基于WMS的淮河流域阜阳段降雨径流过程模拟

程千云

(安徽省驷马山引江工程管理处，安徽 马鞍山 238251)

1 研究区概况

阜阳位居大京九经济协作带，是东部地区产业转移过渡带，是中原经济区东部门户城市，豫皖省际中心城市，皖北商贸、物流、教育、科技文化卫生、医疗中心城市，长三角一体化区域中心城市。阜阳市水资源主要由自然降水，河道过境水和地下水构成。全地区年均降水820-950mm，年均河道过境水径流量38.22亿m3。阜阳市境内河流均属淮河水系。主要自然河道从西往东依次有谷河、润河、泉河、颍河、西淝河、茨河、澥河、包河等。这些河道大都源于黄河南岸平原，属原雨坡型河道，水源补给主要靠平原地区自然降水[1]。

2 模型简介及数据选择

2.1 模型简介

WMS软件由美国杨百翰大学(BrighamYoungUniversity)与美国陆军工程兵团水道实验战(WES)共同开发研制。软件计算精度高、可视化功能强大，且能与GIS系统完美对接，已被广泛运用。

WMS可以使用矢量地图、DEM、TIN等格式的数据来进行地形分析和水文过程模拟，软件嵌入了许多水文模型模块，主要包含的模型有：HEC-1、HEC-HMS、HEC-RAS、GSSHA等。WMS的主要应用领域有：降雨-径流模拟、土地利用规划评估、洪水预报、地表水和地下水的交互作用等。

HEC-HMS模型是美国陆军工程兵团水文中心(HydrologyEngineeringCenter)在HEC-1的基础上并结合地理信息系统及图形使用界面开发的一种分布式水文模型，主要用于降雨-径流过程模拟。该模型由HEC-DSS、HEC-GeoHMS与HEC-HMS组成。HEC-HMS降雨径流概念模型，见图1。

图1 HEC-HMS降雨径流概念模型

HEC-HMS水文模型提供了12种计算产流的方法，分别是初损稳渗法、SCS曲线法、格网SCS曲线法、格林-艾姆普特法、格网格林-艾姆普特法、盈亏常数法、格网盈亏常数法、土壤湿度法、格网土壤湿度法和指数法等[2]。

2.2 数据选择

研究中所用的水文气象数据来源于相关历史报道文献，锦江流域特征参数依据研究区DEM数据，运用Arcgis软件提取相关参数值。数据源表，见表1。

表1 数据源表

3 降雨径流过程模拟

3.1 参数敏感性分析

文章以阜阳19950701洪水灾害的降雨作为模型输入，在初始参数的径流模拟结果下，对模型中的相关参数进行敏感性分析。具体方法是：使各参数在初始值的-20%-20%之间变动，每次变动幅度为5%，最后计算径流总量、洪峰流量、洪峰到达时刻的相应变化率。相关参数变化时洪峰流量的变化率和相关参数对于洪峰流量的敏感度分级，见表2-3；相关参数变化时洪峰流量的变化率曲线，见图2。

表2 相关参数变化时洪峰流量的变化率

表3 相关参数对于洪峰流量的敏感度分级

图2相关参数变化时洪峰流量的变化率曲线

从表2-3和图2可以分析得出，参数CN值得变化率在-20%-20%时，洪峰流量的变化幅度达-20.407%-19.479%，敏感度达1.02，CN值对洪峰流量的影响属于高敏感类型，CN值变大，洪峰流量变小，即趋势相反；滞流时间变化率在20%-20%时，洪峰流量的变化幅度达-13.554%-19.231%，敏感度达0.962，滞留时间对洪峰流量的影响属于敏感类型，滞流时间变大，洪峰流量也变大，趋势一致；初始损失量变化率在-20%-20%时，洪峰流量的变化幅度达-1.231%-1.195%，敏感度为0.06，初始损失量对洪峰流量的影响属于中等敏感类型，初始损失量变大，洪峰流量也相应变大，趋势也一致。所以CN值对洪峰流量最为敏感，滞流时间对洪峰流量的影响也很大，而初始损失量对洪峰流量的影响就比较小。相关参数变化时总径流流量的变化率，见表4；相关参数对于总径流流量的敏感度分级，见表5；相关参数变化时总径流流量的变化率曲线，见图3。

表4 相关参数变化时总径流流量的变化率

表5 相关参数对于总径流流量的敏感度分级

图3相关参数变化时总径流流量的变化率曲线

从表4-5和图3可以分析得出，参数CN值得变化率在-20%-20%时，总径流流量的变化幅度达-19.444%-19.182%，敏感度达0.972，CN值对总径流流量的影响属于敏感类型，CN值变大，总径流流量变小，即趋势相反；滞流时间变化率在-20%-20%时，总径流流量的变化幅度达-1.395%-0.678%，敏感度为0.034，滞流时间对总径流流量的影响比较小，滞流时间变大，总径流流量也变大，趋势一致；初始损失量变化率在-20%-20%时，总径流流量的变化幅度达-1.355%-1.356%，敏感度为0.068，初始损失量对总径流流量的影响属于中等敏感类型，初始损失量变大，总径流流量也相应变大，趋势也一致。所以CN值对总径流流量最为敏感，滞流时间和初始损失量对总径流流量的影响就比较小。

3.2 参数率定

当初始参数提取并输入以及降雨径流模型初步建立后，需要对模型进行校正和验证,通常将数据资料分为两部分，一部分用于模型的校正，另一部分则用于模型的验证。模型的校正是调整模型参数、初始条件及限制条件的过程，使模拟结果接近资料的实际数据；模型的验证是通过输入另一组实资料据，通过对比模拟结果与实际数据的拟合度，验证参数率定的精确度。只有进行参数校正并通过验证的模型才能应用于降雨径流模拟过程中去。计算参数表，见表6。

表6 计算参数表

3.2.1 模型参数的校正

常用的模型参数率定方法有试错法和目标函数法。试错法(也称人工调参法)，即通过人工不断的修正参数以减小模拟值与实际值的误差，该方法的缺点是费时耗力，优点是运用简单且可人为控制；目标函数法通过设定某一目标函数，对模拟结果进行自动优化，该方法法的优点是率定速度快，缺点有时相关参数的物理意义可能会被忽略。本研究采用人工调参法进行参数率定，通过不断试错，确定最佳参数。参数优化流程图，见图4。

文章以阜阳19950701那场降雨引发的洪涝灾害作为模型的校正数据，先将参数调整到输出的模拟结果与“950701”洪灾数据相接近；将20140715那场降雨引发的洪涝灾害作为模型验证数据，用校正完成的参数模拟“140715”洪涝灾害以此来验证模型的精确度。

图4 参数优化流程图

文章研究洪水灾害风险评估，对重现期不同降雨强度下研究区是否有洪涝风险作出评估，着重点是预测重现期内洪涝灾害是否发生，暂不考虑洪涝灾害发生的时间点。所以对本研究具有重要研究意义的模拟数据是洪峰流量，通过上面的参数敏感性分析我们得出，CN值对洪峰流量最为敏感，因此本研究将CN值作为主要率定参数进行调整。模型参数率定表，见表7。

表7 模型参数率定表

3.2.2 模型验证及精度分析

通过对参数的率定和降雨径流模拟，最终分别得到校正模型和验证模型降雨径流模拟结果，模型验证期降雨径流实际数据与模拟结果对比，见表8。

表8 模型验证期降雨径流实际数据与模拟结果对比

为了验证参数率定的可靠性和判定率定后的模型是否可用于研究区重现期的降雨径流模拟，需要对率定后的模型进行精度分析。本研究采用洪峰流量相对误差(REp)来对模型模拟结果进行精度分析。依据《水文情报预报规范》SL250-2000，洪峰预报以实测流量的20%作为可容误差，洪峰流量预报的相对误差的绝对值越小，模拟结果就越好。验证期模拟结果精度，见表9。

表9 验证期模拟结果精度

从验证期的模拟结果来看，模拟值比实测值略小，且其相对误差远远<可容误差20%，所以从精度分析的结果上来看，验证期的径流模拟是合格的、可靠的和比较理想的。因此可以用率定好的参数进行重现期降雨径流模拟。

3.3 重现期降雨径流模拟

1)20a一遇暴雨降雨径流模拟。把计算得出的20a一遇暴雨强度(157.54mm)输入校正后的模型中，得到20a一遇暴雨降雨径流模拟结果。在20a一遇的24h暴雨强度下，流域最大洪峰流量为2465.9m3/s，子流域1B和子流域2B的最大洪峰流量分别为729m3/s、1397.9m3/s。

2)50a一遇暴雨降雨径流模拟。把计算得出的0a一遇暴雨强度(180.01mm)输入校正后的模型中，得到50a一遇暴雨降雨径流模拟结果。在50a一遇的24h暴雨强度下，流域最大洪峰流量为3348.4m3/s，子流域1B和子流域2B的最大洪峰流量分别为1021.2m3/s、1881.2m3/s。

4 结 论

文章以淮河水系阜阳段为研究区域，进行了降雨径流模拟，并对模型相关参数进行了局部敏感性分析，以敏感性分析结果为参考依据，进行参数率定。通过敏感性分析得出CN值是最敏感参数，所以对CN值进行调参，调参后的模拟结果精度提高，得到较好的模拟结果：从降雨径流模拟结果上来看，洪峰流量值与实际数值拟合的非常精确，选取的两场降雨模拟的峰值流量相对误差分别为-0.0147%与-0.174%。