基于HEC-HMS的洪水预报模型研究

李 立

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)

洪水预报过程是一个十分复杂的过程，其与降雨、蒸发、径流及下垫面的情况均存在相关因素[1- 3]。为找出合适的模型应用于洪水预报中，为防洪防灾措施的制定提供依据，国内外已进行了大量的研究。目前针对洪水预报模型主要分为集总式水文模型和分布式水文模型两大类[4- 5]。与一般的传统水文模型相比，HEC-HMS模型存在多种产流、汇流、基流以及河道洪水演进的计算模块，使得模型可广泛应用到湿润、半湿润、干旱、半干旱地区，能够模拟多种环境条件下流域的洪水过程[6- 7]。截止到目前，HEC-HMS模型已逐渐被广泛应用。

国内外关于HEC-HMS模型的应用已取得了一些进展。Shahid等[8]在印度对HEC-HMS模型进行了应用，指出该模型的3个模块可较全面反映水文过程，从而提高水文模拟的精度；赵永超等[9]在紫荆关流域基于HEC-HMS模型对水文过程进行了验证，指出模型在率定期的确定性系数在0.762～0.932之间，精度较高；吴建红等[10]、刘洋等[11]均基于HEC-HMS模型进行了洪水预报过程模拟，取得了较好的结果。

本文以甘肃省兰州市为研究区域，基于HEC-HMS模型对洪水过程进行模拟，分别采用2种不同的计算方法，综合比较模型模拟精度，在验证HEC-HMS模型适用性的同时，找出最合理的参数率定方法，为洪水过程预报提供方法指导与理论依据。

1 研究方法

1.1 模型构建

HEC-HMS模型主要通过将流域划分为多个子流域，计算不同子流域的产流量，最后推求出整个流域的数值。模型主要分为流域模块、控制运行模块和时间序列数据模块3部分，将产流过程分为产流、汇流和洪水演算3个部分，采用2种方案来计算产流、汇流和洪水演算这3个过程。其中方案一：产流计算选用初损稳渗法，汇流计算选用运动波法，河道洪水演算选用马斯京根法；方案二：产流计算选用曲线法，汇流计算选用单位线法，河道汇流选用马斯京根法，比较2种方案下的模型模拟结果，从中进一步优化HEC-HMS模型的计算精度，具体方法过程见文献[12]。

1.2 模型验证

本文模型模拟结果评价指标体系采用相对误差(RE)、模型效率系数(Ens)和决定系数(R2)综合分析精度，具体公式如下：

(1)

(2)

(3)

2 模型模拟精度结果

选取洪号为20100830，20110746，20130814的3场洪水进行模型率定，选择20110715，20120807，20130718的3场洪水进行模型验证，通过2种方法率定模型后，3场洪水的率定结果如图1所示。

率定期和验证期不同次洪的模型模拟结果如图1和图2所示。由图1、图2和表1可以看出，HEC-HMS模型取得了精度较高的模拟结果。其中，方案二的模拟结果要明显高于方案一，方案二模拟值的变化趋势与实测值基本一致，其洪峰流量的出现时间、径流的形成过程均与实测值有较高的一致性。由表1可以看出，在统计的6场洪水中，依据GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》[13]可知，方案一有4场洪水洪峰流量误差在20%以下，合格率为66.7%，6场洪水模拟值的Ens在0.69～0.74之间，R2在0.68～0.76之间；方案二6场洪水洪峰流量和洪量的误差均在20%以下，合格率为100%，6场洪水模拟值的Ens均在0.80以上，R2均在0.85以上，总体符合要求。综上所述，采用方案一计算得出的模拟值精度明显低于方案二，HEC-HMS分布式水文模型采用方案二时模拟精度较高，可清晰地模拟再现洪水过程。

图1 率定期模型模拟结果

图2 验证期模型模拟结果

洪号方案一方案二洪量RE/%洪峰流量RE/%EnsR2洪量RE/%洪峰流量RE/%EnsR22010083015.5212.220.720.7410.3311.320.850.8620110746-30.66-20.110.690.6813.136.690.870.8720130814-11.06-13.170.740.711.334.950.880.8920110715-11.02-4.220.720.728.68-1.070.870.9020120807-6.02-21.920.710.76-6.113.890.820.902013071830.36-13.280.700.745.482.840.890.91合格率统计66.7%66.7%0.710.73100%100%0.860.89

对模型涉及的各个参数进行敏感性分析，可得出影响模型模拟洪峰流量精度的关键因素。据统计，模型共有树冠截留量I、地表截留量W、土壤饱和含水率θs、土壤湿润锋吸力Sf、土壤稳定下渗率φ、流域滞时Lt、衰减系数RC、峰值比R、蓄量常数K和流量比重因子X共10个参数。采用Morris筛选法[14]，分别取验证期的3场洪水进行演算，结果见表2。由表2可以看出，RC和R对洪峰流量为正敏感，其余参数均为负敏感，影响最大的因素为树冠截留量，即树冠截留量越大，洪峰流量越小。峰值比R、地表截留量W、衰减系数RC的影响次之，其余因素的敏感性较低。综上所述，树冠截留量是影响水文径流洪峰流量最关键的因素。

表2 参数敏感系数取值

3 结语

本文通过HEC-HMS模型模拟了整个水文径流过程，得到了较好的模拟结果，分别采用了2种方法进行模拟，确定了最优方法与影响的关键因素，本文对今后模型的应用和水文预测均提供了一定的理论依据。本文选择了6场洪水进行了验证，在今后的工作中，尽可能多地选择一次代表性洪水进行模型验证，同时可采用遗传算法等方法优化HEC-HMS模型，进一步提高模型的模拟精度。