HEC-HMS模型在定安河流域的應用

孫亞楠

（河北省廊坊水文勘測研究中心，河北 廊坊 065000）

水文模型的實質是用數學方法進行水循環的描述和模擬，為水資源管理和決策提供基礎的技術手段和參考依據[1]。近年來，隨著遙感和GIS 技術的日益成熟，可以方便地獲取不同時空分辨率的大量水文、氣象、植被、土壤數據等重要參數[2-4]，基于DEM的水文模型系統的應用和研究已成為現代水文模型的發展趨勢之一。由于各個水文過程有著不同的模擬方法，根據研究區的地形、土地利用、土地覆蓋、土壤特性，對這些方法進行優選搭配，針對研究區建立最佳的模擬方案，對于陸表水文循環研究有非常重要的意義。本文采用HEC-HMS 模型對定安河流域進行洪水徑流的模擬，根據研究區域的特點選擇相應的產匯流方法。

1 引言

定安河屬萬泉河水系，發源于海南省瓊中縣風門嶺，全長88 km，流域集水面積1 257 km2。流域平均降水量2 800 mm 以上，多年平均年徑流量18.39億m3，河流水量豐沛，屬于濕潤地區。定安河流域有1個蒸發站、1個水文站和11個雨量站。

HEC-HMS 模型是由美國陸軍工程兵團水文工程中心（HEC）開發的次降雨徑流模型，適用于洪水預報時的降雨徑流計算。該模型用相互聯系的水文和水力學要素表示流域水文過程，由降雨模擬直接徑流過程及河道水流演進過程[5]。模型采用模塊化操作方式，主要包括4 個相互獨立部分：流域模塊、氣象模塊、控制模塊和時間系列模塊。流域模塊主要包括對子流域的劃分、基于土壤吸收和存儲的損失計算模塊、將超滲降雨轉化成徑流計算模塊、徑流在河道中的匯集和傳播計算模塊和在天然河道中的演變計算模塊；氣象模塊主要用來掌握降雨量及其在區域上的分配；控制設定模塊主要用來設定計算的起始時間和終止時間；時間序列模塊主要用來輸入雨量站和流量站的數據。

在流域模塊中運用Arcgis 來劃分子流域，對輸入的數字高程模型（DEM）進行地形處理，提取出水系并劃分子流域，統計流域基本水文特征信息，最終生成HEC-HMS 模型可以使用的數據。在每個子流域內，HEC-HMS 模型根據其下墊面條件選定參數進行降雨徑流過程模擬計算，然后將計算結果演算到流域出口處。

HEC-HMS 模型在國內應用比較廣泛，為洪水風險分析及洪水預報工作提供了很多便利。本文在借鑒前人研究成果的基礎上結合研究區域的水文屬性，對定安河的2次洪水過程進行模擬研究，定安河流域如圖1所示。

圖1 定安河流域

2 HEC-HMS模型的建立

2.1 流域模塊

2.1.1 子流域劃分

運用Arcgis 對定安河流域1∶40 000 的DEM 進行子流域劃分，共劃分出6 個子流域。在Arcgis 中進行填洼、分割合并子流域，計算河流坡度、長度等，得到定安河流域的Basin 文件，Basin 流域如圖2 所示，安定河子流域概況詳見表1。

圖2 Basin流域

表1 定安河子流域概況

2.1.2 降雨損耗計算

研究中，運用土壤濕度計算模型SMA（Soil Moisture Accounting Loss）來表示降雨損耗。SMA 模型將土壤分成三層，分別是包氣帶含水層、淺層含水層和深層含水層。SMA模型主要包含的參數有土壤最大下滲率、張力水蓄水容量、包氣帶飽和蓄水深度、田間持水量、包氣帶向淺層含水層滲透率、淺（或深）層含水層蓄水容量、淺層向深層含水層滲透率和淺（或深）層含水層系數（表示地下水流速）等，在進行率定前，要注意包氣帶飽和蓄水深度要大于田間持水量，深層含水層系數要遠遠大于淺層含水層系數。

根據流域的下墊面情況先設定一個數值，然后進行參數優化。在優化時首先要選定上下限，在該范圍內進行迭代，最后得到參數的最優倍比，再分別乘上初始設定的參數，得到優化后的參數。

2.1.3 坡地匯流確定

在模型的率定期，流域匯流運用的是線性水庫法。該方法用于土壤濕度計算模型（SMA），可以采用與SMA模型相一致的校驗方法。

在模擬洪水過程時，流域的坡地匯流運用的是克拉克單位線法，該方法需要的參數有蓄水系數R和流域匯流時間t。R是凈雨排到出口時集水區域的臨時蓄水量指標，可由流域的降雨數據和流量數據估算出來。在本次模擬中，參數率定之后R最后取10，流域匯流時間t最后取6 h。

2.1.4 河道匯流演算

在模型的率定期，河道匯流演算采用滯后演算法。

在模擬洪水過程時，河道演算采用馬斯京根法，主要參數有河段長度、比降、馬斯京根系數K、流量比重因子x和河段分段數等。其中，K一般都要不小于時間步長，本次模擬洪水過程時間步長為1 h，且K/Δt的結果應近似于時間步長，故K取1；流量比重因子x的取值為0~0.5；河段分段數與各個河段長度有關，河段長度可在Arcgis中得到。

2.2 氣象模塊

該模塊主要是指流域內水文過程所需的雨量資料及計算面雨量的方法，本研究按泰森多邊形法計算各雨量站的權重，并計算流域的面雨量。

2.3 控制設定和時間序列模塊

控制設定模塊主要是設定計算的起始時間、終止時間和模擬的時間步長，時間間距一般為1 min~1 d 不等。本次模擬日模率定參數時間步長取1 d，模擬2次洪水時時間間距取1 h。

時間序列模塊主要是輸入雨量站和流量站的數據資料。

3 結果分析

3.1 驗證期結果分析

本研究選擇2008—2011 年的日均流量來率定參數，并選擇2012—2013 年的日均流量對率定參數進行驗證。率定完日模參數，最后日模率定期的Nasch 為0.718，模擬的結果如圖3 所示。用率定期定出的參數去驗證驗證期的結果，驗證期的Nasch為0.552，如圖4所示。

圖4 日模驗證期結果

由圖3—4可以看出，定安河2008—2011年的率定期結果比較好，但是驗證期的結果不好，這可能由于驗證期比較短且定安河處于濕潤地區，驗證期的2 a都發生了洪水，造成驗證期的模擬效果比較差。

圖3 日模率定期結果

3.2 洪水模擬結果分析

對2012年6月15—24日和2013年7月31日—8月7日的2次洪水過程進行模擬，并與實測流量過程進行了對比分析，洪水特征值詳見表2，模擬結果如圖5—6所示。

表2 洪水模擬成果

圖5 20120615實測流量、模擬流量和河道模擬流量、概化區域模擬流量過程線

由圖5—6 和表2 可以看出，2012 年6 月15 日和2013 年7 月31 日2 場洪水實測洪峰流量與模擬的洪峰流量吻合較好，誤差在10%以內。20120615 次洪水的Nasch 系數為0.923，20130731 次洪水的Nasch系數為0.937，由此可以看出2 次洪水的模擬效果均比較好。

3.3 參數敏感性分析

在調整日模參數和次洪參數過程中，發現了幾個比較敏感的參數，如土壤的最大下滲率、包氣帶飽和蓄水深度和張力水蓄水容量這3個參數對流量的影響比較大。經過多次調參發現，這3 個參數越大流量越小。在洪水調參過程中，對結果影響比較明顯的是克拉克單位線法中的匯流時間和儲蓄系數，匯流時間越短，洪峰越靠前；儲蓄系數越大，洪峰越高。

4 結語

圖6 20130731實測流量、模擬流量和河道模擬流量、概化區域模擬流量過程線

本研究表明，定安河流域率定期（2008—2011年）和2次洪水過程（20120615和20130731）模擬的效果比較好，但是驗證期（2012—2013 年）的效果不太好，這可能是因為2 次洪水都發生在率定期。由此說明，HEC-HMS 模型適用于大尺度流域降雨徑流過程的模擬，對我國濕潤地區的次洪徑流模擬具有較好的適用性。