基于HEC-HMS的汾河流域智慧管控平臺探究

劉曉東，霍云超，王潔瑜

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安710065)

1 引言

汾河是黃河第二大支流，流經山西省的忻州市、太原市、晉中市等6市的29個縣(區)，全長713 km，流域面積39621 km2，被譽為山西省的“母親河”[1]。近年來，國內學者對汾河流域的景觀、水文條件等進行了很多研究，比如付楊軍等[2]對汾河流域景觀格局脆弱性進行了研究；李京京等[3]基于地形梯度分析了汾河流域土地利用的時空變化；還有學者對汾河流域的降水時空特征進行研究，研究發現流域的年、夏、汛期降水量均呈不顯著遞減趨勢[4]，但對其智慧管控的研究相對匱乏。

隨著信息化技術的發展，智慧水務的建設被提出[5]，夏軍等[6]也指出要建設信息數字化、控制自動化、決策智能化的城市水系統管理平臺。目前我國部分地區已開展了智慧水務的建設，打造符合當地區域特色的智慧管控平臺，比如西安市[7]、萍鄉市[8]、鎮江市[9]等地區建設了海綿城市智慧管控平臺，北京通州[10]、槐房水廠[11]等也進行了智慧水廠管控平臺的建設，上述平臺均取得了良好的建設效果。

本文借助國內已建智慧管控平臺的建設經驗，結合汾河流域特色，基于降雨徑流模型HEC-HMS[12]，展開對汾河流域智慧管控平臺的探究，提高決策者對汾河流域的管控能力，為智慧水務管控平臺的建設提供了一定的借鑒經驗和理論指導。

2 區域概況及數據整合

2.1 區域概況

研究區選取位于山西省忻州市寧武縣內的汾河流域，寧武縣又稱鳳凰城，位于山西省北中部。研究區內汾河干流由北向南流經東寨鎮、化北屯鄉、石家莊鎮，流入靜樂縣境，在縣境內總長64 km，流域面積1395 km2，平均縱坡1/160，寧化以上至汾源縱坡1/40，沿途有大石洞、大廟、圪廖、西馬坊四條較大支流匯入。

2.2 數據整合

數據主要分為基礎數據與實測數據兩大類。經過與有關部門溝通協商，獲取研究區DEM數據、土地利用數據、典型歷史洪澇數據等基礎數據，并將其進行處理，支撐流域模型的構建。

依據研究區特點，選取典型監測斷面，布設相應的專業設備進行監測，同時在監測斷面布設監控攝像頭，獲取實時視頻信息。實測數據作為汾河流域智慧管控平臺預警的數據基礎，重點監測要素主要包括：通過水文站、雷達水位計等監測設施設備實時監測汾河流域典型斷面的水文數據，實時監測水位、流量、流速等水文數據。

3 模型服務

3.1 模型簡介

HEC-HMS水文模型是美國水文工程中心研發的降雨徑流模型，該模型系統由3大模塊構成：氣象模塊、流域模塊與控制模塊[13]。

(1)氣象模塊

氣象模式主要對氣象數據進行分析處理，包括降水與蒸散發過程。在該模式中有6種不同的計算降水的方法和一種計算蒸散發的方法可供選用。

(2)流域模塊

流域模塊將降雨徑流過程概化為降雨損失、坡面匯流、河道演算、基流四個部分，每個部分都包含多種計算方法，通過不同方法的組合運用，實現多種產匯流模型的耦合計算，可顯著提高場次洪水的模擬精度[14]。

本研究重點模擬汾河的水位、流量，以河道演算部分為主，河道演算是基于水量平衡原理與蓄泄關系將河道上游斷面的入流量過程演算至下游斷面出流量過程。本文選用馬斯京根法進行河道演算[15]，通過線差分聯合求解，得到河道流量方程：

Q2=C0I1+C1I1+C2O1

(1)

(2)

(3)

(4)

C0+C1+C2=1

(5)

式中：I1、I2分別為時段開始、末尾上斷面的入流量，m3/s；O1、O2分別為時段開始、末尾下斷面的出流量，m3/s；t為計算時段，h；K為河段傳播時間，h；x為流量比重因子，取值范圍為0～0.5。

(3)控制模塊

模型通過氣象模塊和流域模塊可以基本實現對氣象、徑流的模擬，控制模塊可對模型基礎操作進行設置，比如模擬的開始與結束時間、計算時間步長、結果輸出路徑等。

3.2 模型構建

通過對研究區的DEM進行填洼、流向、匯流累積量計算，提取河網，劃分子流域，定義流域出口，獲取流域的地形參數及河道特征參數后，進行研究區子集水區域的劃分。之后再分別計算子流域的坡度、流域中心位置等，用每個子流域的質心作為降水的概化點，同時將子流域連接到臨近的河道節點，河道節點按流向依次連接，完成模型的基礎構建。最后基于實測資料進行模型參數率定，分析模型結果與實測數據之間的誤差，若誤差過大，不滿足精度要求，則調整模型內的相關參數，直到誤差在精度允許范圍內。經過參數率定、模型驗證后的模型可應用于后續的模擬分析工作，建模流程圖見圖1。

圖1 建模流程圖

4 汾河流域智慧管控平臺

基于HEC-HMS模型，采用物聯網、大數據等先進信息化技術，構建汾河流域智慧管控平臺。該平臺對接基礎信息、實時監測數據以及視頻信息，將這些數據信息進行存儲加工，監測數據經過內部處理成模型所需格式并錄入HEC-HMS模型，HEC-HMS模型運算得出的結果支撐平臺的預警預報功能，并通過相應的子系統展示出來。該平臺采用B/S+M/S架構，實現web端和移動端的系統瀏覽，其總體架構分為感知層、數據層、應用層、用戶層和展現層，總體架構見圖2。

圖2 總體框架

(1)智慧監管子系統

該系統以寧武縣汾河流域地形圖作為基礎，可以同步展示流域的空氣質量、氣溫、降雨量等氣象數據，水位、流量等水文數據，溶解氧、總磷、總氮等水質數據，針對不同對象根據需要進行信息的綜合展示，見圖3。

圖3 綜合監管子系統

(2)數據管理子系統

數據管理子系統對汾河流域的相關數據進行統一錄入與管理，支持多種類型、格式數據的導入、導出，同時可以提供數據表、趨勢線、分布圖等多種數據展示的方式。該子系統采用B/S和M/S混合架構，即可通過網頁瀏覽器訪問系統進行數據填報與查詢，同時也支持手機端進行數據的填報與查詢，使得管理者錄入與查看數據更加方便快捷。

(3)預警預報子系統

預警預報子系統主要基于HEC-HMS模型模擬的結果，配合視頻監控的輔助，實現對各類異常情況進行預警預報。相關實時監測數據導入率定好的HEC-HMS模型中，模擬出汾河流域的水位、流量等數據，并將模擬結果反饋回平臺，平臺內部設定好相應的等級評估標準，如發現模擬結果超過預警預報指標時，系統將根據超標情況，在地圖上以不同顏色標記來凸顯預警位置與風險等級，同時自動啟動聲光報警功能進行告警，平臺完成的智能化預警功能。

(4)決策支持子系統

決策支持子系統基于HEC-HMS模型運算，可實現5 a一遇、10 a一遇、50 a一遇等不同重現期情景下的河道情況的仿真效果，預測出內澇影響范圍、空間分布特征和時間動態變化，并結合監測數據、專家庫、方案庫等資料，提供智能化圖表展示和相應的方案措施，為決策者提供決策依據。

(5)其他子系統

汾河流域智慧管控系統可根據需要設置視頻監控子系統、考核評估子系統、運維管理子系統、系統設置子系統等，協助管理者合理高效的使用平臺，加強對汾河流域的管理。

5 結語

汾河流域面臨嚴重的生態環境問題，僅僅依靠傳統的治理方法，實施起來具有較高的難度，本研究通過對HEC-HMS應用原理、建模流程進行梳理歸納，提出建設基于HEC-HMS模型的汾河流域智慧管控平臺，實現對汾河流域的綜合管控、數據管理、預警預報、決策支持等，提高管理者對汾河流域的管理效率，有助于汾河流域的綜合管控，對整個汾河流域乃至黃河流域智慧管控平臺建設具有重要意義。