HEC—HMS模型在洪水模擬中的應(yīng)用

李康恒 ，王 英 ，桑國(guó)慶

（1.臨沂市羅莊區(qū)小埠東灌區(qū)管理處，山東 臨沂 276017；2.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

蘭陵縣位于山東省最南部，屬沂蒙山區(qū)。全縣多年平均氣溫13.3℃，多年平均降雨857.1mm，降水集中在汛期6～9月，汛期多年平均降水量為617 mm，占全年降水量的72%，12月份降水最少，僅為11.8mm，占全年降水量的1.4%；多年平均蒸發(fā)1 158.8mm；全縣徑流量的年內(nèi)變化十分劇烈，汛期洪水暴漲暴落，枯期徑流量很小。

小南湖流域面積為83.59 km2，境內(nèi)主要為西泇河。強(qiáng)降雨導(dǎo)致水位暴漲暴落，極易引發(fā)山洪災(zāi)害。本文以小南湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用HECHMS建立山丘區(qū)流域產(chǎn)匯流仿真模型。采用3場(chǎng)典型洪水的降雨流量數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定及選取2場(chǎng)典型洪水對(duì)模型進(jìn)行精度驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上分析洪水規(guī)律，可在山洪預(yù)警預(yù)報(bào)中發(fā)揮實(shí)際作用。

1 小流域水文模型建模與率定

HEC-HMS模型是一個(gè)半分布式降雨徑流及洪水演進(jìn)過(guò)程模擬系統(tǒng)。建模的主要思路是基于DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，將流域劃分為若干子流域，并進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，最后演算至流域出口斷面。

1.1 子流域劃分及水文數(shù)據(jù)庫(kù)

以蘭陵縣小南湖典型流域?yàn)檠芯繉?duì)象，流域內(nèi)共有西上峪、東上峪、上大爐、下大爐、泇河灘、楊莊、小南湖等7個(gè)山洪重點(diǎn)防治村，基于流域DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGis提取水系并對(duì)7個(gè)重點(diǎn)村進(jìn)行子流域劃分，各子流域特征值信息見(jiàn)表1。計(jì)算時(shí)采用雙河雨量站的雨量信息。

表1 子流域特征值統(tǒng)計(jì)

1.2 產(chǎn)匯流計(jì)算模塊選取

根據(jù)降雨徑流的形成過(guò)程，HEC-HMS模型主要分成了產(chǎn)流計(jì)算、匯流計(jì)算、基流計(jì)算和河道洪水演算4個(gè)計(jì)算模型，每個(gè)計(jì)算模型包含多種可用的計(jì)算方法。其中，產(chǎn)流計(jì)算包括SCS曲線數(shù)法、格林安普特?fù)p失法，匯流計(jì)算包括SCS單位線、修正克拉克單位線和動(dòng)波法，基流計(jì)算包括指數(shù)衰退法和線性水庫(kù)法，河道洪水演進(jìn)計(jì)算模型包括延遲法和馬斯京根法。

1.3 參數(shù)率定

模型中需要率定的參數(shù)有初損Ia、CN值、流域滯時(shí)tlag、退水拐點(diǎn)比率、流量比重因素x和穩(wěn)定流情況下河段傳播時(shí)間K等參數(shù)。初損值Ia根據(jù)流域特征按照經(jīng)驗(yàn)值預(yù)估；CN值根據(jù)土地利用、土壤類(lèi)型和流域前期濕度進(jìn)行查表估算；流域滯時(shí)根據(jù)公式計(jì)算得到；初始流量、衰減指數(shù)和退水拐點(diǎn)比率先根據(jù)流域?qū)嶋H情況預(yù)估，再通過(guò)率定得到；K和x的選取一般選用試錯(cuò)法來(lái)確定。

1.4 模型驗(yàn)證

選取小南湖流域5場(chǎng)典型洪水進(jìn)行產(chǎn)匯流過(guò)程參數(shù)率定及驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，在3場(chǎng)率定洪水與2場(chǎng)驗(yàn)證洪水中，洪峰和徑流深相對(duì)誤差均小于20%，模擬結(jié)果較好。其中，圖1和圖2分別為20000718和20110826場(chǎng)次洪水實(shí)測(cè)和計(jì)算洪水過(guò)程線。

表2 模型率定及驗(yàn)證結(jié)果

圖1 20000718場(chǎng)次實(shí)測(cè)和計(jì)算洪水過(guò)程線

圖2 20110826場(chǎng)次實(shí)測(cè)和計(jì)算洪水過(guò)程線

從圖1中可以看出，在20000718場(chǎng)次洪水中，模擬洪峰流量為208 m3/s，實(shí)測(cè)洪峰流量為201 m3/s，洪峰相對(duì)誤差為4%；計(jì)算洪峰時(shí)間為8：00，實(shí)際洪峰時(shí)間為7：20，峰現(xiàn)時(shí)間誤差為0.6 h。計(jì)算結(jié)果表明洪峰過(guò)程、洪峰流量的計(jì)算值與觀測(cè)值之間有較好的一致性。

從圖2中可以看出，2011年8月26日洪水，其降水從10：00開(kāi)始，當(dāng)降水量達(dá)到21mm時(shí)，小南湖流域開(kāi)始形成洪峰。流域計(jì)算洪峰流量為192m3/s，洪峰出現(xiàn)時(shí)間為 27 日 07：00；實(shí)測(cè)洪峰流量為 173m3/s，洪峰出現(xiàn)時(shí)間為 07：45，洪峰相對(duì)誤差為11%，峰現(xiàn)時(shí)間誤差為0.75 h。

2 結(jié)論

1）基于流域DEM數(shù)據(jù)劃分小流域，建立小南湖流域山丘區(qū)小流域半分布式水文模型，將水文模型與GIS技術(shù)緊密結(jié)合，可適用于半濕潤(rùn)地區(qū)，可用于實(shí)際預(yù)報(bào)工作，可為防洪減災(zāi)、水資源管理調(diào)度提供依據(jù)。2）采用2場(chǎng)暴雨洪水過(guò)程對(duì)率定的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，洪峰相對(duì)誤差均小于20%，模擬結(jié)果較好。3）本文建模時(shí)率定過(guò)程中未添加水庫(kù)單元，在一定程度上影響模型的計(jì)算精度。后期需將水庫(kù)單元添加到模型中，進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確度。