基于HEC-HMS水文模型的中小流域洪水模拟预报分析

张 浩,蒋林杰,付成华

(1.西华大学能源与动力工程学院,成都 610039; 2.四川岷江港航电开发有限责任公司,四川 乐山 614000)

0 引言

近年来,由于全球气候不断变化,降水时空分布较以往更加不均匀,极端天气事件明显增多[1],旱涝灾害频发对经济、社会及生态环境等造成了严重影响,针对降雨时空变异及其所引发的水文现象的研究逐渐成为研究热点[2-3]。我国中小型流域洪水由于具有产汇流非线性特征显著[4]、洪水暴涨暴落、水文气象特征复杂等特点,故洪水预报难度较大且精度低[5]。针对中小型流域,构建流域水文模型是研究其水文现象的关键所在,水文模型是一种水文科学研究的重要手段,使用数学语言或物理模型等方法对水文系统中降水、径流等水文循环运动规律进行描述,是伴随水文学发展而发展的产物。虽然早在1969年就已经提出了分布式水文模型的概念[6],但其发展受到计算机技术的制约。现阶段,随着计算机、地理信息系统、遥感技术的发展,国内外出现了大量功能和结构各异的水文模型,在水资源开发利用、防洪减灾等方面广泛应用,是目前水文学的研究热点之一。

1 流域数据预处理

1.1 流域概况

渠江是嘉陵江的最大支流,发源于川陕边界山区,渠江全长723 km,干流长约301 km,以达州市三汇镇为界,其上为上游,其下到重庆市合川城北渠河咀为下游。从源头到渠河咀,地跨陕西的汉中、四川的巴中、广元、达州、广安等市和重庆的万州、合川两区。渠江流域面积为39 220 km2,约占嘉陵江全流域面积的25%。流域内地势由西南向东北倾斜且多为低山深丘,天然落差51 m,绝对高程在500～1 500 m,河道平均比降0.16%。

渠江流域气候受西太平洋副热带高压的控制,水汽向上输送强劲,又处于四川盆地北部边缘地带,易受北方南下冷空气的侵袭而形成强降水过程。降水强度大、历时长、面积广,且降水、径流年内分配极其不均;枯季降雨少,汛期暴雨多,易形成灾害性洪水[7]。

1.2 数据来源及预处理

DEM数字高程信息来自于地理空间数据云平台的ASTER GDEM的30 m分辨率数据高程集。渠江流域位于北纬30°03′～32°45′、东经106°20′～109°00′[8],在DEM数据高程集上跨越了三个条带号,利用Arc Map将渠江流域DEM数据进行合并裁剪后如图1所示。土壤类型数据来源于由维也纳国际应用系统研究所(IIASA)、联合国粮农组织(FAO)所建立的全球土壤数据库和南京土壤所第二次全国土地调查所提供的土壤数据。

图1 渠江流域DEM

2 研究区数字流域构建

2.1 河网提取

河网提取主要在Arc GIS中完成,首先将预处理好的DEM数据导入Arc GIS中进行填洼处理,生成无洼地的研究区域DEM模型,在后续计算栅格流向时确保流域的连贯性,避免提取水系河网时发生水流方向出错或者河网断裂等问题[9]。得到无洼地的DEM模型后对其进行流向分析进而得出研究区域的流向栅格数据并以此确定水流方向,水流方向是水流离开栅格时的指向,能够反映流域空间范围内地表径流的走向和流量分配[10]。在流向栅格数据的基础上对其进行流量分析即可得出研究区域的流量栅格数据,并对其进行河网定义和河网分级即可得出研究区域的河网水系栅格数据。河网提取流程及河网水系如图2、图3所示。

图2 河网提取流程

图3 渠江流域子流域及河网水系

2.2 子流域划分及参数特征提取

以流域出口为起始点沿主河道向上游依次比较临近点的汇流累计量,若有较大的变化则可确定该点为一个支流汇入点,该点的汇流累计变化量就是该支流的汇水面积。按此方法逐级分析各支流,最终将整个流域划分为若干子流域,并以子流域为基本单元进行洪水模拟和预报计算[11]。利用Arc GIS对研究流域进行子流域划分[11],再结合实际情况对子流域进行合并或拆分处理,最终将研究流域划分为10个子流域,如图4所示。提取各个子流域的水文特征参数,见表1。

表1 子流域水文特征参数

图4 流域底图模型

根据各个子流域的水文特征参数,利用Arc GIS创建流域底图模型,如图4所示。

3 洪水模拟预报分析

3.1 初次模拟

在保证水文资料的可靠性、一致性和代表性的条件下,选取研究区域1975～2009年间25场洪水,将其中20场用于模型参数率定,剩余5场用于模型验证,选取的洪水场次见表2。

表2 选定洪水场次

选定洪水场次后,分别用SCS曲线法、SCS单位线法、马斯京根法对产流过程、直接径流及河道汇流进行模拟计算。由于研究区域洪水来源主要为降雨,故不考虑基流影响。将得出的模拟结果与实测作比较,结果见表3。

表3 初次模拟结果

表3中,Nash系数表示预测值与实测值的吻合程度,又称确定性系数(DC),其计算公式为：

式中,n为资料长度;y0为实测值的均值;yc(i)为预报值;y0(i)为实测值。

根据《水文情报预报规范》(GB/T 22482-2008)规定,降雨径流预报中实测洪峰流量、降雨径流深的许可误差为20%,而实测峰现时间的许可误差为30%,Nash系数应大于0.65。初次模拟的效果整体精度低于丙级,需进一步对该模型进行参数优化分析。

3.2 参数率定

结合研究流域具体情况,利用HEC-HMS水文模型的参数优化功能和人工率定相结合方式对实验流域进行参数优化[12],选择HEC-HMS水文模型自带的单纯形法作为搜索算法;峰值加权作为优化目标函数对模型进行参数优化。先建立某场洪水的优化模块,确保搜索算法和优化目标函数的可靠性,再根据由前期土壤湿润程度得来的20组产汇流参数进行人工率定后整合出的产汇流参数对率定期中20个场次洪水进行模拟。产汇流参数和优化后的模拟结果见表4和表5。

表4 产汇流参数确定

表5 参数率定后模拟结果

对比表3和表5可知：参数优化过后的模拟结果在选定的20场率定期洪水模拟中更加接近与实测值,从精度评定参数指标看,径流深误差有6场不达标,洪峰误差有4场不达标,Nash系数有6场不达标。模拟结果整体合格率为70%,达到乙等精度要求,可用于洪水预报相关研究。

3.3 模型验证

对20组率定期洪水进行模型建立以及参数优化后,用该模型参数对验证期中的5个洪水场次进行洪水模拟预报,即验证水文模型是否能良好地反映出渠江流域的产汇流过程,又可对实时降雨洪水进行预报分析,模拟验证结果见表6。

表6 验证期模拟结果及误差分析

由表6可见,验证期场次洪水模拟结果整体较好,Nash系数均远大于0.65,平均值为0.861,洪峰误差均小于20%,除20040822场次洪水径流深误差大于20%以外,其余场次均合格,达乙等精度。验证结果表明,HEC-HMS水文模型可以很好地反映渠江流域的产汇流过程,说明HEC-HMS水文模型在渠江流域具有较强的适用性。

3.4 洪水模拟分析

根据罗溪渡水文站设计洪峰流量成果以5年一遇洪水19750920场次为例,进行历史洪水模拟分析。该场次洪水中,镇巴、达县、万源、巴中、南充气象站控制流域内降雨呈递减趋势,9月20日万州气象站最先出现降雨,紧接着万源、镇巴、巴中、达县控制站范围内逐渐出现降雨,形成的产汇流形成洪水后到达渠江流域控制出口罗渡溪水文站。模拟结果显示：渠江流域控制出口在首次降雨14 d后10月3日达到最大洪峰20 022 m3/s,径流深307 mm;实测最大洪峰21 300 m3/s,相对误差6%,实测径流深330 mm,相对误差7%。相对误差均符合行业规范有关规定。

3.5 预报分析

根据模型验证及参数优化结果可知基于历时洪水数据所建立的HEC-HMS洪水预报模型达到乙等精度,可用于实际洪水预报。为实现流域降雨洪水预报,拟定流域内随机降雨信息见表7。

表7 拟定的随机降雨系列 mm

对表7中的各个雨量站随机降雨系列进行模拟即可得出研究区域任意地点的洪水过程。以渠江流域上游巴河境内平昌县、州河境内三汇镇、宣汉县及下游控制出口罗渡溪为例进行洪水预报分析,预报结果如图5所示。

(a)平昌县洪水过程

(d)罗渡溪洪水过程

由图5可知,平昌县最大洪峰出现在降雨发生后的第19 d,最大洪峰量2 224 m3/s,径流深122 mm;宣汉县在降雨发生20 d后达到最大洪峰,最大洪峰量2 003 m3/s,径流深180 mm;三汇镇的最大洪峰出现在降雨20 d后,最大洪峰量3 303 m3/s,径流深133 mm;罗渡溪最大洪峰出现于7月20日,最大洪峰量7 894 m3/s。由历史洪水场次可知,渠江流域水系呈向心扇形发育,洪水易集中遭遇,具有峰高量大、过程尖瘦、历时不长(一般为3～5 d)、水位变幅大等特点[13]。随机降雨系列模拟出的洪水过程符合渠江流域的洪水特性以及产汇流的一般规律。综上,以时间步长为1 d的HEC-HMS水文模型进行洪水预报分析,此次洪水预报的预见期可达18 d,为流域的防洪减灾工作提供了应急决策依据。

4 结语

以渠江流域DEM数据为基础,利用Arc GIS通过无洼地DEM模型建立、河网提取以及子流域划分等构建渠江流域的数字流域模型。采用HEC-HMS水文模型对率定期场次洪水进行模拟计算及参数率定,以验证期场次洪水进行模型验证且精度达到乙等。在此基础上,一旦流域实际降雨发生,通过构建的HEC-HMS水文模型模拟计算,便可预报出该降雨在流域任一位置形成的最大洪峰流量以及峰现时间,可为中小流域防洪减灾工作应急方案和决策提供依据。