張慶和，鄭 重

（浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052）

1 引言

受到地形因素、海陸分布、高程、緯度等因素的影響，水在地球的具體分布極不均勻[1]。盡管河流中的水占地球總水量的不足千分之一，但水的微小變動(dòng)容易引起巨大的自然災(zāi)害。山洪災(zāi)害則是由于暴雨、冰雪、工程設(shè)施潰決等多種因素影響，在山區(qū)沿河流等形成的暴漲暴落的洪水，同時(shí)這種災(zāi)害往往會(huì)引起滑坡、泥石流等次生災(zāi)害[2]。因而，研究山洪的發(fā)生規(guī)律，盡可能減少非工程性的山洪災(zāi)害帶來(lái)的損失是研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一[3]。業(yè)界專家逐漸引入水文模型進(jìn)行流域山洪災(zāi)害防御工作，水文模型從傳統(tǒng)的集總式模型逐漸向分布式模型，再到耦合型模型轉(zhuǎn)變，一方面體現(xiàn)出水文模型向復(fù)雜、多樣、實(shí)用的方式轉(zhuǎn)變，另一方面則體現(xiàn)出模型輸入數(shù)據(jù)的豐富使得水文模型的模擬更貼近實(shí)際[4]。對(duì)于尺度較小的小流域洪水計(jì)算，有學(xué)者利用SCS模型，充分結(jié)合植被覆蓋、降雨量、土壤等因素，計(jì)算洪峰流量，但考慮到洪水的時(shí)效性，常規(guī)的水文報(bào)汛周期無(wú)法滿足有效的預(yù)報(bào)，因而，即使水文模型較好地模擬真實(shí)的洪水，但對(duì)于其帶來(lái)的危害及相關(guān)預(yù)警則無(wú)法滿足實(shí)際需求[5]。此外，利用動(dòng)態(tài)臨界雨量法進(jìn)行山洪預(yù)警也成為一種新的方式方法，其本質(zhì)是通過選擇小流域的歷史時(shí)期典型降雨徑流時(shí)間依托水文模型計(jì)算土壤前期含水量時(shí)段下，小流域防洪斷面洪峰流量達(dá)到預(yù)警流量值所需的臨界降雨量，即臨界值。這種動(dòng)態(tài)臨界的雨量計(jì)算方法可以有效地解決山區(qū)洪水的預(yù)警預(yù)留時(shí)間需求，但在這種小流域山洪發(fā)生區(qū)域，往往缺失相應(yīng)的水文監(jiān)測(cè)資料，此外，傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備也相對(duì)匱乏。

模擬小流域洪水需要綜合考慮地形因素的影響，目前，業(yè)界學(xué)者通常引用DEM數(shù)據(jù)作為描述地表形態(tài)的基本輸入。DEM數(shù)據(jù)（Digital Elevation Model，數(shù)字地形模型）是帶有空間位置、高程等屬性的數(shù)字化模擬與描述，其獲取的方式也較為多樣化，典型的如地形圖（等高線圖）、實(shí)際測(cè)量、影像數(shù)據(jù)（包括衛(wèi)星遙感、干涉雷達(dá)、激光掃描等）[6]。DEM數(shù)據(jù)的表達(dá)形式通常包括柵格格網(wǎng)、矢量等高線、不規(guī)則三角網(wǎng)。對(duì)于等高線和不規(guī)則三角網(wǎng)而言，其對(duì)于地表形態(tài)的描述往往比柵格數(shù)據(jù)更為精細(xì)，而基于復(fù)雜的地形分析而言，矢量數(shù)據(jù)格式無(wú)法滿足高效、快速的形式，通常柵格數(shù)據(jù)格式較為簡(jiǎn)單，獲取高程便捷，利于大規(guī)模的空間地形分析[7]。

為了進(jìn)一步探索與明晰小流域洪水的數(shù)字模擬，以浙江某實(shí)驗(yàn)區(qū)小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，選擇日模型進(jìn)行小流域進(jìn)行實(shí)際模擬，充分考慮水量平衡、能量平衡，驗(yàn)證日模型水文模型在下流域洪水模擬中的有效性，同時(shí)，與成熟的HEC-HMS水文模型模擬對(duì)比，分析日模型對(duì)小流域洪水模擬的適應(yīng)性，為洪水預(yù)報(bào)預(yù)警提供理論支撐。

2 數(shù)據(jù)整理

2.1 DEM數(shù)據(jù)

為了進(jìn)行小流域洪水模擬研究，選擇30 m分辨率的GDEM數(shù)據(jù)，覆蓋的范圍為浙江省某實(shí)驗(yàn)區(qū)覆蓋的典型小流域，將下載的公開數(shù)據(jù)集GDEM數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍的拼接與裁剪，轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一坐標(biāo)，形成水文數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)。從原始的DEM數(shù)據(jù)提取的河網(wǎng)水系與實(shí)際的河網(wǎng)水系并不是完全一致的，其主要在于：①平原地區(qū)高程差別不大，河網(wǎng)較為密集，利用DEM提取的河道與實(shí)際河網(wǎng)的分布差別較大；②在流域的上游地區(qū)，部分的柵格數(shù)據(jù)實(shí)際值往往較大，實(shí)際形成了洼地，對(duì)水系的河網(wǎng)提取影響較大。具體的DEM劃分的子流域水文特征如表1所示。

表1 水文站子流域水文地形特征

2.2 降水?dāng)?shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)區(qū)流域的降水量年際變化較大，多年以來(lái)的年均降水量差不多為1 680 mm，最大的年均降雨量超過2 100 mm，最小的年降水量達(dá)到1 200 mm左右，極值比達(dá)到了1.7，流域各雨量站年降水特征值為0.7～1.6之間。

流域年內(nèi)降水量分布相對(duì)不夠均勻，降水量較為集中，從季節(jié)的角度來(lái)說非常明顯，屬于雨熱同季。降水量年內(nèi)的分布規(guī)律主要分為全年的3月～5月占到全年降水量的30%～40%，6月～9月則主要占到全年降水量的30%～50%，10月～11月占全年降水量的3%～16%，12月～2月則占到全年降水量的12%～24%，根據(jù)歷年的水文降水資料，可得降水量的豐年、平水年、枯水年和多年平均的年內(nèi)分布特征。

2.3 蒸發(fā)數(shù)據(jù)

由于選擇實(shí)驗(yàn)區(qū)受到地形條件的影響，形成較為典型的大陸性季風(fēng)性氣候，全流域的蒸散發(fā)量年度變化不夠明顯，多年平均蒸散發(fā)量達(dá)到約900 mm，年最大蒸散發(fā)量為1 000 mm，最小蒸散發(fā)量為715 mm，極值比為1.4，年際蒸散發(fā)變化幅度約為0.8～1.2之間。同樣，正是由于受到氣候變化影響，年內(nèi)的蒸散發(fā)量變化較大，蒸散發(fā)年內(nèi)的具體分布規(guī)律為：3月～5月占全年蒸發(fā)量的19%～24%，6月～9月占全年蒸發(fā)量的40%～53%，10月～11月占全年蒸發(fā)量的16%～19%，12月～2月占全年蒸發(fā)量的12%～18%。

3 流域洪水模擬

3.1 流域日模型模擬

本次研究中使用日模型模擬對(duì)水文站控制流域內(nèi)2001年～2016 年共16年的逐日水文資料進(jìn)行日流量的模擬，模型采用基因算法，通過基因算法，對(duì)2001年～2010年逐日資料的模擬來(lái)自動(dòng)率定參數(shù)，使用2011年～2016 年逐日資料的模擬結(jié)果來(lái)驗(yàn)證參數(shù)，表 2為日模型擬結(jié)果。

表2 日徑流過程精度統(tǒng)計(jì)

在率定期內(nèi)，日模型能夠很好地模擬出實(shí)驗(yàn)區(qū)某水文站的日徑流過程。模擬結(jié)果確定性系數(shù)全部超過了0.80，超過0.9的有5年，說明日模型對(duì)于實(shí)驗(yàn)區(qū)的流域內(nèi)水量計(jì)算是準(zhǔn)確的。日徑流模擬生成的土壤含水量可以在次洪模擬得到應(yīng)用。

2009年的中徑流深的相對(duì)誤差較大，確定性系數(shù)也較低，說明與實(shí)際的年度降水量相比，初始輸入的模型輸入相對(duì)偏小，日模型模擬對(duì)于初始土壤含水量相對(duì)較為敏感。對(duì)于本次模擬徑流深相對(duì)誤差的變化范圍而言，其存在一定時(shí)期內(nèi)的系統(tǒng)誤差，說明這事與參數(shù)的率定結(jié)果存在密切的關(guān)系，但由于徑流量的模擬存在的誤差范圍較大，導(dǎo)致了系統(tǒng)模型存在一定的系統(tǒng)誤差，說明參數(shù)的自動(dòng)率定精度與人工率定精度相比仍然有一定的不足。

6年的模擬結(jié)果中所有計(jì)算的確定性系數(shù)都超過了0.8，模型驗(yàn)證時(shí)期的總體確定性系數(shù)比率定期相對(duì)較低，這主要是由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展引起流域下墊面的物理特性產(chǎn)生了一定的變化。

3.2 流域次洪模型模擬

本研究使用的日模型對(duì)水文站點(diǎn)控制的流域內(nèi)的7次洪水進(jìn)行次洪模型參數(shù)的率定，3場(chǎng)洪水的參數(shù)驗(yàn)證。通常，洪水都是由暴雨形成的，因而在實(shí)際的模擬中，選擇的洪水都發(fā)生在5月～10月之間，都出現(xiàn)在暴雨出現(xiàn)的高峰季節(jié)，能夠有效地描述流域的真實(shí)情況。其中，暴雨都具有強(qiáng)度大、歷時(shí)較短的特點(diǎn)，因而，實(shí)際形成的洪水具有匯流較快、陡增的趨勢(shì)。從洪峰的具體流量來(lái)看，洪水的峰值流量最大超過了600 m3/s，最小約100 m3/s，能夠很好地代表流域內(nèi)不同等級(jí)的洪水。

在率定期內(nèi)，利用日模型能夠很好地模擬水文站點(diǎn)的出口流量。模擬的結(jié)果徑流量相對(duì)誤差都較小，均控制在20%以內(nèi)。模擬的7場(chǎng)洪水的峰現(xiàn)時(shí)差均在2 h以內(nèi)。次洪模擬的確定性系數(shù)都超過了0.85，其中有4次洪水都超過了0.9，平均確定性系數(shù)都超過了0.9。

對(duì)于驗(yàn)證期內(nèi)的3場(chǎng)洪水的徑流深度而言，其相對(duì)誤差都控制在5%以內(nèi)，洪峰的流量相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)。3場(chǎng)洪水的確定性系數(shù)都超過了0.8以上，平均確定性系數(shù)超過0.85。從模擬結(jié)果可以看出，水文模型可以很好地進(jìn)行水文站點(diǎn)的次洪過程模擬，對(duì)暴雨洪水有預(yù)報(bào)的模擬支撐作用。

為了驗(yàn)證水文模型的適用性，選擇HEC-HMS模型進(jìn)行對(duì)比。通過參數(shù)率定、水文模擬計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)模擬值。其中，在率定期內(nèi)，HEC -HMS模型擬結(jié)果的總體確定性系數(shù)均超過了0.85，其中有兩年超過了0.9。

在使用HEC-HMS模型模擬的結(jié)果中，驗(yàn)證期內(nèi)的3場(chǎng)洪水徑流深相對(duì)誤差都小于20%，洪峰的流量相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)，3場(chǎng)洪水的峰現(xiàn)時(shí)差都小于1 h，確定性系數(shù)也超過了0.8，其中超過0.9的有2場(chǎng)。說明在驗(yàn)證期內(nèi)，HEC-HMS模型也能很好地模擬出場(chǎng)次洪水的具體過程。

對(duì)比日模型的模擬結(jié)果與HEC-HMS模型的具體模擬結(jié)果，來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)區(qū)模型適用的對(duì)比。其中，日模型水文模型與HEC-HMS模型在對(duì)水文站進(jìn)行流域洪水具體的模擬均有一定的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。對(duì)于單日的洪水模擬過程中，日模型水文模型的合格率較高；而對(duì)于場(chǎng)次洪水的模擬而言，HEC-HMS模型模擬的結(jié)果合格率更高。

表3 日模擬結(jié)果精度對(duì)比

表4 場(chǎng)次洪水模擬結(jié)果精度對(duì)比

對(duì)于徑流量的時(shí)間變化趨勢(shì)，兩種模型的具體模擬結(jié)果與實(shí)際的水文測(cè)站的結(jié)果都較為接近，但是對(duì)于洪峰流量的站點(diǎn)而言，日模型水文模型與實(shí)際水文站點(diǎn)的測(cè)量值差距較大；對(duì)于雙峰洪水而言，HEC-HMS模型的模擬結(jié)果只能模擬單峰值，而日模型水文模型能夠較好地表示多峰值的洪水過程。因而對(duì)于小流域洪水模擬而言，日模型水文模型模擬結(jié)果優(yōu)于HEC-HMS模型。在實(shí)際應(yīng)用過程中，特別是對(duì)于小流域洪水模擬中，應(yīng)結(jié)合多種水文模型，采取集合預(yù)報(bào)的方式，提高整體洪水的模擬精度。

從水量平衡的角度來(lái)看，所選的日模型水文模型在實(shí)驗(yàn)區(qū)的小流域洪水模擬過程中能夠較好地實(shí)現(xiàn)，這一方面說明水量平衡在應(yīng)用中的實(shí)際意義，另一方面也說明了日模型水文模擬能夠適應(yīng)該類型流域的模擬。

4 總結(jié)

隨著地理信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與支撐，水文模型的模擬精度與可視化展現(xiàn)有了明顯的提升與改善。水文模型的數(shù)據(jù)輸入不僅局限于水文站點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，還包括遙感影像等多種空天地獲取的結(jié)果。流域觀測(cè)、分析、建模的技術(shù)不斷完善，水文模型也從集總式的模型、分布式的模型發(fā)展為普遍的耦合型水文模型。為了進(jìn)一步驗(yàn)證水文模型在流域洪水模擬的有效性，以浙江某實(shí)驗(yàn)區(qū)作為研究對(duì)象進(jìn)行洪水模擬，通過對(duì)比日模型水文模型與HEC-HMS水文模型，驗(yàn)證日模型水文模型在小流域洪水模擬中的實(shí)際可行性與相對(duì)實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以水量平衡、能量平衡為基礎(chǔ)，日模型水文模型在小流域洪水模擬中優(yōu)于HEC-HMS模型，而對(duì)于場(chǎng)次洪水的模擬而言，HEC-HMS模型模擬的結(jié)果合格率更高，這說明水文模型仍然有優(yōu)化與改善的空間。