采用分布式HEC－HMS水文模型的晋江流域暴雨次洪模拟

陈芬，林峰，陈兴伟

（1.福建师范大学 地理研究所，福建 福州 350007；2.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）

采用分布式HEC－HMS水文模型的晋江流域暴雨次洪模拟

陈芬1，2，林峰1，陈兴伟2

（1.福建师范大学 地理研究所，福建 福州 350007；2.福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）

以晋江流域为研究区域，采用分布式HEC－HMS水文模型进行暴雨次洪模拟 .分别通过SCS曲线数法计算水文损失，单位线法计算直接径流，Muskingum模型进行河道洪水演进，基流指数退水法模拟流域基流，并以1972－1979年的实测数据进行参数的率定及验证.研究结果表明：单峰的洪水模拟结果与实测数据拟合比较好，模型效率系数都在0.8以上，峰现误差为3h以内；多峰的洪水效率系数在0.6以下.

HEC－HMS水文模型；晋江流域；洪水模拟；暴雨

分布式模型以其具有明确物理意义的参数结构成为水文学研究的热点.HEC－HMS是美国陆军工程师团水文工程中心研发的水文模型系统，主要用于树状流域降雨－径流过程的模拟，是一个同GIS紧密耦合的分布式水文模型［1－3］.它充分考虑了流域下垫面和气候因素的时空变异性，以及地表参数变化对水文过程的影响.国外很早就利用HEC－HMS进行径流模拟［4－9］，而我国模拟应用还处于初期阶段.张建军等［10］，雍斌等［11］利用HEC－HMS水文模型系统对官寨流域、汉江褒河流域半干旱半湿润地区进行适应性研究；万荣荣等［12］在太湖上游西苕溪流域进行次洪水模拟及土地覆被变化的洪水响应.近年来，晋江流域上游由于不合理的人类活动，使得同样量级的暴雨洪水的洪峰流量及洪峰峰现时间发生变化，小流域山洪频繁，造成巨大的经济损失及人员伤亡，山洪灾害已成为当地经济发展的制约因素之一.本文利用HEC－HMS水文系统模型，进行晋江流域分布式洪水模拟.

1 研究方法与数据处理

1.1 研究区概况

晋江流域位于福建省东南部，西有戴云山脉，东面滨海，流域面积5 629km2.其中石龚水文站控制区流域的研究区面积为5 007km2.研究区属典型的亚热带海洋性季风气候，具有季风气候的显著特点，雨热同期，降水和气温随季节变化明显；降水丰富，但时空分布不均，自东南向西北递增，西北局部山区年降水量可达2 000mm，年平均降水量为1 200～1 900mm，降水的年内分布极为不均，降雨主要集中在5～8月，占全年60%以上.受台风影响，暴雨洪水发生频率高，洪水流量大，破坏力强，如1935年的洪峰流量达1万m3·s－1.该区经济发达，人类活动比较活跃，土地利用／覆被变化较大，部分地区水土流失严重，径流的空间分布也差异较大.

1.2 HEC-HMS水文模型

HEC－HMS水文模型根据数字高程模型（DEM）将流域划分成若干网格单元或自然子流域，然后计算每一个单元（子流域）的产流量、坡面汇流和河道汇流，最后演算至流域出口断面.模型主要包含净雨计算、直接径流过程模拟、基流计算和河道洪水演算等4个计算子模型 .每个计算子模型包括多种可供选择的计算方法，即可根据不同的流域、资料情况及计算目的选择不同计算方法.HEC－GeoHMS是HEC－HMS的数据接口，对输入的DEM等数据进行处理，生成HEC－HMS可以接受的格式文件.

1.3 数据处理

1.3.1 数据库的建立 利用HEC－DSSVue数据库系统，输入1972－1979年研究区流域内7场洪水的40个雨量站累积雨量数据、3个水文站同期流量数据及山美水库的实测数据，建立研究区的雨量数据库和流量数据库.整理已有的30m分辨率的DEM数据，1∶50万的晋江流域土壤图，1∶10万福建省土地利用／覆被遥感解译数据图，通过数据配准及投影转换，统一为高斯克里格投影；按照径流曲线数（SCS）法对土壤水文类型的划分，将土壤分为4大类型，与土地利用图迭加得到水文响应单元（HRU）.

1.3.2 流域水文参数的处理 利用HEC－GeoHMS 1.1模块对研究区的DEM进行填洼、流向、汇流累积量计算，提出河网，划分子流域，定义流域出口，获取流域的地形参数及河道特征参数 .然后，把研究区划分为48个子流域，计算出子流域坡度、流域中心位置，以及河长、最长水流路径和流域滞时参数等，生成HMS文件，为HEC－HMS模拟提供流域的基础数据（图1）.研究区的平均坡度为29.7°，河道总长度为479.406km.

1.3.3 雨量数据空间插值 由于降雨数据的空间分布不均匀，而流域的雨量站数据有限且分布也不均匀，故采用距离平方倒数（RDS）法计算流域平均降量.RDS法把无测站点的降雨视为附近雨量站点降雨和雨量站点间距离的函数，对较近的站赋予较大的权重.

图1 研究区的HMS图Fig.1 HMS map of study area

2 流域模型模拟的过程

2.1 水文损耗计算

选择美国土壤局的SCS曲线数值法来计算降雨损耗.SCS模型的降雨－径流关系的表达式［13］为

S值的变化幅度很大，从实用出发引入一个无因次参数CN与S建立经验关系，即S＝（25 400／CN）－254.CN称为曲线数，用于描述降雨－径流关系，它将AMC（前期土壤湿润程度）、坡度、土壤类型和土地利用现状等因素综合在一起，用定量的指标来反映下垫面条件对产汇流过程的影响［14］.

2.2 直接径流

直接径流模拟采用SCS单位线法.它是由美国农业水土保持局（Soil Conservation Service，简称SCS）提出的一个参数单位线模型.研究表明，单位线洪峰流量与单位线到达洪峰时间之间的关系［15］为

式（2）中：A为流域面积；C为转换系数，国际单位中的数值为2.08；tP为单位线到达洪峰时间，tP＝Δt／2＋tlag，Δt为净雨历时（计算时间间隔），tlag为洪峰滞时.在该模型中，基于划分的子流域，自动计算各子流域平均洪峰滞时.

2.3 河道的洪水演进

Muskingum模型以上游水文过程线为边界条件，运用圣维南方程组计算下游的水文过程线.该模型是在圣维南（Saint－Venant）方程组的基础上，根据河段的水量平衡原理与蓄泄关系，把河段上游断面的入流量过程演算为下游断面的出流量过程的方法.模型将连续性方程作差分［13］，即

式（3）中：It－1和It分别为t－1t时刻的入流；Qt－1和Qt分别为t－1和t时刻的出流量；St和St－1分别为t－1和t时刻的河段蓄量

Muskingum模型把河道槽蓄量定义为

式（4）中：K为蓄积量常数；X为流量比重因素；XIt＋（1－X）Qt为权重流量.当X＝0时，表示河道由下游条件控制，河槽蓄量与出流量之间有高度相关性；当X＝0.5时，则表示赋予入流和出流相同的权重.联立方程（3），（4）可得

Muskingum模型根据入流过程、初始条件，以及K和X的值，通过递归方法计算出流量过程线.

2.4 基流指数退水

基流指数退水法适合基流受降雨事件影响大的流域，解释自然流域的基流，其退水曲线［16］为

式（6）中：Q0为初始时间的基流；Qt为Q0以后t时段的基流量；K为小于1的退水系数.在模型中，K被定义为t时刻的基流量占前一日基流量的比率.

3 模型的校验

3.1 参数的率定

由于CN值已经确定，洪水流域滞时的延迟时间由Geohms模块直接计算获得 .因此，洪水模拟中需要率定的参数有：初损、初始基流量、基流退水系数、退水拐点流量、流量比重因子、蓄积量常数.

3.2 模型的校验

Nash－Suttcliffe模型效率系数（Eos）［17］同时选择相关系数（r）、相对误差（ER）和峰现误差做为验证模型模拟的精度，其计算式为

式（7）中：Qs，i为i时间段的流量过程的模拟值；Qo，i为i时间段的流量过程的观测值；¯Qo为观测流量过程的均值；¯Qs为模拟流量过程的均值；n为模拟的时段数.

4 结果与分析

利用1972－1973年的实测流量数据进行参数的率定，而以1974－1979年的流量数据进行模型的验证，结果如表1所示.表1中：Qo，Qs分别是洪峰流量的观测值和模拟值；ER，Q为洪峰流量相对误差；∑Qo，∑Qs分别是洪水总量的观测值和模拟值；ER，∑Q洪水总量相对误差；Δt为峰现时差；Eos为效率系数；r相关系数.

表1 研究区次洪模拟结果Tab.1 Results of simulating rainfloods in study area

从表1可知：率定期1972年，1973年两场洪水的效率系数和相关系数都大于0.9，峰现误差在3h误差之内，洪峰相对误差为3%之内，洪量相对误差为11%之内；验证期1977年，1978年，1979年的效率系数分别为0.925，0.810，0.870，相关系数都大于0.8，洪峰误差都在1h以内，洪峰流量的相对误差在6%以内，洪量相对误差在10%以内.模拟结果在预报的误差范围以内.1974年和1975年两场次洪的模拟结果不理想，效率系数分别为0.302和0.599，不能达到预报的精度，这主要是由于多峰型洪水的情况相对比较复杂.模拟结果表明：该模型对于晋江流域单峰洪水模拟表现出良好的适应性.

从图1还可看出：对于单峰型洪水，出口断面模拟的洪水过程线与实测过程吻合较好，模拟的总体效果比较好；对于多峰型洪水，误差比较大，主要表现为峰现时间提前，洪峰陡涨陡落.

图2 率定期与验证期模拟流量过程线Fig.2 Comparisons of simulated and observed streamflow hydrograghs in different calibration and validation periods

5 结束语

采用分布式水文模型HEC－HMS对晋江流域典型降雨次洪进行模拟，单峰型的暴雨次洪模拟效率系数大于0.8，模拟的流量过程线与实际的流量过程线总体吻合 .模拟结果表明：HEC－HMS模型对晋江流域单峰型的暴雨次洪模拟具有较好的适应性，可为晋江流域及闽东南无资料地区的单峰洪水模拟及预警提供可行的方法及技术手段.然而，对于多峰型洪水，由于情况比较复杂，模拟的误差也比较大.

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Application of HEC－HMS Distributed Hydrological Model to the Rainflood Similation in Jinjiang River Basin

CHEN Fen1，2，LIN Feng1，CHEN Xing－wei2

（1.Institute of Geography，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China；2.College of Geographical Sciences，Fujian Normal University，Fuzhou 350007，China）

Taking Jinjiang River Basin as a study area，the HEC－HMS distributed hydrological model was used in simulating rainfloods occurred in the basin.In the process of simulation，the hydrological loss was calculated by the SCS curve method，the direct run－off by the unit line method，the channel flowing by the Muskingum model and the basin baseflow by the way of exponential eecession mode.After calibration and validation on the basis of measured data during 1972and 1979，it was found that，for uni－modal floods，the efficiency coefficients of the model were all great than 0.8and the error time of peak flow was within 3hours，showing a better performance in rainfloods simulation than for multi－modal floods，whose efficiency coefficients of the model were lower than 0.6.

HEC－HMS hydrological model；Jinjiang River Basin；flood simulation；rainflood

P 333.2；P334.92

A

1000－5013（2012）03－0325－05

2011－11－07

陈芬（1971－），女，助理研究员，主要从事 GIS应用及水资源的研究.E－mail：fchen11＠163.com.

福建省科技计划重点基金资助项目（2009R10039－2）

（责任编辑：钱筠 英文审校：吴逢铁）