HEC—HMS模型在洪水模擬中的應用

李康恒 ，王 英 ，桑國慶

（1.臨沂市羅莊區小埠東灌區管理處，山東 臨沂 276017；2.濟南大學水利與環境學院，山東 濟南 250022）

蘭陵縣位于山東省最南部，屬沂蒙山區。全縣多年平均氣溫13.3℃，多年平均降雨857.1mm，降水集中在汛期6～9月，汛期多年平均降水量為617 mm，占全年降水量的72%，12月份降水最少，僅為11.8mm，占全年降水量的1.4%；多年平均蒸發1 158.8mm；全縣徑流量的年內變化十分劇烈，汛期洪水暴漲暴落，枯期徑流量很小。

小南湖流域面積為83.59 km2，境內主要為西泇河。強降雨導致水位暴漲暴落，極易引發山洪災害。本文以小南湖流域為研究對象，利用HECHMS建立山丘區流域產匯流仿真模型。采用3場典型洪水的降雨流量數據對模型進行參數率定及選取2場典型洪水對模型進行精度驗證，在此基礎上分析洪水規律，可在山洪預警預報中發揮實際作用。

1 小流域水文模型建模與率定

HEC-HMS模型是一個半分布式降雨徑流及洪水演進過程模擬系統。建模的主要思路是基于DEM基礎數據，將流域劃分為若干子流域，并進行產匯流計算，最后演算至流域出口斷面。

1.1 子流域劃分及水文數據庫

以蘭陵縣小南湖典型流域為研究對象，流域內共有西上峪、東上峪、上大爐、下大爐、泇河灘、楊莊、小南湖等7個山洪重點防治村，基于流域DEM數據，利用ArcGis提取水系并對7個重點村進行子流域劃分，各子流域特征值信息見表1。計算時采用雙河雨量站的雨量信息。

表1 子流域特征值統計

1.2 產匯流計算模塊選取

根據降雨徑流的形成過程，HEC-HMS模型主要分成了產流計算、匯流計算、基流計算和河道洪水演算4個計算模型，每個計算模型包含多種可用的計算方法。其中，產流計算包括SCS曲線數法、格林安普特損失法，匯流計算包括SCS單位線、修正克拉克單位線和動波法，基流計算包括指數衰退法和線性水庫法，河道洪水演進計算模型包括延遲法和馬斯京根法。

1.3 參數率定

模型中需要率定的參數有初損Ia、CN值、流域滯時tlag、退水拐點比率、流量比重因素x和穩定流情況下河段傳播時間K等參數。初損值Ia根據流域特征按照經驗值預估；CN值根據土地利用、土壤類型和流域前期濕度進行查表估算；流域滯時根據公式計算得到；初始流量、衰減指數和退水拐點比率先根據流域實際情況預估，再通過率定得到；K和x的選取一般選用試錯法來確定。

1.4 模型驗證

選取小南湖流域5場典型洪水進行產匯流過程參數率定及驗證，計算結果見表2。從表2中可以看出，在3場率定洪水與2場驗證洪水中，洪峰和徑流深相對誤差均小于20%，模擬結果較好。其中，圖1和圖2分別為20000718和20110826場次洪水實測和計算洪水過程線。

表2 模型率定及驗證結果

圖1 20000718場次實測和計算洪水過程線

圖2 20110826場次實測和計算洪水過程線

從圖1中可以看出，在20000718場次洪水中，模擬洪峰流量為208 m3/s，實測洪峰流量為201 m3/s，洪峰相對誤差為4%；計算洪峰時間為8：00，實際洪峰時間為7：20，峰現時間誤差為0.6 h。計算結果表明洪峰過程、洪峰流量的計算值與觀測值之間有較好的一致性。

從圖2中可以看出，2011年8月26日洪水，其降水從10：00開始，當降水量達到21mm時，小南湖流域開始形成洪峰。流域計算洪峰流量為192m3/s，洪峰出現時間為 27 日 07：00；實測洪峰流量為 173m3/s，洪峰出現時間為 07：45，洪峰相對誤差為11%，峰現時間誤差為0.75 h。

2 結論

1）基于流域DEM數據劃分小流域，建立小南湖流域山丘區小流域半分布式水文模型，將水文模型與GIS技術緊密結合，可適用于半濕潤地區，可用于實際預報工作，可為防洪減災、水資源管理調度提供依據。2）采用2場暴雨洪水過程對率定的模型進行了驗證，結果表明，洪峰相對誤差均小于20%，模擬結果較好。3）本文建模時率定過程中未添加水庫單元，在一定程度上影響模型的計算精度。后期需將水庫單元添加到模型中，進一步提高模型的準確度。