河南鲁山县鸡冢河小流域典型暴雨洪水过程模拟分析

2022-11-23朱恒槺李虎星

中国防汛抗旱 2022年11期

朱恒槺李虎星钟凌

（1.河南省水利科学研究院，郑州 450003；2.河南省水利工程安全技术重点实验室，郑州 450003；3.华北水利水电大学，郑州 450045）

0 引言

在全球气候变化背景下，流域的水文条件变化显著，特别是受极端天气的影响，局地暴雨洪水频发，区域性灾害不断发生[1]。暴雨是指在短时间内出现高强度的大量降水，在山丘区易造成山洪灾害，在城市易形成内涝，对经济的发展和人民的生命安全造成严重威胁[2]。河南省地处北亚热带与暖温带的过渡带，季风影响强烈，再加上西部、南部为连绵起伏的山地，东部为广阔坦荡的平原，进入省内的主要来自东南方向的暖湿气流受西部山地的影响，气流急剧上升，极易产生大暴雨。许多对灾害性洪水成因分析的研究表明，强降雨是诱发洪水灾害的主要动力。为深入了解洪水成灾原因，加强洪水预报预警系统的建设，有必要对暴雨洪水过程进行模拟分析研究[3]。

根据《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》（84 图集）和《河南省防汛水情资料汇编资料》（1982年），沙颍河上游鲁山-鸡冢为河南省三大暴雨中心之一。据资料统计：鲁山县鸡冢乡1951年7月暴雨引发泥石流，死亡17人，毁房21 间；1956 年6 月20 日，7 h 降雨量437.7 mm，暴雨引发泥石流，冲走四棵树乡柴沟村推车坡组半个村庄。为进一步了解鸡冢河小流域的暴雨洪水规律，收集近30 a汛期的鸡冢河小流域雨水情资料和山洪灾害调查评价成果数据，从中选取多场典型暴雨过程，采用HEC-HMS 模型进行场次洪水模拟，产流计算选用初损稳渗法，径流计算选用斯内德单位线，河道洪水演算选用马斯京根法，探讨并总结其在鸡冢河小流域的适用性和局限性，为HEC-HMS 模型在邻近类似小流域的推广应用提供参考。

1 研究区概况

鸡冢河小流域位于河南平顶山市鲁山县团城乡，处于伏牛山东缘，属于淮河流域的沙河水系，研究范围内流域全长10.3 km，流域面积约为45.12 km2。流域内设有鸡冢水文试验站1 个，雨量站5 个（九道沟、玉皇庙、五道庙、王家庄和豹子沟），建站时间均在1980年之前。从东南方向进入的水汽，受到地形影响急剧上升，极易产生暴雨，该流域多年平均24 h 暴雨量在150 mm 以上，1967 年7 月10 日中心实测最大24 h点暴雨量太山庙河豹子沟站为479.1 mm，流域数字高程、水文站、雨量站及水系情况见图1。

图1 鸡冢河小流域概况

2 数据源与模型构建

2.1 数据源

本次研究采用的行政区划和水文站、雨量站监测站点矢量数据来源于2013年山洪灾害调查评价成果；数字高程模型（DEM）下载于地理空间数据云平台，为GDEMV2 30 m分辨率数字高程数据；土地利用数据来源于国家基础地理信息中心全球30 m 地表覆盖数据；近30 a 的雨水情数据收集于1980 年以来的淮河流域水文年鉴和鸡冢河小流域已有的1个水文站和5个雨量站的汛期逐日降雨、流量观测资料。

2.2 模型构建

HEC-HMS模型主要包括流域模块、气象模块、控制模块和资料系列模块[4-5]。流域模块主要是通过HEC-GeoHMS根据DEM采用水文分析生成[6-7]，水系提取具体包括填洼、流向、水流累积量、河流分割、流域网格轮廓、流域多边形处理、排水线处理等步骤，流域特征提取主要包括河流长度、坡度、流域中心、最大汇流路径等特征，最终生成HMS流域模型[8]；气象模块可以从HEC-DSS 软件添加，也可以手动输入；控制模块直接输入所选取的次洪过程的时间范围；资料系列模块直接手动输入相关测站对应控制时间的降雨和流量数据。通过模型的构建把鸡冢河小流域分为7个子流域，鸡冢水文站作为流域出口断面。

图2 HEC-HMS模型中鸡冢河小流域概化模型

3 实测资料整理及典型次洪前期影响雨量计算

3.1 暴雨特征值统计

鸡冢水文站和九道沟、玉皇庙、五道庙、王家庄、豹子沟5个雨量站的逐日降雨观测资料，由1982-2016年间淮河流域水文统计年鉴获取。流域内面雨量的计算采用算术平均法，经过统计得到鸡冢河小流域汛期（5-9月）的暴雨特征情况（表1），其中有部分月份的观测资料缺失。通过统计数据可以看到，鸡冢河小流域汛期多年平均降雨量达到1 122.3 mm，日最大降雨量在2000年达到423.6 mm，日平均最大降雨量达到127.6 mm，与同纬度的其他地区相比偏高[10]。

表1 鸡冢河小流域多年暴雨特征值mm

3.2 典型次洪过程的选取

先划分降雨场次，再找相对应的洪水场次，即根据降雨的开始时间找其之后时间对应的起涨点作为洪水的开始时间。雨场划分原则如下：①长时间间隔的场次降雨分割采用前后24 h无降雨的原则；②中等时间间隔的场次降雨采取前后连续12 h无降雨的原则；③短时间间隔的场次洪水分割以大于4 mm相对应时刻为该场次降雨的开始时刻，以小时雨量连续3 h小于4 mm的开始时刻为该场次降雨的结束时刻。根据以上次洪选取原则，共挑选出1982-2012年期间共10场场次洪水，编号对应其年月日。

3.3 前期影响雨量计算

前期影响雨量Pa一般采取经验公式计算：即

式中：Pa(t+1)表示第t+1 天开始时的前期影响雨量，mm；Pa(t)表示第t天开始时的前期影响雨量，mm；P(t)表示第t天到第t+1 天之间的降雨量，mm；K表示流域蓄水的日消退系数，必须保证Pa(t+1)≤Im，Im为流域最大蓄水量，mm。根据《河南省鲁山县山洪灾害分析评价报告》确定鲁山县小流域最大蓄水量Im为70 mm，消退系数K取0.95。通过逐日计算可得这10场次洪过程初始时刻的前期影响雨量Pa（表2）。

表2 初始前期影响雨量计算结果

4 前期土壤含水量对洪水过程影响分析

4.1 不同前期影响雨量洪水过程分析

从历年的洪水资料中选取“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3场洪水，其前期影响雨量分别位于40～49 mm、50～59 mm、60～69 mm 3 个区间，降雨量分别为79.6 mm、82.2 mm、82.6 mm，3场洪水的降雨过程历时都在8 h内，根据实测的降雨记录数据，如表3 所示，3 场洪水从雨量、雨型和雨强来看基本类似。3 场洪水的洪水流量过程线和其对应的降雨过程如图3 所示，从图中可以看出3 场洪水过程其洪水过程线形状基本一致，这与前面判断的3场洪水降雨过程基本一致是对应的。“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3场洪水过程的洪量分别为105.3万m3、156.1万m3、170.8 万m3，3 场洪水过程的洪水总量随着前期影响雨量的增加而增加；“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3 场洪水过程的洪峰流量分别为131 m3/s、142 m3/s、171 m3/s，3场洪水的洪峰流量随着前期影响雨量的增加而增加；“1984.7.2”“1985.7.24”“1988.8.14”3 场洪水的峰现时间分别为4 h、6 h 和7.5 h，3 场洪水的峰现时间随着前期影响雨量的增加而变短。

表3 3场洪水降雨过程 mm

4.2 相同前期影响雨量下洪水过程分析

分别选取前期影响雨量在40～49 mm、50～59 mm、60～69 mm的3组洪水过程。前期影响雨量为40～49 mm的场次洪水有3场，分别为“1983.9.7”“2012.9.1”“1984.7.2”，其降雨量分别为129.7 mm、112.3 mm、82.6 mm；前期影响雨量为50～59 mm 的场次洪水有5 场，分别为“2009.8.29”“1984.7.24”“2009.8.17”“1985.7.24”“2004.8.11”，其降雨量分别为99 mm、94 mm、82.2 mm、70.4 mm和39.3 mm；前期影响雨量为60～69 mm的场次洪水有2场，分别为“1988.8.14”“2012.7.7”，其降雨量分别为82.6 mm、56.6 mm。这10 场洪水具体指标详见表4，不同前期影响雨量的洪水过程见图4至图6。从图中可以看出前期影响雨量基本相同的情况下，场次洪水的洪量随着降雨量的增加而增加，场次洪水的洪峰流量随着降雨量的增加而增加。

表4 10场洪水指标统计表

图4 40～49 mm前期影响雨量的洪水过程

图5 50～59 mm前期影响雨量的洪水过程

图6 60～69 mm前期影响雨量的洪水过程

5 HEC-HMS模型在水文模拟中的应用

5.1 洪水过程模拟及参数率定

根据研究区暴雨洪水资料及历史山洪灾害情况，选取2场典型降雨洪水资料（“1984.7.24”“2012.9.1”）进行模拟，其中产流计算、径流计算、河道洪水演算分别选用初损稳渗法、斯奈德单位线和马斯京根法，优化算法选用利用单纯形法检索目标值的内尔德米德优化算法，率参后的最优参数见表5至表7。

表5 初损后损法参数取值

表6 斯奈德单位线参数取值

表7 马斯京根法参数取值

5.2 结果与分析

通过HEC-HMS 模型对所选取的2 次典型洪水过程（“1984.7.24”“2010.9.1”）进行模拟，结果如图7至图8所示。由表8可知：本次模拟方案都取得了较好的结果：洪峰相对误差合格率为89.25%，洪量相对误差合格率为86.6%，纳什系数为0.821。说明HEC-HMS水文模型在鸡冢河小流域的适用性良好，所选用的产汇流计算方法较为贴近当地实际。