小流域次洪模擬的多尺度研究

周衛(wèi)東

（江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)水利局水政監(jiān)察大隊(duì)，江蘇 揚(yáng)州225009）

由于降雨空間分布不規(guī)律導(dǎo)致水文模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)依賴(lài)于空間尺度變化。 夏軍［1］認(rèn)為水文尺度有時(shí)間、空間兩種。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水文尺度進(jìn)行了一系列研究，劉新仁［2］在淮河流域上對(duì)基于新安江模型所建立的多尺度模型參數(shù)的規(guī)律進(jìn)行了研究；劉國(guó)緯［3］研究了多尺度下的水文循環(huán)大氣過(guò)程，首次計(jì)算出我國(guó)大陸的水汽通量；魏林宏［4］表明徑流受DEM分辨率的影響很大；高玉芳［5］通過(guò)研究DEM對(duì)水文模型模擬的影響，結(jié)果表明研究區(qū)DEM分辨率越低，水文過(guò)程擬合度越好。 對(duì)于不同研究區(qū)，很有必要確定其最佳的DEM分辨率。 因此，本文以山區(qū)小流域?yàn)檠芯繀^(qū)， 基于11場(chǎng)次洪降雨徑流資料，應(yīng)用HEC-HMS模型模擬洪水過(guò)程， 探討了不同空間尺度DEM分辨率對(duì)該流域次洪過(guò)程模擬精度的影響。

圖1 研究區(qū)流域水文站位置

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)流域內(nèi)的主要水系為降河， 河道整體坡降大、河床較深，是典型的山區(qū)小流域。 流域內(nèi)西南北部比中部及東部高，水流自西南北方向流向中部，流經(jīng)下安莊、中村、西上村、王家灣等水文站向東出境。

2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

2.1 DEM預(yù)處理

本文以研究區(qū)流域具體地理位置， 獲取相應(yīng)經(jīng)緯度， 以及所需分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)作為流域洪水模擬分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

由于DEM存在誤差及特殊地形地貌的存在，以致所得DEM表面凹凸起伏，影響模擬的水流方向，故利用HEC-GeoHMS對(duì)流域的DEM數(shù)據(jù)填洼處理。 利用處理過(guò)的DEM，分析模型進(jìn)行空間特征分析，畫(huà)出河網(wǎng)形狀，并劃分子流域，提取特征值，確定模型應(yīng)用的數(shù)字流域。

2.2 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

本文選取研究區(qū)雨量站和水文站1994～2005年的11場(chǎng)次降雨徑流資料進(jìn)行洪水過(guò)程的模擬， 通過(guò)可視化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)HEC-DSSVueⅢ， 建立模型所需的雨量數(shù)據(jù)庫(kù)和流量數(shù)據(jù)庫(kù)， 用ArcGIS軟件建立了30，60，90m 不 同 分 辨 率 下 的DEM 作 為HECgeoHMS模型輸入。

3 模型簡(jiǎn)介及方法選取

區(qū)別于其他水文模型的是該模型可用于流域水文循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且有多個(gè)計(jì)算模塊，擁有多種計(jì)算基流，產(chǎn)匯流，河道洪水演算的方法，通過(guò)模塊優(yōu)化組合，進(jìn)而可廣泛應(yīng)用于大部分地區(qū)，本研究采用國(guó)內(nèi)外較常用初損穩(wěn)滲法、Clark單位線、馬斯京根法［6-7］。 模型水文模擬示意圖如圖2。

圖2 模型模擬示意圖

3.1 初損穩(wěn)滲法

該方法假設(shè)在一次降雨洪水過(guò)程中， 潛在的降雨損失最大為fc，其中fc為常數(shù)；一個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均降雨量為pt（mm）；雨量初損值為Iα（mm）；降雨累計(jì)量為Pt（mm）；pet產(chǎn)流量的計(jì)算如式（1）：

該方法只有一個(gè)參數(shù)fc，取決于研究區(qū)土壤最大穩(wěn)滲能力， 其中初始損失量Iα主要取決于研究區(qū)自然地理情況。

3.2 Clark單位線法

其基本原理是通過(guò)單位線法中的一個(gè)或一組方程，計(jì)算該單位線相關(guān)的洪峰流量及峰現(xiàn)時(shí)間，然后確定適合研究區(qū)的單位線。

3.3 馬斯京根法

該方法流量演算方程如式（2）：

C0+C1+C2=I

式中 I1，I2，O1，O2分別代表河道始、末上斷面和下斷面的入流量和出流量（m3/s）；Δt 為計(jì)算時(shí)段（h）；K為穩(wěn)定流情況下河段傳播時(shí)間；x為流量比重因子。

4 結(jié)果與分析

本文在時(shí)間步長(zhǎng)為10min 下， 分別以30，60，90m DEM分辨率的模型對(duì)11場(chǎng)洪水進(jìn)行模擬。 對(duì)洪峰流量相對(duì)誤差（±20%以?xún)?nèi)）、洪量相對(duì)誤差（±20%以?xún)?nèi)）、峰現(xiàn)時(shí)差（±3h以?xún)?nèi)）和確定性系數(shù)4個(gè)指標(biāo)對(duì)所模擬的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)［8］。 多種DEM下的模擬結(jié)果如表1， 其中6場(chǎng)模擬值與實(shí)測(cè)值洪水過(guò)程線如圖3。

表1 多尺度下次洪模擬結(jié)果

圖3 不同DEM分辨率下的洪水過(guò)程線

從水文模擬結(jié)果可看出：

（1）30，60，90m DEM 3 種 分 辨率下HEC-HMS模型模擬11場(chǎng)洪水模擬的合格率分別為90.9% ，81.82%，100%， 分別達(dá)到洪水預(yù)報(bào)的甲、乙、甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 從確定性系數(shù)上可看出， 在30m DEM分辨率下11場(chǎng)洪水模擬中，達(dá)到甲、乙、丙級(jí)、不合格預(yù)報(bào)精度的數(shù)目所占比例分別為18.18%，36.36%，36.36%，9.1%，確定性系數(shù)絕對(duì)值平均為0.73；同樣60m DEM 分辨率下所占比例分別為18.18% ，45.45%，27.27%，9.1%， 確定性系數(shù)絕對(duì)值平均為0.71；90m DEM分辨率下所占比例分別為54.55%，27.27%，28.28%， 確定性系數(shù)絕對(duì)值平均為0.81比30，60mDEM分辨率下的模擬結(jié)果分別高0.08，0.10。

（3） 從峰現(xiàn)時(shí)差可看出，60mDEM分辨率下模擬峰現(xiàn)時(shí)差絕對(duì)值均值為0.5h最低，效果最好，其次是90m。

（4） 30m DEM分辨率下洪峰流量和洪量模擬合格率分別為90.9%，100%；60m DEM分辨率下洪峰流量和洪量模擬合格率分別為90.9%，90.9%；90m DEM分辨率下的洪峰流量和洪量模擬合格率均為100%，該DEM分辨率下洪峰、洪量模擬效果最好，其次是30m。

由圖3可知， 洪號(hào)為20030911、20050709 （圖3（c）、（e）） 的3種模擬洪水過(guò)程線與實(shí)際過(guò)程線幾乎重合；20030911場(chǎng)次3種分辨率模擬的峰現(xiàn)時(shí)差均在0.5h內(nèi)；20050709場(chǎng)次模擬的峰現(xiàn)時(shí)差均在0.5h內(nèi)，確定性系數(shù)在0.85以上，洪峰流量、洪量相對(duì)誤差均小于10%。 洪號(hào)為20041016 （圖3 （d)） 的洪水，90mDEM模擬下洪峰滯后2h；60mDEM模擬峰現(xiàn)時(shí)差為0， 和實(shí)測(cè)洪水峰現(xiàn)時(shí)間一致；30mDEM模擬的洪量相對(duì)誤差為0，和實(shí)測(cè)洪量一致，確定性系數(shù)達(dá)到0.9以上。 對(duì)于洪峰流量較小、退水時(shí)間較長(zhǎng)的洪號(hào)為19950913（圖3（a））的洪水，3種分辨率下的模擬結(jié)果均合格，確定性系數(shù)達(dá)到了0.79以上。 對(duì)于洪峰流量較大、退水時(shí)間較短的洪號(hào)為20050730（圖3（f））的典型山丘區(qū)洪水，60mDEM分辨率模擬下的洪峰流量相對(duì)誤差在20%以上， 模擬不合格；30mDEM分辨率模擬下的洪峰流量誤差為-18.11， 確定性系數(shù)為0.706； 而90mDEM分辨率模擬下的洪峰流量及洪量誤差均在6%以下，峰現(xiàn)時(shí)差在0.5h以?xún)?nèi)，且其確定性系數(shù)達(dá)到了0.911，表明對(duì)于陡漲陡落、洪峰流量較大類(lèi)型的洪水90m DEM分辨率更適合。 對(duì)于洪峰流量較大、 退水時(shí)間較長(zhǎng)的洪號(hào)為19990821 （圖3（b）） 的洪水，60mDEM分辨率模擬下的洪量相對(duì)誤差在20%以上， 確定性系數(shù)為0.512模擬不合格；30mDEM分辨率模擬的合格，確定性系數(shù)為0.7以上；而90mDEM分辨率模擬下的洪峰流量及洪量誤差均在6%以下，峰現(xiàn)時(shí)差在1h以?xún)?nèi)，且其確定性系數(shù)達(dá)到了0.908，表明對(duì)于洪峰流量較大、退水時(shí)間較長(zhǎng)類(lèi)型的洪水90m DEM分辨率下的洪水過(guò)程線擬合效果最好。 6個(gè)圖中90mDEM分辨率下模擬洪峰、洪量都和實(shí)際洪水過(guò)程線擬合度較高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立水文模型研究了小流域多空間尺度下的次洪模擬過(guò)程。 結(jié)果表明，DEM分辨率為30，60，90m時(shí)，洪水模擬合格率均在80%以上，確定性系數(shù)絕對(duì)值均值也都在0.7以上。 運(yùn)用90m DEM比30，60m DEM洪水模擬合格率高9.1%和18.18%，且對(duì)于陡漲陡落、洪峰流量較大類(lèi)型和洪峰流量較大、退水時(shí)間較長(zhǎng)類(lèi)型的洪水90m DEM分辨率下的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值擬合度最好，其次是30m DEM。表明當(dāng)需要較高模擬精度時(shí)， 選取最優(yōu)的DEM分辨率可獲得更好效果。