公橋站和沅江沖站，流域地理位置及水文雨量站如圖1所示。井頭江水文站控制斷面以上流域面積170.07 km2。該流域地處亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，溫暖濕潤(rùn)。年平均氣溫17.9 ℃，年降水量1 270.1 mm，汛期為4—9月。地勢(shì)由盆地中心向四周逐級(jí)升高，呈扇貝形，海拔最高948 m，最低128 m。

圖1 武水流域位置及雨量站分布圖Fig.1 Distribution of location and rainfall stations in Wushui Basin

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.1 數(shù)字水系的提取

基于湖南省30 m精度的ASTERGDEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用Arcgis軟件中的HEC-GeoHMS拓展模塊，確定武水流域出口位置并且自動(dòng)劃分出9個(gè)子流域。提取包括河流長(zhǎng)度、坡度、高程、子流域面積、最長(zhǎng)水流路徑、子流域質(zhì)心點(diǎn)位置等流域特征，生成HMS文件，為模型提供流域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 HEC-HMS模型中武水流域整體框架Fig.2 Overall framework of the Wushui Basin in HEC-HMS model

2.2 土壤數(shù)據(jù)

從FAO網(wǎng)站下載的中國(guó)土壤柵格數(shù)據(jù)中切出武水流域的土壤數(shù)據(jù)。HEC-HMS采用美國(guó)水土保持局的土壤分類(lèi)系統(tǒng)，為適應(yīng)模型需要，將武水流域土壤類(lèi)型重新劃分為4類(lèi)，分類(lèi)依據(jù)見(jiàn)表1，得出流域的水文土壤組包括B、C組。

2.3 土地利用數(shù)據(jù)

利用Landsat的TM遙感影像解譯出武水流域2010年土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)。利用ArcGIS地理處理工具，裁剪出武水流域的土地利用圖(圖3)。把水文土壤類(lèi)型圖和土地利用覆被圖疊加，得到水文響應(yīng)單元(HRU)，每個(gè)HRU參照1個(gè)CN值，本文根據(jù)美國(guó)水土保持局的部分CN值，參照國(guó)內(nèi)一些研究[6-8]中所確定的地類(lèi)CN值，選定各地類(lèi)AMCII條件下的CN值。研究中水文土壤組按B組取值。運(yùn)用Arcgis軟件，以CN值為屬性，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，計(jì)算各子流域的CN平均值，計(jì)算公式為

表1 土壤類(lèi)型分類(lèi)依據(jù)Tab.1 Classification of soil types

圖3 2010年土地利用類(lèi)型圖Fig.3 Land-use map in 2010

土地利用類(lèi)型Land-usetype不透水率Impervioussurfacecoverage/%城鎮(zhèn)住宅區(qū)Urbanresidentialarea30農(nóng)村居民點(diǎn)Residentsinruralarea20林地Woodland0耕地Farmland3～5草地Grassland5裸土Bareland10水體Water100道路、水泥地Roadandcementground85

(1)

式中：CN為徑流曲線(xiàn)號(hào)碼；Ai為每個(gè)單一類(lèi)型的水文響應(yīng)單元的面積，km2；Ci為每個(gè)單一類(lèi)型響應(yīng)單元對(duì)應(yīng)的CN值。

不透水率估算：對(duì)各子流域單元，統(tǒng)計(jì)不同土地利用類(lèi)型的面積，計(jì)算其權(quán)重，與相應(yīng)不同土地利用類(lèi)型的不透水率相乘后再相加，即得到各個(gè)子流域的不透水率。

2.4 降水流量數(shù)據(jù)

降水和流量數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省水文水資源勘測(cè)局。將武水流域2000—2014年的降水和流量資料，利用可視化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)HEC-DSSvue[9]建立研究區(qū)雨量數(shù)據(jù)庫(kù)和流量數(shù)據(jù)庫(kù)。由于水文資料為時(shí)段觀測(cè)的累積雨量，時(shí)間步長(zhǎng)不規(guī)則，大多數(shù)觀測(cè)雨量時(shí)間間隔為1 h，但也存在3 h；因此，通過(guò)HEC-DSSvue的數(shù)學(xué)函數(shù)功能，將不規(guī)則時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間插值，轉(zhuǎn)換成規(guī)則的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，最終得到每場(chǎng)次降雨15 min積累雨量數(shù)據(jù)序列。在模型中選用反距離平方加權(quán)法將4個(gè)雨量站的點(diǎn)雨量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成流域面雨量數(shù)據(jù)分布于各子流域。

3 HEC-HMS模型

HEC-HMS水文模型主要由流域、氣象和控制3個(gè)模塊。該模型的計(jì)算思路是基于各子流域單元計(jì)算每一單元內(nèi)的產(chǎn)流量，通過(guò)坡面匯流和河道匯流，最后演算到流域出口斷面[10]。流域模型中每個(gè)子流域都包括降水損耗、直接徑流、基流和河道匯流4個(gè)模塊[11]。根據(jù)研究流域情況及計(jì)算目的，筆者采用SCS(Soil Consertation Service)徑流曲線(xiàn)法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，采用SCS單位線(xiàn)法計(jì)算直接徑流，利用馬斯京根法進(jìn)行河道匯流演進(jìn)，運(yùn)用指數(shù)退水模型模擬流域基流。

3.1 產(chǎn)流計(jì)算

SCS-CN模型，又稱(chēng)為SCS徑流曲線(xiàn)法。根據(jù)大量的流域?qū)嶒?yàn)結(jié)果分析，SCS建立了Ia與S的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為

Ia=0.2S。

(2)

式中：Ia為初級(jí)，mm；S為流域內(nèi)各洼地及土壤水分最大儲(chǔ)有量，mm。

最大持水量與流域特征之間的關(guān)系為

(3)

式中參數(shù)均采用國(guó)際單位制，CN值由前期數(shù)據(jù)處理得到，代入以上公式可得初始損失，作為參數(shù)初始值輸入模型。

3.2 匯流計(jì)算

匯流計(jì)算選用SCS單位線(xiàn)模型，需要輸入的參數(shù)為流域滯時(shí)，可由下式估算：

tpR=CCt(LLC)0.3。

(4)

式中：tpR為流域滯時(shí)，min；L為流域的干流長(zhǎng)度,m；Lc為流域中心至流域出口的距離，m；C為轉(zhuǎn)換常數(shù),C=0.75；Ct為流域停滯系數(shù)，通常取1.8～2.2。

利用ArcGIS工具提取每個(gè)子流域L和Lc值，代入上式將求出的的值作為初值輸入模型。

3.3 河道洪水演算

基于河段特征估計(jì)馬斯京根模型參數(shù)，可知K為洪水波在河段內(nèi)的傳播時(shí)間：

(5)

式中：K為槽蓄曲線(xiàn)坡度；ΔL為河段長(zhǎng)度，m；λ為轉(zhuǎn)換系數(shù)；Q0為初始基流量，m3/s；n為糙率系數(shù)。

河段數(shù)N可通過(guò)以下計(jì)算：

(6)

根據(jù)ArcGIS工具提取各河段長(zhǎng)度ΔL、河床比降S0，利用上述公式估算不同河段的馬斯京根模型參數(shù)初始值。

3.4 基流計(jì)算

指數(shù)退水模型認(rèn)為任一時(shí)刻t的基流流量Qt(m3/s)與初始值間的關(guān)系為：

Qt=Q0kt。

(7)

式中：Q0為初始基流量，m3/s；k為指數(shù)衰減常數(shù)。

各子流域初始基流量根據(jù)各洪水過(guò)程起漲前流量，并考慮土壤類(lèi)型和土地利用類(lèi)型，按流域進(jìn)行分配，作為初始值。選取流域出口洪水過(guò)程線(xiàn)的退水段初步計(jì)算退水常數(shù)，得出其范圍大致在0.8～0.95之間。

4 模型參數(shù)率定

根據(jù)上述方法計(jì)算初始值輸入模型，洪水模擬中需要率定的參數(shù)有：初始損失、基流日消退系數(shù)、馬斯京根K值和流量比重因子X(jué)。HEC-HMS模型中提供了兩種參數(shù)率定的方法，研究采用單變量梯度搜索法(Univarite-Gradient)，該方法將模型各模塊的參數(shù)初始值進(jìn)行疊代，最終得到參數(shù)修正值。采用HEC-HMS模型中的洪峰加權(quán)均方根法為目標(biāo)函數(shù)，控制參數(shù)率定誤差。結(jié)合手動(dòng)微調(diào)得到一套模擬結(jié)果較好的參數(shù)值。研究流域參數(shù)率定結(jié)果見(jiàn)表3及表4。

用研究流域2000—2008年9年間洪水資料進(jìn)行模擬參數(shù)率定的模擬，結(jié)果見(jiàn)表5。模擬結(jié)果表明，參數(shù)率定期武水流域17場(chǎng)洪水的模擬洪峰相對(duì)誤差的絕對(duì)值全部小于20%，合格率為100%。參數(shù)率定期流域的絕對(duì)平均峰現(xiàn)時(shí)差為0.55 h，絕對(duì)平均Nash系數(shù)(確定性系數(shù))為0.816。由此表明，該研究的數(shù)據(jù)綜合預(yù)處理的方法是合理可行的,水文模型估算的水文參數(shù)是準(zhǔn)確有效的，模型在武水流域的模擬效果良好。

表3 武水流域各子流域水文參數(shù)Tab.3 Hydrology parameters of different sub-basins in Wushui Basin

表4 武水流域河道匯流參數(shù)Tab.4 Parameters of concentration of river channel in Wushui Basin

表5 率定期的模擬結(jié)果Tab.5 Simulation results in ratio period

表6 驗(yàn)證期模型檢驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of model during validation period

注：峰現(xiàn)時(shí)差一欄，“-”表示模擬時(shí)間推后，“+”表示模擬時(shí)間提前。Notes:In the column of Time difference, “-” means that the simulation time delayed than measured time, “+” means the simulation time was ahead of measured time.

圖4 模型驗(yàn)證期模擬及實(shí)測(cè)流量過(guò)程線(xiàn)Fig.4 Simulated and measured flow process line during validation period

5 模型預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

采用率定得到的參數(shù)，選用2009—2014年6年間共10場(chǎng)洪水驗(yàn)證模型，模擬結(jié)果見(jiàn)表6及模擬流量過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖4。

從預(yù)報(bào)驗(yàn)證期總的模擬結(jié)果可以看出，研究流域驗(yàn)證期的10場(chǎng)洪水中，有9場(chǎng)洪峰相對(duì)誤差小于20%，合格率為90%。驗(yàn)證期流域的絕對(duì)平均峰現(xiàn)時(shí)差為0.45 h，絕對(duì)平均Nash系數(shù)(確定性系數(shù))為0.833。根據(jù)SD138—1985《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[12]，當(dāng)0.70≤確定系數(shù)≤0.90時(shí)，預(yù)報(bào)精度即達(dá)到乙等，模擬結(jié)果可用于作業(yè)預(yù)報(bào)。從流域出口洪水模擬過(guò)程線(xiàn)可看出，模型對(duì)單峰洪水模擬的總體效果較好，而對(duì)于多峰洪水(090228號(hào)、100417號(hào))的模擬總體效果相對(duì)較差。

6 結(jié)論

針對(duì)武水流域山洪預(yù)報(bào)問(wèn)題，基于遙感解譯、GIS技術(shù)提取流域下墊面地形、土地利用/土地覆被等信息，利用HEC-HMS降雨-徑流模型對(duì)流域內(nèi)的多場(chǎng)洪水進(jìn)行洪峰流量和峰現(xiàn)時(shí)間等洪水特征參數(shù)的預(yù)報(bào)。結(jié)果表明HEC-HMS模型可用于武水流域山洪預(yù)報(bào)工作。所得結(jié)論如下。

1)對(duì)武水流域2000—2008年的17場(chǎng)降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合土壤類(lèi)型、土地利用/土地覆被和水文地質(zhì)等情況確定模型產(chǎn)匯流參數(shù)并進(jìn)行參數(shù)率定，得到一組模擬結(jié)果較好的參數(shù)值，利用3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)定量分析了次洪模擬精度。17場(chǎng)洪水模擬合格率達(dá)到了100%，絕對(duì)平均Nash系數(shù)為0.816，表明率定出的水文參數(shù)準(zhǔn)確有效，HEC-HMS模型在武水流域模擬結(jié)果良好。

2)模型驗(yàn)證期的10場(chǎng)洪水中，洪峰流量相對(duì)誤差在20%以?xún)?nèi)的占90%，峰現(xiàn)時(shí)差均在1 h以?xún)?nèi)，Nash系數(shù)均在0.7以上，模擬結(jié)果較好。其中090228號(hào)和100417號(hào)洪水為多峰洪水，由于多峰洪水降雨徑流過(guò)程復(fù)雜，模擬時(shí)間較長(zhǎng)，故其模擬效果稍差。

3)從模擬結(jié)果來(lái)看，洪水過(guò)程模擬值與觀測(cè)值較為吻合，但也存在偏差。雖選用了27場(chǎng)次洪，但降雨資料的代表性仍不足，在今后研究中需要進(jìn)一步收集更為典型的降雨資料進(jìn)行分析，以利于提高模型預(yù)報(bào)精度。

4)運(yùn)用率定出的參數(shù)進(jìn)行模擬，整體來(lái)說(shuō)模擬精度較好，但參數(shù)率定也存在一定的誤差，受武水流域遙感影像精度影響，其土地利用類(lèi)型分辨率精度一般，故SCS法中CN值的選取及率定均存在誤差，同時(shí)，模擬過(guò)程中也存在“異參同效”及“一參多效”的情況，這些因素對(duì)洪水預(yù)報(bào)精度產(chǎn)生一定影響，需進(jìn)一步完善參數(shù)率定的準(zhǔn)確性，使得參數(shù)能夠更準(zhǔn)確的反映各子流域在空間中的變異情況。

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