李 立

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，甘肅 蘭州 730000)

洪水預(yù)報過程是一個十分復(fù)雜的過程，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)報中，為防洪防災(zāi)措施的制定提供依據(jù)，國內(nèi)外已進(jìn)行了大量的研究。目前針對洪水預(yù)報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)的計算模塊，使得模型可廣泛應(yīng)用到濕潤、半濕潤、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程[6- 7]。截止到目前，HEC-HMS模型已逐漸被廣泛應(yīng)用。

國內(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HEC-HMS模型進(jìn)行了應(yīng)用，指出該模型的3個模塊可較全面反映水文過程，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模型對水文過程進(jìn)行了驗證，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)報過程模擬，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模型對洪水過程進(jìn)行模擬，分別采用2種不同的計算方法，綜合比較模型模擬精度，在驗證HEC-HMS模型適用性的同時，找出最合理的參數(shù)率定方法，為洪水過程預(yù)報提供方法指導(dǎo)與理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 模型構(gòu)建

HEC-HMS模型主要通過將流域劃分為多個子流域，計算不同子流域的產(chǎn)流量，最后推求出整個流域的數(shù)值。模型主要分為流域模塊、控制運行模塊和時間序列數(shù)據(jù)模塊3部分，將產(chǎn)流過程分為產(chǎn)流、匯流和洪水演算3個部分，采用2種方案來計算產(chǎn)流、匯流和洪水演算這3個過程。其中方案一：產(chǎn)流計算選用初損穩(wěn)滲法，匯流計算選用運動波法，河道洪水演算選用馬斯京根法；方案二：產(chǎn)流計算選用曲線法，匯流計算選用單位線法，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模型的計算精度，具體方法過程見文獻(xiàn)[12]。

1.2 模型驗證

本文模型模擬結(jié)果評價指標(biāo)體系采用相對誤差(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

選取洪號為20100830，20110746，20130814的3場洪水進(jìn)行模型率定，選擇20110715，20120807，20130718的3場洪水進(jìn)行模型驗證，通過2種方法率定模型后，3場洪水的率定結(jié)果如圖1所示。

率定期和驗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與實測值基本一致，其洪峰流量的出現(xiàn)時間、徑流的形成過程均與實測值有較高的一致性。由表1可以看出，在統(tǒng)計的6場洪水中，依據(jù)GB/T 22482—2008《水文情報預(yù)報規(guī)范》[13]可知，方案一有4場洪水洪峰流量誤差在20%以下，合格率為66.7%，6場洪水模擬值的Ens在0.69～0.74之間，R2在0.68～0.76之間；方案二6場洪水洪峰流量和洪量的誤差均在20%以下，合格率為100%，6場洪水模擬值的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模擬精度較高，可清晰地模擬再現(xiàn)洪水過程。

圖1 率定期模型模擬結(jié)果

圖2 驗證期模型模擬結(jié)果

洪號方案一方案二洪量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66.7%66.7%0.710.73100%100%0.860.89

對模型涉及的各個參數(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，模型共有樹冠截留量I、地表截留量W、土壤飽和含水率θs、土壤濕潤鋒吸力Sf、土壤穩(wěn)定下滲率φ、流域滯時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共10個參數(shù)。采用Morris篩選法[14]，分別取驗證期的3場洪水進(jìn)行演算，結(jié)果見表2。由表2可以看出，RC和R對洪峰流量為正敏感，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

本文通過HEC-HMS模型模擬了整個水文徑流過程，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，本文對今后模型的應(yīng)用和水文預(yù)測均提供了一定的理論依據(jù)。本文選擇了6場洪水進(jìn)行了驗證，在今后的工作中，盡可能多地選擇一次代表性洪水進(jìn)行模型驗證，同時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。