基于HEC-HMS的青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報研究

張 靜, 楊明祥, 雷曉輝, 梁 籍, 楊 寧

(1.華中科技大學(xué) 水電與數(shù)字化工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室, 北京 100038; 3.黃河水利委員會信息中心, 河南 鄭州 450004)

基于HEC-HMS的青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報研究

張 靜1,2, 楊明祥2, 雷曉輝2, 梁 籍1, 楊 寧3

(1.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院,湖北武漢430074; 2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京100038; 3.黃河水利委員會信息中心,河南鄭州450004)

[目的] 構(gòu)建青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報模型，為實際預(yù)報業(yè)務(wù)提供參考，也可以為桂林市上游地區(qū)無資料地區(qū)水文氣象規(guī)律研究提供支撐。 [方法] HEC-HMS是一個包含多個產(chǎn)匯流模型的水文模型系統(tǒng)，適用于不同地區(qū)的水文問題分析和計算，廣泛運用于洪水預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)等方面。利用該模型對桂林市青獅潭水庫上游流域進行水文建模，模擬流域發(fā)生暴雨時青獅潭水庫的入庫洪水過程，以此作為研究洪水預(yù)報依據(jù)。 [結(jié)果] 通過研究發(fā)現(xiàn)HEC-HMS模型模擬的結(jié)果平均確定性系數(shù)達到0.88，洪峰流量和峰現(xiàn)時間誤差均達到乙級預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)。[結(jié)論] HEC-HMS模型在青獅潭流域適用性較好，可以用于青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報。

HEC-HMS; 青獅潭水庫; 洪水

文獻參數(shù)： 張靜, 楊明祥, 雷曉輝, 等.基于HEC-HMS的青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報研究[J].水土保持通報，2017,37(4)：225-229.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.038； Zhang Jing, Yang Mingxiang, Lei Xiaohui, et al. Flood forecasting research in Qingshitan Reservoir based on HEC-HMS model[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：225-229.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.038

青獅潭水庫位于廣西壯族自治區(qū)桂林市靈川縣西北部，漓江支流甘棠江上。是一座以防洪發(fā)電、灌溉和漓江生態(tài)補水為主的大(2)型水庫。庫區(qū)面積474 km2，灌溉面積2.92×104hm2，水庫總庫容為6.0×108m3。如圖1所示，青獅潭流域西北高，東南低，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，汛期降雨充沛，該地區(qū)也是華南地區(qū)的暴雨中心之一[1]，每年的5—7月為暴雨高發(fā)期，極易引發(fā)洪水。位于青獅潭水庫下游的桂林市，以其秀美的漓江風(fēng)光而聞名于世，每年汛期恰逢漓江旅游旺季，數(shù)以萬計的游客紛至沓來，考慮到桂林市作為旅游城市，為了生態(tài)景觀不宜修筑高壩，且桂林上游的漓江流域已有水文站點較少，實測水文資料不足，所以洪水預(yù)報對于此地區(qū)的防洪預(yù)警至關(guān)重要，因此，研究青獅潭水庫入庫洪水過程，有助于水庫管理部門合理調(diào)度，也對下游桂林地區(qū)的防汛工作和漓江上游水文規(guī)律研究都有著十分重要的指導(dǎo)意義。HEC-HMS(hydrologic engineering center and hydrologic modeling system)模型是由美國陸軍工程師團水文工程中心開發(fā)的水文建模系統(tǒng)計算機程序。該程序可以模擬自然或人工狀態(tài)下流域降雨—徑流及洪水演進過程[2],屬于半分布式水文模型，采用模塊化操作方式，通過設(shè)置流域模型、氣象模型、控制運行模塊和時間序列模塊，選擇不同降雨損失方案、產(chǎn)匯流模型來計算降雨和徑流。HEC-HMS模型在國外已有較多應(yīng)用[3-5]，針對該模型在無資料地區(qū)的應(yīng)用，Gumindoga和Rwasoka等[6]利用結(jié)合了遙感數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)的HEC-HMS模型對津巴布韋Manyame流域徑流進行了模擬，并利用有資料子流域模型外推無資料子流域的徑流情況，研究發(fā)現(xiàn)HEC-HMS模型對流域的徑流模擬具有較好的適應(yīng)性，模型參數(shù)的移置可用性較好，對該流域的水資源管理和利用有顯著的貢獻。在國內(nèi)，針對模型與GIS技術(shù)的結(jié)合運用，雍斌等[7]在漢江褒河流域進行了降雨徑流模擬，結(jié)果表明結(jié)合GIS技術(shù)的HEC-HMS模型對中國半濕潤山區(qū)的次洪模擬具有較好的適應(yīng)性，劉洋等[8]在涔水南支小流域應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)HEC-HMS是可以適用于中國的山區(qū)小流域，在模擬降雨徑流和洪水預(yù)報過程中，均能發(fā)揮實際作用；王力等[9]在南水北調(diào)東線工程沿線地區(qū)進行運用研究表明HEC-HMS模型計算結(jié)果與觀測流量有較好的擬合效果，能為東線工程的水資源調(diào)度決策提供區(qū)間來水模擬預(yù)報。目前，國內(nèi)對青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報的研究還較少，特別是針對HEC-HMS模型在青獅潭流域的應(yīng)用研究還未見報道。因此，基于HEC-HMS構(gòu)建青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報模型，分析其適用性與可靠性，能夠為實際預(yù)報業(yè)務(wù)提供重要參考，工程實際意義較大，也可以為桂林上游無資料地區(qū)水文氣象規(guī)律的研究，提供一定的支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理

由于青獅潭流域在2000年后水文站點增至6個，在流域上分布更為合理，故本次研究采用該流域的老鼠坳、黃梅、兩合、和平、田心、青獅潭6個雨量站2000—2015年的觀測數(shù)據(jù)，并收集了同期青獅潭水庫的入庫徑流資料。針對洪水場次的選擇，考慮到預(yù)報模型影響到水庫和下游的安全性，本著對水利工程最不利原則，選擇了16場峰高量大的洪水，并對降雨徑流資料做了三性審查。研究區(qū)的DEM來自美國地理調(diào)查局(USGS)，精度為30 m，分辨率為1 km×1 km。由GLC 2000項目開發(fā)的基于SPOT4遙感數(shù)據(jù)的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)中國子集得到土地覆蓋數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來自寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心的中國地區(qū)土地覆蓋綜合數(shù)據(jù)集[10]，土壤信息參考了世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集[11]，數(shù)據(jù)源為第二次全國土地調(diào)查南京土壤所所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)可為建模者提供模型輸入?yún)?shù)，可用來研究生態(tài)農(nóng)業(yè)分區(qū)，糧食安全和氣候變化等，數(shù)據(jù)格式為grid柵格格式，投影為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，采用的土壤分類系統(tǒng)為FAO-90系統(tǒng)。利用HEC-GeoHMS處理地理信息數(shù)據(jù)可以提取出各子流域面積、河網(wǎng)長度和坡度等流域特征信息。

1.2 研究方法

本次建模過程是根據(jù)HEC-HMS水文模型系統(tǒng)中氣象、流域和控制運行3大模塊的功能來進行程序運行前的各項必要配置。模型初始水文參數(shù)輸入數(shù)據(jù)已由HEC-GeoHMS生成，后續(xù)進行水文系統(tǒng)的建模工作主要集中在以下兩個方面： ① 氣象模塊中平均面積降雨深度計算方案選擇。 ② 流域模塊中計算降雨損失、直接徑流、基流和河道匯流時方法的選擇。

1.2.1 氣象模塊 在HEC-HMS模型中氣象模塊要用到HEC-DSSVue軟件，該軟件同樣由HEC開發(fā)，主要用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲和管理。將收集到的降雨數(shù)據(jù)輸入DSSVue中，供HMS運行時調(diào)用。本次平均面積降雨深度計算方案采用雨量站權(quán)重法，它假設(shè)集水區(qū)內(nèi)任意一點的降雨深度與集水區(qū)內(nèi)或離集水區(qū)最近的雨量計的降雨深度相同，根據(jù)泰森多邊形原理處理青獅潭流域后分配各站點權(quán)重(圖1)。

1.2.2 流域模塊

(1) 產(chǎn)流模型。HEC-HMS模型中提供了7種降雨損失方法，本研究產(chǎn)流采用SCS CN模型，該模型應(yīng)用廣泛，綜合考慮了下墊面情況和人類活動影響，參數(shù)簡單合理。由美國農(nóng)業(yè)部土壤保護局SCS(現(xiàn)在的自然資源保護局，NRCS)開發(fā)，模型中CN值反映了流域中不同土壤分組、土地利用組合、前期濕度的綜合情況。主要計算公式為：

(1)

(2)

式中：Pe——t時間內(nèi)的累積凈雨量(mm)；P——t時間內(nèi)降雨量(mm)；Ia——初始降雨損失(mm)；S——最大潛在截留(mm)。

圖1 研究區(qū)DEM圖和泰森多邊形雨量站劃分

SCS在TR55技術(shù)文檔中刊發(fā)了不同植被、土地利用等情況下對應(yīng)的CN值，本次研究根據(jù)該技術(shù)文檔選擇流域的初始CN值，然后輸入到HMS的產(chǎn)流模塊中用于計算產(chǎn)流。

(2) 直接徑流計算。HEC-HMS模型中提供了6種直接徑流計算方法，本研究采用Clark單位線模型，該模型特點是對凈雨從落下點到流域出口的匯流和產(chǎn)流過程中的流域調(diào)蓄作用做了簡化。計算時假設(shè)水庫位于流域出口，利用線性水庫模型在水流匯集時的調(diào)蓄作用，將凈雨從落下點演進到位于出口的水庫，由連續(xù)方程：

(3)

式中：dS/dt——t時蓄水量變化率；It——t時平均入流量(m3/s)；Ot——t時出流量(m3/s)。

由線性水庫模型的蓄水量和出流量關(guān)系：

St=ROt

(4)

式中：St——t時刻蓄水量(m3/s)；R——線性水庫參數(shù)。

根據(jù)有限差分法近似求解得到：

Ot=CAIt+CBOt-i

(5)

式中：CA，CB——演進參數(shù)。

t時段平均出流量為：

(6)

在HEC-HMS的模型中還要輸入?yún)R流時間t和蓄水量系數(shù)R，利用匯流時間與流域面積關(guān)系推導(dǎo)出線性水庫的入流It，再利用方程(5) 和方程(6) 遞推求解。

1.2.3 基流計算 HEC-HMS模型提供的4種基流計算方法，本次研究從選取了退水曲線計算模型，該模型中t時刻基流Qt與初始基流Q0的關(guān)系服從指數(shù)退水規(guī)律。每次暴雨前的初始基流可能都會不同，衰減系數(shù)和峰值比都可以根據(jù)流量數(shù)據(jù)估算出初始值。

1.2.4 河道匯流計算 河道匯流計算HEC-HMS模型提供了7種方法，本研究采用馬斯京根模型，該模型因最開始應(yīng)用于美國馬斯京根河流而得名，模型采用水量平衡和槽蓄方程演算河道流量，以其計算簡便、模擬效果好而廣泛應(yīng)用于工程中。

1.2.5 模擬洪水誤差評價方法 對洪水預(yù)報誤差的評價參照《水文情報預(yù)報規(guī)范(GB/T22482-2008)》(以下簡稱《規(guī)范》)中標(biāo)準(zhǔn)，以洪水預(yù)報誤差用確定性系數(shù)、洪峰流量相對誤差和峰現(xiàn)時差來評價，根據(jù)預(yù)報精度的不同確定性系數(shù)范圍也有所變化，甲級預(yù)報要求確定性系數(shù)大于0.9；乙級則要求小于0.9且大于等于0.7，丙級預(yù)報要求確定性系數(shù)介于0.5～0.7之間；預(yù)報許可誤差為實測洪峰流量的20%；峰現(xiàn)時間的許可誤差為1 h(取本次計算時長)。為了更全面評價洪水模擬效果，引入洪量相對誤差作為評價指標(biāo)之一。

2 結(jié)果與分析

2.1 參數(shù)率定

通過選取的12場洪水對青獅潭流域的HEC-HMS水文模型進行率定，模型中選用Univariate Gradient和Nelder Mead優(yōu)化算法配合使用，目標(biāo)函數(shù)為峰值加權(quán)均方根誤差函數(shù)，在對模型的水文參數(shù)進行率定后，用1—12號洪水率定出的模型參數(shù)，作為13—16號洪水HEC-HMS模型的參數(shù)進行洪水預(yù)報(即編號為1—12的洪水為率定期洪水，編號為13—16的洪水為驗證期洪水)。洪水參數(shù)率定及驗證結(jié)果詳見表1，率定期洪水模擬結(jié)果如圖2所示。

2.2 結(jié)果與分析

從率定期的結(jié)果來看：12場率定的洪水中，確定性系數(shù)最高的是12號洪水的0.99，最低值為1號洪水的0.91，平均的確定性系數(shù)為0.94，平均洪峰流量相對誤差2.3%，平均洪量相對誤差9.03%，12場洪水中10場洪水峰現(xiàn)時差與實測吻合，結(jié)果具有較高的確定性系數(shù)和較低洪峰流量相對誤差、洪量相對誤差系數(shù)。率定結(jié)果中效果最好的兩場洪水2和12號確定性系數(shù)均大于0.97，而效果相對較差的場次1和11號確定性系數(shù)最高為0.92。由圖2分析發(fā)現(xiàn)率定期中效果最好的2場洪水都是單峰型洪水，效果最差的1和11號洪水均有多個洪峰，可以看出模型對多峰型洪水率定效果不如單峰型洪水，這點與已有研究一致[12]。分析驗證期的4場洪水可以看出，模擬效果最好的14號洪水確定性系數(shù)為0.93，模擬效果較差的16號洪水確定性系數(shù)只有0.82。4場洪水的平均確定性系數(shù)為0.88，是率定期平均確定性系數(shù)0.94的94%，平均洪峰流量相對誤差4.05%，平均洪量相對誤差5.42%，4場洪水中3場洪水峰現(xiàn)時差與實測吻合。驗證期的洪水洪峰流量相對誤差和洪量相對誤差都很小，峰現(xiàn)時間基本與實際一致。對比漓江流域的其他研究，廖富權(quán)和陳立華[13-14]分別利用TOPMODEL和新安江模型建立了漓江上游洪水預(yù)報模型，研究中驗證期洪水模擬結(jié)果的平均確定性系數(shù)分別為0.83，0.87；洪峰流量的平均誤差分別為8.16%和7.68%；預(yù)報的峰現(xiàn)時間誤差分別為1.5和1.63 h，與本次研究相比，驗證期洪水模擬結(jié)果的平均確定性系數(shù)分別低了0.05，0.01；的洪峰流量的平均誤差分別高了4.11%，3.63%；預(yù)報的峰現(xiàn)時間分別晚了1.25和1.38 h。結(jié)合圖3可知，4場洪水中模擬值和觀測值整體趨勢基本一致，表明HEC-HMS模型，在該地區(qū)實際應(yīng)用效果較好。

圖2 驗證期4場洪水模擬效果

時期編號洪號實測洪峰流量/(m3·s-1)洪峰流量相對誤差/%實測洪水總量/m3洪量相對誤差/%峰現(xiàn)時差/h確定性系數(shù)1200206141706.600.2675191.101.5500.912200306241636.005.6837292.60-3.8300.97320040407664.804.3211460.90-6.1800.93420050617658.201.8213896.10-2.6900.965200506261085.401.2323158.50-12.2200.95率定期620060525631.203.2411399.40-7.2110.93720070601989.107.2818515.70-4.8500.94820070625872.102.5315333.602.4900.93920080608972.408.1520235.60-11.4900.9510200906301176.30-6.9516722.40-12.1600.931120100417935.96.8425811.40-12.3510.9212201005131456.501.1415892.00-0.1200.991320130506918.80-0.9916919.30-5.4100.92驗證期1420130607967.90-2.0424158.203.8100.9315201405081268.30-2.0526147.30-9.1200.881620140704755.00-11.1219203.70-10.9710.82

圖3 1,2,11,12號洪水率定期模擬結(jié)果

根據(jù)《規(guī)范》中對洪峰預(yù)報許可誤差的解釋，洪水的洪峰流量相對誤差在實測洪峰流量的20%以內(nèi)即為合格，本研究中驗證期4場洪水洪峰流量相對誤差均達到合格標(biāo)準(zhǔn)，洪峰預(yù)報合格率達到100%；峰現(xiàn)時間4場中3場預(yù)報準(zhǔn)確，只有16號洪水峰現(xiàn)時間與實測值相差1 h，峰現(xiàn)時差的預(yù)報合格率為75%；本次研究的4場洪水中3場洪水預(yù)報合格，預(yù)報綜合合格率為75%，且合格場次洪水確定性系數(shù)均符合要求，根據(jù)《規(guī)范》對預(yù)報精度和預(yù)報合格率的要求，本次預(yù)報已經(jīng)達到乙級預(yù)報水平，可用于實際洪水預(yù)報。從驗證期表現(xiàn)來看，本次研究所率定出來的參數(shù)能夠用于青獅潭入庫洪水的模擬，對編制青獅潭水庫入庫洪水預(yù)報方案具有指導(dǎo)和參考意義。

通過分析16場洪水特征，本次研究中綜合預(yù)報效果并不是很好，分析其原因：降雨徑流等原始資料的代表性、水文模型參數(shù)的合理性以及降雨暴雨中心的影響都可能導(dǎo)致預(yù)報效果與實際觀測洪水產(chǎn)生較大差異。

3 結(jié) 論

(1) HEC-HMS水文模型在青獅潭流域?qū)龃魏樗休^好的模擬效果，適應(yīng)性較好。與漓江上游已有研究對比后發(fā)現(xiàn)，該模型模擬精度較高，可用于實際的洪水預(yù)報。在中國降水豐沛、徑流量較大的濕潤山區(qū)洪水模擬方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

(2) 本次研究率定出來的參數(shù)對漓江上游無資料地區(qū)水資源規(guī)劃管理有參考價值。

(3) 基于RS和GIS技術(shù)提取流域下墊面地形、土地利用、土壤等信息，并將提取結(jié)果與HEC-HMS水文模型結(jié)合的方法為水文循環(huán)研究提供了新的思路，同時也為其他水文模型初始參數(shù)的獲取提供了新的途徑。

(4) 本次研究只是通過移用率定出來的平均參數(shù)作為洪水預(yù)報模型的參數(shù)，雖然模擬結(jié)果較好，但模型的參數(shù)率定過程可能會停留在純粹數(shù)字吻合的層面上，所以仍需進一步探索更合理的參數(shù)選擇方法。

任何水文模型都離不開它的適用條件，針對不同的水文條件，需要通過科學(xué)方法找出最匹配的參數(shù)，提高模型預(yù)報精度和延長預(yù)報時間，這樣才能更好地服務(wù)于科學(xué)研究和工程運用。

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Flood Forecasting Research in Qingshitan Reservoir Based on HEC-HMS Model

ZHANG Jing1,2, YANG Mingxiang2, LEI Xiaohui2, LIANG Ji1, YANG Ning3

(1.School of Hydropower and Information Engineering， Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, Hubei 430074， China; 2.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038， China; 3.Information Center of the Yellow River Conservancy Commission, Zhengzhou, He’nan 450004， China)

[Objective] Constructing a flood forecast model of Qingshitan Reservoir to provide a reference for actual forecasting business, and also to provide support for the study of hydrological and meteorological laws in the area, e.g., Guilin City, where information in the upper reaches is lacked. [Methods] HEC-HMS(hydrologic engineering center and hydrologic modeling system) is a hydrological model system with multiple production and distribution modules. It is suitable for the analysis and calculation of hydrological problems in different areas. It is widely used in flood forecasting, disaster prevention and mitigation. This model was used in hydrological modeling of the upper reaches of Qingshitan Reservoir in Guilin City, to simulate the flooding process of Qingshitan Reservoir in the event of heavy rainstorm in the watershed as a basis for flood forecasting. [Results] The average deterministic coefficient of HEC-HMS model was found to be 0.88 by the study. The peak flow rate and peak current error all reached Grade B prediction criteria. [Conclusion] The HEC-HMS model is suitable for the Qingshitan basin and can be used for the flood forecasting of the Qingshitan Reservoir.

HEC-HMS;QingshitanReservoir;flood

B

： 1000-288X(2017)04-0225-05

： TV124

2016-12-28

：2017-02-21

廣西壯族自治區(qū)水利廳“桂林市防洪及漓江補水水庫群生態(tài)調(diào)度技術(shù)研究”(GXZC2016-G3-2344-JHZJ); “十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0402201-01； 2016YFC0401903); 南水北調(diào)中線干線工程應(yīng)急運行集散控制技術(shù)研究與示范項目(2015BAB07B03)

張靜(1990—),男(漢族),重慶市人,碩士研究生,研究方向為水信息化。E-mail:linuxing@yeah.net。

楊明祥(1986—),男(漢族),河南省獲嘉縣人,博士,工程師,主要從事氣象水文方面的研究。E-mail:376246117@qq.com。