基于HEC＿HMS水文模型的秦淮河流域圩垸式防洪模式洪水模擬

袁 玉 高玉琴 吳 錫

（河海大學 水利水電學院，南京 210098）

1 研究背景

GIS及RS技術的迅速發展，逐漸推動了半分布式及分布式水文模型的發展與完善.HEC＿HMS水文模型是美國陸軍工程兵團水文工程中心發布的一種半分布式水文模型.HEC＿GeoHMS模塊是HEC＿HMS模型嵌入到GIS中的空間分析模塊.

目前HEC＿HMS水文模型在流域洪水過程模擬方面已取得了較為廣泛的應用.趙彥增等、李燕等分別在官寨流域［1］、簍子溝流域［2］取得了較好的洪水模擬效果.王力等證實HEC＿HMS模型適用于南水北調東線工程沿線地區，模擬結果可以為大尺度的流域水資源綜合配置提供來水量和流量輸入［3］.雍斌等將HEC＿HMS模型應用于漢江流域，模型模擬精度較高，在我國降水豐沛、徑流量較大的濕潤、半濕潤山區的次洪模擬方面具有廣泛的應用和發展前景［4］.許有鵬等將HEC＿HMS模型應用于秦淮河流域，在全流域及子流域的空間尺度上研究區域城鎮化過程中LUCC洪水響應［5］.

隨著城市化進程加快，城市防洪由單個城市向城市群防洪發展，各城市分別構筑城市防洪保護圈（即城市圩垸），以圩垸式防洪為主體的防洪模式給流域洪水情勢帶來了新的影響［6］，例如原有河網系統被圍堤割裂，河道水位普遍被圍堤逼高，洪水形成機制與洪水過程發生很大變化［7］，因而孕災壞境也發生了很大變化.這是當前城市化進程中防洪的重要而迫切的問題.然而，目前對于城鎮化背景下的這一系列問題的研究還不夠系統和深入.城市群圩垸式防洪模式在我國東部平原水網區和一些中等流域尤其普遍.秦淮河流域是該種防洪模式的典型代表性流域.

本文主要通過構建秦淮河流域考慮圩垸的HEC＿HMS水文模型，進行流域暴雨徑流模擬，分析比較秦淮河流域有無圩垸的洪水模擬效果.

2 研究區概況及模型構建

2.1 研究區概況、圩垸概況及數據預處理

1）研究區概況

秦淮河流域位于長江下游南京河段南岸，為感潮河網地區.秦淮河有溧水河、句容河兩大河源，兩源在江寧區西北村匯合為秦淮河干流.干流全長34km，流域集水面積2 631km2，流域呈蒲扇形.秦淮河流域屬北亞熱帶向中亞熱帶的過渡地帶，常年降雨量1 047.8mm.秦淮河流域土地利用以水田為主，其次為旱地、城鎮用地、灌木林和草地.秦淮河流域土壤類型以紅紫土、黃石土、馬肝土、青泥條為主.由于秦淮河流域的氣象特征和下墊面特征，流域洪澇災害頻繁.洪水發生的機率為：一般洪水平均每2年發生一次、大洪水平均每5～6年發生一次、特大洪水平均每20年左右發生一次.秦淮河流域的洪水主要發生在6～7月份的梅雨期.當日降雨量超過100mm或3d降雨量超過150mm時，常發生洪水，一場洪水歷時3～7d.

2）圩垸概況

秦淮河流域圩垸主要為平原圩區，圩區是封閉的單元，圩內產生的徑流與圩外的河道系統沒有直接的聯系，要通過閘門和泵站調節來提供灌溉供水和保持蓄水容量，圩內水面率高于非圩區，內部的河溝、塘壩有一定的蓄水能力.本研究根據秦淮河流域圩垸分布，劃分出7塊圩垸，主要位于秦淮河流域中下游地區，總集水面積281km2，未包含句容、溧水及南京主城區，圩垸內部的土地利用以旱地、城鎮用地、水田等為主.7塊圩垸的分布情況如圖1所示，土地利用情況見表1.

圖1 本研究劃分的秦淮河流域圩垸分布情況

表1 秦淮河流域圩垸土地利用情況

3）數據預處理

研究區的原始數據資料主要有SRTM90m分辨率的秦淮河流域DEM文件；根據Google＿Earth2013年4月10日影像描繪的秦淮河流域水系數據；地理數據空間云網站中歐空局全球陸地覆蓋數據（ESA GlobCover）分辨率為300m的2009年的土地利用數據；由研究區7個雨量站和2個流量站提供的氣象水文資料等.站點的坐標信息見表2.秦淮河流域水系及水文站點分布情況如圖2所示.

表2 秦淮河流域雨量站及流量站站點坐標信息

圖2 秦淮河流域水系及水文站點分布情況

本文數據預處理過程中，運用嵌入到GIS中的HEC＿GeoHMS擴展模塊對研究區DEM數據及水系數據進行水文分析［8－9］，根據流域地形及水系將研究區劃分為19個子流域并提取每個子流域的土地利用情況.從研究區已有的雨量站及流量站的日雨量及日流量資料中，選取8場典型洪水，使用HEC＿DSS軟件建立DSS數據庫，供模型調用［10］.

2.2 模型方案的比選、構建及參數率定

1）模型方案的比選、構建

HEC＿HMS水文模型系統主要由氣象模型、流域模型及控制設置3部分組成［11］.氣象模型主要用于對氣象數據進行分析處理，包括降雨模塊及蒸散發模塊，同時建立氣象數據同各子流域的關系.HEC＿HMS模型中一共提供了7種不同的降雨方法，分別為：權重因子法、格網降雨分配法、反距離平方加權法、暴雨頻率法、SCS暴雨法、標準洪水暴雨法及用戶自定義法.本研究選用用戶自定義法.根據已有的7個雨量站，建立研究區的泰森多邊形，將各子流域與覆蓋面積最大的泰森多邊形雨量站相匹配，確定該子流域的降雨情況［12］.秦淮河流域雨量站泰森多邊形及子流域劃分如圖3所示.

圖3 秦淮河流域雨量站泰森多邊形及子流域劃分

流域模型將每個子流域中降雨徑流的形成過程劃分為損耗單元產流、單元坡面匯流、基流及河道匯流4個部分［13］.

流域地表被劃分為透水和不透水兩部分，透水部分的降水需扣除降水損失：不透水部分直接產流，沒有下滲、蒸發、截留及其他損耗，不透水部分以流域不透水面積百分比表示.模型提供了7種損耗產流模型，分別為：盈虧常數法、格林－安普特法、柵格SCS曲線法、柵格土壤濕度法、初損常數法、SCS曲線法和土壤濕度法.本研究采用SCS曲線法.

透水部分的降水滿足了下滲、蒸發、截留、蒸騰損失等，剩余的降水和不透水部分的降水形成凈雨，凈雨通過坡面匯流形成直接徑流.模型提供了6種單元坡面匯流模型，分別為：運動波模型、ModClark準分布式線性匯流模型、克拉克單位線模型、Snyder單位線模型、SCS單位線模型和用戶單位線模型.本研究采用SCS單位線法.

地下水是少雨和干旱時期河道徑流的主要來源，地下水進入河道稱為地下徑流，即基流.模型提供了3種方法模擬基流，分別為：月常量模型、線性水庫模型和指數退水模型.本研究采用指數退水模型.

模型提供了5種河道匯流演算模型，分別為：時滯模型、馬斯京根法、蓄量演算法、運動波演算法和馬斯京根康吉演算法.本研究采用馬斯京根法.分別構建秦淮河流域無圩垸及有圩垸的HEC＿HMS分布式水文模型如圖4～5所示.

圖4 秦淮河流域（無圩垸）HEC＿HMS模型圖

圖5 秦淮河流域（有圩垸）HEC＿HMS模型圖

2）參數率定

本研究模型主要需要確定的參數有CN值、流域滯時及馬斯京根模型中的兩個參數：蓄量常數K及流量比重X［14］.CN值、流域滯時根據流域土地利用情況、河道情況等計算得出.需要率定的參數主要為馬斯京根模型中的參數K、X.本研究采用手工方法對上述參數進行率定.

3 洪水模擬

3.1 秦淮河流域（無圩垸）HEC＿HMS模型模擬結果

通過計算模擬結果與實測結果的Nash系數及相關系數來評價模型模擬精度.Nash系數用于反映模型的整體效率，Nash系數大于0.8時說明模擬結果較好.相關系數用于反映模擬結果與實測數據的變化趨勢是否一致，相關系數大于0.8時說明模擬結果較好.洪量誤差及洪峰誤差在20%以內認為模擬結果較好［5］.

根據秦淮河流域8場典型洪水進行模型的率定與驗證，其中3場用于率定，5場用于驗證.率定后無圩垸模型參數見表3，率定與驗證統計結果見表4.

表3 秦淮河流域無圩垸模型參數

表4 HEC＿HMS模型模擬8場洪水的評價指標結果

根據表4，率定期3場洪水的洪量及洪峰相對誤差均在20%以內，Nash系數及相關系數均大于0.8.19890803洪水洪量相對誤差略大于20%，但超出部分在5%以內且其余評價指標結果均很好，故認為滿足要求.3場洪水的洪量相對誤差均值為14.62%，洪峰相對誤差均值為2.34%，Nash系數均值為0.890，相關系數均值為0.960.將率定后的參數用于另外5場洪水的驗證，驗證期5場洪水模擬和實測流量過程線如圖6所示.根據圖6，秦淮河流域出口斷面模擬的洪水過程線與實測過程線吻合較好.驗證期5場洪水的洪量及洪峰相對誤差均在20%以內，Nash系數及相關系數均大于0.8.20030624次洪水洪量相對誤差略大于20%，但超出部分在5%以內且其余評價指標結果均很好，故認為滿足要求.5場洪水的洪量相對誤差均值為8.90%，洪峰相對誤差均值為6.42%，Nash系數均值為0.870，相關系數均值為0.960.驗證期5場洪水的模擬效果均較為準確.以上結果表明，HEC＿HMS分布式水文模型適用于秦淮河流域的洪水模擬.

圖6 秦淮河流域驗證期次降雨徑流過程模擬值與實測值對比圖

3.2 秦淮河流域有、無圩垸HEC＿HMS模型模擬結果對比分析

本研究為了揭示圩垸對秦淮河流域洪水過程的影響，同時為控制圩垸作為影響洪水過程的單一因素，不采用實測洪水過程進行比較分析，利用已經率定好的流域有、無圩垸HEC＿HMS模型，選取具有不同大小洪水過程的暴雨事件，即19870701、19890803、19910630三次暴雨洪水事件，進行洪水模擬及比較分析.模型模擬結果見表5及圖7所示.根據洪量、洪峰模擬結果對比，對于不同洪水，有圩垸工況下的洪量、洪峰均小于無圩垸工況下的洪量、洪峰.有圩垸工況較無圩垸工況洪量削減均超過7%，洪峰削減均超過10%.三場洪水的洪量削減均值為10.05%，洪峰削減均值為12.04%，故秦淮河流域圩垸式防洪模式較無圩垸防洪模式，有效地削減洪水的洪量及洪峰.

表5 秦淮河無圩垸洪水模擬結果對比

圖7 秦淮河流域有、無圩垸HEC＿HMS模型模擬結果對比圖

三場洪水的有、無圩垸模擬結果的洪量削減百分比對比圖如圖8所示，19890803洪水有圩垸的模擬洪量為124mm，洪量削減百分比為11.43%，；19870701洪水有圩垸的模擬洪量為282mm，洪量削減百分比為11.04%；19910630洪水有圩垸的模擬洪量為468mm，洪量削減百分比為7.69%.隨著洪水規模增大，洪量削減百分比為下降趨勢.洪水規模大小不同，圩垸對洪水洪量削減的程度也不同，洪水規模越小，圩垸對洪量的影響越顯著.

究其原因，圩垸內部的水田、河溝、塘壩等有一定的蓄水能力.固定的蓄水容量作用下，洪水規模越小，對應的洪量越小，圩垸存蓄水量的百分比越大.洪水規模越小，圩垸對洪量的影響越顯著.

圖8 洪量相對變化對比圖

4 結 語

根據洪水模擬結果，HEC＿HMS分布式水文模型在秦淮河流域具有很好的適用性且模擬精度較高.秦淮河流域圩垸式防洪模式較無圩垸防洪模式，洪量削減均值及洪峰削減均值均超過10%，三場洪水洪量削減最低值為7.69%，洪峰削減最低值為11.05%，故圩垸防洪有效地削減單次洪水的洪峰及洪量.洪水規模越小，圩垸對洪量的影響越顯著.本文考慮的圩垸分布情況，圩垸防洪對于流域防洪起到了積極作用.

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