李 立

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

洪水預(yù)報(bào)過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，其與降雨、蒸發(fā)、徑流及下墊面的情況均存在相關(guān)因素[1- 3]。為找出合適的模型應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)中，為防洪防災(zāi)措施的制定提供依據(jù)，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究。目前針對(duì)洪水預(yù)報(bào)模型主要分為集總式水文模型和分布式水文模型兩大類[4- 5]。與一般的傳統(tǒng)水文模型相比，HEC-HMS模型存在多種產(chǎn)流、匯流、基流以及河道洪水演進(jìn)的計(jì)算模塊，使得模型可廣泛應(yīng)用到濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)、干旱、半干旱地區(qū)，能夠模擬多種環(huán)境條件下流域的洪水過(guò)程[6- 7]。截止到目前，HEC-HMS模型已逐漸被廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于HEC-HMS模型的應(yīng)用已取得了一些進(jìn)展。Shahid等[8]在印度對(duì)HEC-HMS模型進(jìn)行了應(yīng)用，指出該模型的3個(gè)模塊可較全面反映水文過(guò)程，從而提高水文模擬的精度；趙永超等[9]在紫荊關(guān)流域基于HEC-HMS模型對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，指出模型在率定期的確定性系數(shù)在0.762～0.932之間，精度較高；吳建紅等[10]、劉洋等[11]均基于HEC-HMS模型進(jìn)行了洪水預(yù)報(bào)過(guò)程模擬，取得了較好的結(jié)果。

本文以甘肅省蘭州市為研究區(qū)域，基于HEC-HMS模型對(duì)洪水過(guò)程進(jìn)行模擬，分別采用2種不同的計(jì)算方法，綜合比較模型模擬精度，在驗(yàn)證HEC-HMS模型適用性的同時(shí)，找出最合理的參數(shù)率定方法，為洪水過(guò)程預(yù)報(bào)提供方法指導(dǎo)與理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 模型構(gòu)建

HEC-HMS模型主要通過(guò)將流域劃分為多個(gè)子流域，計(jì)算不同子流域的產(chǎn)流量，最后推求出整個(gè)流域的數(shù)值。模型主要分為流域模塊、控制運(yùn)行模塊和時(shí)間序列數(shù)據(jù)模塊3部分，將產(chǎn)流過(guò)程分為產(chǎn)流、匯流和洪水演算3個(gè)部分，采用2種方案來(lái)計(jì)算產(chǎn)流、匯流和洪水演算這3個(gè)過(guò)程。其中方案一：產(chǎn)流計(jì)算選用初損穩(wěn)滲法，匯流計(jì)算選用運(yùn)動(dòng)波法，河道洪水演算選用馬斯京根法；方案二：產(chǎn)流計(jì)算選用曲線法，匯流計(jì)算選用單位線法，河道匯流選用馬斯京根法，比較2種方案下的模型模擬結(jié)果，從中進(jìn)一步優(yōu)化HEC-HMS模型的計(jì)算精度，具體方法過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

1.2 模型驗(yàn)證

本文模型模擬結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用相對(duì)誤差(RE)、模型效率系數(shù)(Ens)和決定系數(shù)(R2)綜合分析精度，具體公式如下：

(1)

(2)

(3)

2 模型模擬精度結(jié)果

選取洪號(hào)為20100830，20110746，20130814的3場(chǎng)洪水進(jìn)行模型率定，選擇20110715，20120807，20130718的3場(chǎng)洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證，通過(guò)2種方法率定模型后，3場(chǎng)洪水的率定結(jié)果如圖1所示。

率定期和驗(yàn)證期不同次洪的模型模擬結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1、圖2和表1可以看出，HEC-HMS模型取得了精度較高的模擬結(jié)果。其中，方案二的模擬結(jié)果要明顯高于方案一，方案二模擬值的變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值基本一致，其洪峰流量的出現(xiàn)時(shí)間、徑流的形成過(guò)程均與實(shí)測(cè)值有較高的一致性。由表1可以看出，在統(tǒng)計(jì)的6場(chǎng)洪水中，依據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》[13]可知，方案一有4場(chǎng)洪水洪峰流量誤差在20%以下，合格率為66.7%，6場(chǎng)洪水模擬值的Ens在0.69～0.74之間，R2在0.68～0.76之間；方案二6場(chǎng)洪水洪峰流量和洪量的誤差均在20%以下，合格率為100%，6場(chǎng)洪水模擬值的Ens均在0.80以上，R2均在0.85以上，總體符合要求。綜上所述，采用方案一計(jì)算得出的模擬值精度明顯低于方案二，HEC-HMS分布式水文模型采用方案二時(shí)模擬精度較高，可清晰地模擬再現(xiàn)洪水過(guò)程。

圖1 率定期模型模擬結(jié)果

圖2 驗(yàn)證期模型模擬結(jié)果

洪號(hào)方案一方案二洪量RE/%洪峰流量RE/%EnsR2洪量RE/%洪峰流量RE/%EnsR22010083015.5212.220.720.7410.3311.320.850.8620110746-30.66-20.110.690.6813.136.690.870.8720130814-11.06-13.170.740.711.334.950.880.8920110715-11.02-4.220.720.728.68-1.070.870.9020120807-6.02-21.920.710.76-6.113.890.820.902013071830.36-13.280.700.745.482.840.890.91合格率統(tǒng)計(jì)66.7%66.7%0.710.73100%100%0.860.89

對(duì)模型涉及的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，可得出影響模型模擬洪峰流量精度的關(guān)鍵因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，模型共有樹冠截留量I、地表截留量W、土壤飽和含水率θs、土壤濕潤(rùn)鋒吸力Sf、土壤穩(wěn)定下滲率φ、流域滯時(shí)Lt、衰減系數(shù)RC、峰值比R、蓄量常數(shù)K和流量比重因子X(jué)共10個(gè)參數(shù)。采用Morris篩選法[14]，分別取驗(yàn)證期的3場(chǎng)洪水進(jìn)行演算，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，RC和R對(duì)洪峰流量為正敏感，其余參數(shù)均為負(fù)敏感，影響最大的因素為樹冠截留量，即樹冠截留量越大，洪峰流量越小。峰值比R、地表截留量W、衰減系數(shù)RC的影響次之，其余因素的敏感性較低。綜上所述，樹冠截留量是影響水文徑流洪峰流量最關(guān)鍵的因素。

表2 參數(shù)敏感系數(shù)取值

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)HEC-HMS模型模擬了整個(gè)水文徑流過(guò)程，得到了較好的模擬結(jié)果，分別采用了2種方法進(jìn)行模擬，確定了最優(yōu)方法與影響的關(guān)鍵因素，本文對(duì)今后模型的應(yīng)用和水文預(yù)測(cè)均提供了一定的理論依據(jù)。本文選擇了6場(chǎng)洪水進(jìn)行了驗(yàn)證，在今后的工作中，盡可能多地選擇一次代表性洪水進(jìn)行模型驗(yàn)證，同時(shí)可采用遺傳算法等方法優(yōu)化HEC-HMS模型，進(jìn)一步提高模型的模擬精度。