闽江均溪小流域分布式洪水模型的建立

张亮明，林木生

(闽江学院海洋学院，福州 350007)

0 引 言

随着全球气温变暖，洪水等极端水文显现频发，暴雨洪水相关研究已成为当前水文学热点问题[1]。水文模型是对生物自然界复杂多变的水文这一现象发生的近似动态模拟过程，用来解决实际生活中针对水文规律研究和生产实际问题提供一种最优的方法[2-3]。流域水文模型从无到有发展到当今，由于各个专家学者研究出于不同的目，故应用方法也不尽相同，在国内外也呈现了大量结构和功能不同的水文模型。种类繁多的水文模型，因划分标准的不同将会被区分成不同的种类，依据水文发生过程概化方式、程度的大小和相关假设进行分类，可以分为集总式水文模型和分布式水文模型两种模型[4]。HEC模型是美国联邦政府出资,由美国陆军工程师团水资源机构研制分布式暴雨洪水模型，模型包括HEC-GeoHMS和HEC-HMS两部分。HEC-HMS部分是洪水预报的主要是部分，由气象模式、流域模式和控制模式组成。该模型是一种系统而全面的次降雨径流模拟模型，根据DEM及水系特征，可以将一个大流域划分为若干子流域，结合下垫面时空发生变化的情况，按照软件步骤计算出相对应每个子流域的产流量数值的多少，汇流，出口断面等数据。太湖流域[5-7]、漳卫南运河流域[8]、晋江西溪流域[9-10]、官寨流域[11]等地区的洪水预报，结果表明该模型可以为预期的洪水预报提供很高的可信度[12-13]。

福建省地处温带海洋性气候地带，常年多雨，暴雨洪水频繁，闽江流域是福建省最大的流域，约占整个福建省国土面积的1/2。由于闽江流域面积较大，下垫面情况复杂，涉及的资料众多，建立整个闽江流域暴雨洪水模拟难度较大，因此，文章以闽江流域尤溪支流的均溪小流域为研究区，基于历史暴雨洪水资料，建立研究暴雨洪水HEC-HMS模型，为整个闽江流域暴雨洪水模拟的建立积累经验。

1 研究区概况和数据

1.1 研究区概况

均溪小流域属于闽江尤溪流域中的一个小流域，均溪自东向西流走，位于南部均溪与北部的文江溪在尤溪形成汇流，交汇于一起，并且一并流入闽江；西南部的桃源溪、上京溪则一同经过漳平和长潭，然后又同时汇入到九龙江里，研究区自然条件为“九山半水半分田”。有山区丘陵地带地形地貌的研究区，山峦蜿蜒不段，沿伸到沟涧。地势起伏，西南高东北略微地，呈现一种倾斜状态。东西跨度为57km，南北长度约为75km。其中有175座山峰海拔>1000m，最高峰为南端的大仙峰，海拔1519m，北部的文江溪下游河谷处是最低处，海拔<345m。研究区属中亚热带季风湿润区，常年阳光照射，降雨量丰沛，平均降雨量为1491.6-1809.7mm，平均气温为15.4-19.6℃/a，平均日照时数1723.8h/a，无霜期占了全年的5/6，农作物生长旺盛。山垅田、梯田的海拔在500m以上属于耕地，并且这2种类型的田地占全部耕地的71%，有60%之多的田地坡度达到15%及以上[14]。文章以大田水文站(117°50’E，25°40’N)控制的区域为研究区。研究区概况图，见图1。

图1 研究区概况图

2.2 研究数据

研究区所需要的数据库为水文气象数据和空间数据。水文气象数据主要有多场次暴雨洪水数据，包含8个雨量站和1个水文站数据，数据来源于《闽浙台河流水文资料(1979年)》。空间数据主要有30×30mDEM数据，研究区1985年土地利用数据和土壤数据。其中30mDEM数据和土壤数据分别来自地理空间云数据网站和中国土壤数据库网站，1985年土地利用数据来自中科院南京土壤所。

3 研究方法

3.1 研究思路

文章使用到的软件平台有：镶嵌了HEC-GeoHMS模块的ArcView软件、HEC-DSSVue软件、以及HEC-HMS水文模型。其中，ArcView软件是ESRI公司开发的地理信息处理，以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析的方法，提供多种空间的和动态的地理信息系统[15]处理的软件。HEC-GeoHMS模块是由美国陆军兵工团水文研究中心开发的DEM处理模块，该模块必须镶嵌在ArcView软件中，该模块主要用于下垫面水文参数的提取。HEC-DSSVue软件和HEC-HMS水文模型均是美国陆军兵工团水文工程中心开发的软件，其中，HEC-DSSVue软件是用于水文气象数据库的建立和数据的初步处理；HEC-HMS水文模型是开发的分布式水文模型。

3.2 空间参数提取

3.2.1 DEM数据处理

用ArcView软件里面带有HEC-GeoHMS这一工具对DEM数据进行处理。处理第1步：无洼地DEM的生成；第2步：流方向的计算；第3步：汇流累计的计算、水系提取，最后位子流域的划分。进而通过ArcView里面的统计工具、公式提取河流水系长度、各子流域面积、坡度坡长、河流比降等空间信息。DEM数据的处理，见图2。

图2 DEM数据的处理

3.2 水文气象数据库的建立

水文气象数据选用由美国陆军兵工团开发的HEC-DSSVue软件进行建库以及后续处理过程。HEC-DSSVue软件不仅能够存储降雨、径流量数据，还能对数据进行时间尺度内插和合并等操作。文章选取均溪小流域1979年3场暴雨洪水历史实测资料，数据来源于《闽浙台河流水文资料》。研究区共有1个水文站(大田水文站)，8个雨量站。站点名称为屏山站、辛溪站、石坑站、武陵站、大石站、梅岭站、小湖站、大田站。将研究时段各场次3场暴雨径流资料逐一录入HEC-DSSVue软件，由于个别站点降雨观测间隔为3h，需要利用HEC-DSSVue软件自带的数学函数功能，将3h降雨量内插成1h降雨量。具体软件操作界面如下。

3.3 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型[16]是美国陆军兵工团开发的分布式水文模型。此模型具有模块化设计的特点，对于不同的研究区域，依据实际情况选择最优的模拟方法。目前该模型被广泛应用于场次暴雨洪水的模拟。本次模拟采用4个步骤完成有：先进行方距离权重法将计降雨量的大小计算出来、然后用SCS单位线这种方法计算坡面汇流量以及SCS曲线的方法求出产流量的大小。在此以指数退水法为计算支持计算基流的大小情况，最后采用马斯京根法计算洪水演进从而得到模拟的真实展现。最终将分别经过HEC-GeoHMS模块处理和HEC-DSSVue软件建立的DEM数据以及水文气象数据导入HEC-HMS模型，进行场次洪水模拟，得到最终结果。

4 闽江均溪暴雨洪水模型的建立

文章基于均溪小流域1979年5月和8月份3场暴雨洪水历史数据，采用试错法对模型参数进行筛选，建立研究区场次暴雨洪水HEC-HMS模型[17]。洪峰流量相对误差、洪量相对误差、峰现时间和效率系数这些因素都是用来评价模拟结果好坏的指标。其中当洪峰流量相对误差、洪量相对误差和峰现时间越小时，结果表明此次模拟具有好的效果；当效率系数越接近于1，表明模拟结果和实测结果精确性高、误差低。场次暴雨洪水模拟结果，见图1，场次暴雨洪水模拟结果，见图3。

图3 场次暴雨洪水模拟结果

从表1分析可得，3场暴雨洪水的模拟结果均较好，其中平均相对洪峰误差仅为3.35%，洪量相对误差、峰现时差、效率系数分别为6.67%、0、0.85。国家洪水预报相关标准指出：洪峰相对误差<20%，预报结果为合格。文章进行模拟的3场暴雨洪水的洪峰流量相对误差均<20%，数据表明模拟效果较好。具体分析如下：19790503场次洪水模拟，洪峰流量相对误差为2.99%，洪量相对误差、峰现时差、效率系数分别为-2.04%、0、0.79。19790803场次洪水模拟，洪峰流量相对误差为1.9%，洪量相对误差、峰现时差、效率系数分别为-0.33%、0、0.83。19790822场次洪水模拟，洪峰流量相对误差为5.15%，洪量相对误差、峰现时差、效率系数分别为17.64%、0、0.94。

表1 场次暴雨洪水模拟结果

5 结 论

文章以大田水文站控制的闽江均溪小流域为研究区，基于1979年研究区3场历史暴雨洪水数据，采用镶嵌有HEC-GeoHMS模块的ArcView处理DEM数据，提取空间特征参数，采用HEC-DSSVue软件建立研究区暴雨洪水数据库，最后，采用HEC-HMS模型进行研究区水文参数的本地化研究，建立研究区分布式暴雨洪水模型。本次模拟首先采用方距离权重法将计降雨量的大小计算出来，然后用SCS单位线这种方法计算坡面汇流量以及SCS曲线的方法求出产流量的大小，指数退水法为计算支持计算基流，最后采用马斯京根法计算洪水演进从而得到模拟的真实展现。模拟的结果表明：

1)本研究是在遥感、GIS技术的帮助下，提取出流域下垫面地形地貌特征、植被的覆盖度大小、土地利用效率的多少、土壤等具体信息，得到计算结果，然后利用得到的结果和HEC-HMS水文模型[23}系统相耦合，形成分布式水文模拟方案。

2)本研究是基于历史场次洪水资料，建立研究区HEC-HMS模型。模拟结果表明，模拟得到的洪峰流量相对误差和洪量相对误差均<20%，HEC-HMS模型适合用于闽江均溪小流域。

3)本研究成果可以为研究区洪水预报提供技术支持，同时，为整个闽江流域分布式暴雨洪水模型的建立积累建模经验。