HEC-HMS模型在定安河流域的应用

孙亚楠

（河北省廊坊水文勘测研究中心，河北 廊坊 065000）

水文模型的实质是用数学方法进行水循环的描述和模拟，为水资源管理和决策提供基础的技术手段和参考依据[1]。近年来，随着遥感和GIS 技术的日益成熟，可以方便地获取不同时空分辨率的大量水文、气象、植被、土壤数据等重要参数[2-4]，基于DEM的水文模型系统的应用和研究已成为现代水文模型的发展趋势之一。由于各个水文过程有着不同的模拟方法，根据研究区的地形、土地利用、土地覆盖、土壤特性，对这些方法进行优选搭配，针对研究区建立最佳的模拟方案，对于陆表水文循环研究有非常重要的意义。本文采用HEC-HMS 模型对定安河流域进行洪水径流的模拟，根据研究区域的特点选择相应的产汇流方法。

1 引言

定安河属万泉河水系，发源于海南省琼中县风门岭，全长88 km，流域集水面积1 257 km2。流域平均降水量2 800 mm 以上，多年平均年径流量18.39亿m³，河流水量丰沛，属于湿润地区。定安河流域有1个蒸发站、1个水文站和11个雨量站。

HEC-HMS 模型是由美国陆军工程兵团水文工程中心（HEC）开发的次降雨径流模型，适用于洪水预报时的降雨径流计算。该模型用相互联系的水文和水力学要素表示流域水文过程，由降雨模拟直接径流过程及河道水流演进过程[5]。模型采用模块化操作方式，主要包括4 个相互独立部分：流域模块、气象模块、控制模块和时间系列模块。流域模块主要包括对子流域的划分、基于土壤吸收和存储的损失计算模块、将超渗降雨转化成径流计算模块、径流在河道中的汇集和传播计算模块和在天然河道中的演变计算模块；气象模块主要用来掌握降雨量及其在区域上的分配；控制设定模块主要用来设定计算的起始时间和终止时间；时间序列模块主要用来输入雨量站和流量站的数据。

在流域模块中运用Arcgis 来划分子流域，对输入的数字高程模型（DEM）进行地形处理，提取出水系并划分子流域，统计流域基本水文特征信息，最终生成HEC-HMS 模型可以使用的数据。在每个子流域内，HEC-HMS 模型根据其下垫面条件选定参数进行降雨径流过程模拟计算，然后将计算结果演算到流域出口处。

HEC-HMS 模型在国内应用比较广泛，为洪水风险分析及洪水预报工作提供了很多便利。本文在借鉴前人研究成果的基础上结合研究区域的水文属性，对定安河的2次洪水过程进行模拟研究，定安河流域如图1所示。

图1 定安河流域

2 HEC-HMS模型的建立

2.1 流域模块

2.1.1 子流域划分

运用Arcgis 对定安河流域1∶40 000 的DEM 进行子流域划分，共划分出6 个子流域。在Arcgis 中进行填洼、分割合并子流域，计算河流坡度、长度等，得到定安河流域的Basin 文件，Basin 流域如图2 所示，安定河子流域概况详见表1。

图2 Basin流域

表1 定安河子流域概况

2.1.2 降雨损耗计算

研究中，运用土壤湿度计算模型SMA（Soil Moisture Accounting Loss）来表示降雨损耗。SMA 模型将土壤分成三层，分别是包气带含水层、浅层含水层和深层含水层。SMA模型主要包含的参数有土壤最大下渗率、张力水蓄水容量、包气带饱和蓄水深度、田间持水量、包气带向浅层含水层渗透率、浅（或深）层含水层蓄水容量、浅层向深层含水层渗透率和浅（或深）层含水层系数（表示地下水流速）等，在进行率定前，要注意包气带饱和蓄水深度要大于田间持水量，深层含水层系数要远远大于浅层含水层系数。

根据流域的下垫面情况先设定一个数值，然后进行参数优化。在优化时首先要选定上下限，在该范围内进行迭代，最后得到参数的最优倍比，再分别乘上初始设定的参数，得到优化后的参数。

2.1.3 坡地汇流确定

在模型的率定期，流域汇流运用的是线性水库法。该方法用于土壤湿度计算模型（SMA），可以采用与SMA模型相一致的校验方法。

在模拟洪水过程时，流域的坡地汇流运用的是克拉克单位线法，该方法需要的参数有蓄水系数R和流域汇流时间t。R是净雨排到出口时集水区域的临时蓄水量指标，可由流域的降雨数据和流量数据估算出来。在本次模拟中，参数率定之后R最后取10，流域汇流时间t最后取6 h。

2.1.4 河道汇流演算

在模型的率定期，河道汇流演算采用滞后演算法。

在模拟洪水过程时，河道演算采用马斯京根法，主要参数有河段长度、比降、马斯京根系数K、流量比重因子x和河段分段数等。其中，K一般都要不小于时间步长，本次模拟洪水过程时间步长为1 h，且K/Δt的结果应近似于时间步长，故K取1；流量比重因子x的取值为0~0.5；河段分段数与各个河段长度有关，河段长度可在Arcgis中得到。

2.2 气象模块

该模块主要是指流域内水文过程所需的雨量资料及计算面雨量的方法，本研究按泰森多边形法计算各雨量站的权重，并计算流域的面雨量。

2.3 控制设定和时间序列模块

控制设定模块主要是设定计算的起始时间、终止时间和模拟的时间步长，时间间距一般为1 min~1 d 不等。本次模拟日模率定参数时间步长取1 d，模拟2次洪水时时间间距取1 h。

时间序列模块主要是输入雨量站和流量站的数据资料。

3 结果分析

3.1 验证期结果分析

本研究选择2008—2011 年的日均流量来率定参数，并选择2012—2013 年的日均流量对率定参数进行验证。率定完日模参数，最后日模率定期的Nasch 为0.718，模拟的结果如图3 所示。用率定期定出的参数去验证验证期的结果，验证期的Nasch为0.552，如图4所示。

图4 日模验证期结果

由图3—4可以看出，定安河2008—2011年的率定期结果比较好，但是验证期的结果不好，这可能由于验证期比较短且定安河处于湿润地区，验证期的2 a都发生了洪水，造成验证期的模拟效果比较差。

图3 日模率定期结果

3.2 洪水模拟结果分析

对2012年6月15—24日和2013年7月31日—8月7日的2次洪水过程进行模拟，并与实测流量过程进行了对比分析，洪水特征值详见表2，模拟结果如图5—6所示。

表2 洪水模拟成果

图5 20120615实测流量、模拟流量和河道模拟流量、概化区域模拟流量过程线

由图5—6 和表2 可以看出，2012 年6 月15 日和2013 年7 月31 日2 场洪水实测洪峰流量与模拟的洪峰流量吻合较好，误差在10%以内。20120615 次洪水的Nasch 系数为0.923，20130731 次洪水的Nasch系数为0.937，由此可以看出2 次洪水的模拟效果均比较好。

3.3 参数敏感性分析

在调整日模参数和次洪参数过程中，发现了几个比较敏感的参数，如土壤的最大下渗率、包气带饱和蓄水深度和张力水蓄水容量这3个参数对流量的影响比较大。经过多次调参发现，这3 个参数越大流量越小。在洪水调参过程中，对结果影响比较明显的是克拉克单位线法中的汇流时间和储蓄系数，汇流时间越短，洪峰越靠前；储蓄系数越大，洪峰越高。

4 结语

图6 20130731实测流量、模拟流量和河道模拟流量、概化区域模拟流量过程线

本研究表明，定安河流域率定期（2008—2011年）和2次洪水过程（20120615和20130731）模拟的效果比较好，但是验证期（2012—2013 年）的效果不太好，这可能是因为2 次洪水都发生在率定期。由此说明，HEC-HMS 模型适用于大尺度流域降雨径流过程的模拟，对我国湿润地区的次洪径流模拟具有较好的适用性。