基于HEC-HMS的黃土高塬溝壑區流域城市化對洪水情勢的影響

鐘芳倩 霍艾迪 趙志欣 陳建 楊璐瑩 王星

關鍵詞：HEC-HMS模型；流域城市化；洪水響應；硯瓦川流域；黃土高塬溝壑區

0引言

黃土高塬溝壑區城市化的快速發展．造成自然下墊面急劇變化，導致生態環境脆弱和洪水災害頻發，制約了社會經濟的可持續發展。在流域城市化進程中，土地利用類型的轉變以及下墊面硬化面積增大是影響水文過程的主要因素，造成嚴重的洪水災害。

近年來，流域城市化帶來的城市水文效應對城市暴雨內澇、水資源供需矛盾等方面造成了深刻的影響，是目前乃至未來幾十年全球環境研究的熱點問題。張榮等通過SWMM模型模擬北京楊洼閘流域洪水特征，研究表明洪峰流量與流域城市化程度具有一致的正相關性。王艷君等用SWAT模型模擬分析秦淮河流域城市化的水文響應，結果表明城市擴張致使流域年徑流量呈現上升的趨勢。隨著HEC-HMS水文模型的出現，為流域復雜下墊面變化對洪水徑流影響的評估提供了強有力的分析手段，受到了眾多學者的青睞，如：劉鵬飛等基于HEC-HMS模型建立了適合高度城鎮化下平原集水區的降雨一徑流模擬模型，分析城鎮化過程中土地利用轉變對暴雨洪水的影響：高玉琴等預測了秦淮河流域2028年3種土地利用情景，運用HEC-HMS水文模型研究該流域快速城市化背景下不同土地利用變化的暴雨洪水響應機制。目前利用HEC-HMS模型在黃河流域已開展了一些科學研究工作，但這些研究主要集中于探究該水文模型的適用性，開展山洪災害臨界雨量計算等，有關黃河流域城市擴張對暴雨洪水情勢影響的研究還鮮見報道。此外，黃河流域城市群面臨暴雨洪水、氣候環境惡劣等帶來的多種災害問題，同時城市分布密集、地形破碎等多方面因素使得其在應對極端降水條件下的洪澇災害方面困難重重。因此，迫切需要在實現可持續發展前提下深入研究流域城市化對洪水形成各個環節的影響機制，開展在其背景下的洪水預測。

基于此，本文構建HEC-HMS模型，選取甘肅省慶陽市硯瓦川流域為研究區，模擬率定流域城市化前后不同時期土地利用條件下的產匯流參數，開展極端暴雨洪水情景設計，對比分析不同暴雨情景設計對流域城市化產生的水文響應機制，探究各子流域洪水要素變化空間響應分布的差異性及其主要驅動因素，以期為未來硯瓦川流域土地利用規劃和水資源合理調控工作提供理論和方法支撐。

1研究區概況

硯瓦川流域位于甘肅省慶陽市西峰區和寧縣境內，流域總面積約為372.15km2，集水區總長度35km。該流域屬大陸性季風氣候區，多年平均降水量為544.9mm，降水量年際變化大，7-9月為雨季且暴雨頻發，降雨空間分布由東北向西南增多，而且該流域河流調蓄能力弱，導致洪水災害頻發。

2數據及方法

2.1數據來源及預處理

本研究選用的DEM數據為地理空間數據云（2015年）STER GDEM 30m分辨率高程數據，土地利用數據為中國科學院資源環境科學數據中心（http：／／www.resdc. cn）的30m柵格數據，土壤數據為世界土壤數據庫（FAO網站）的1：100萬土壤數據（HWSD），降雨徑流數據來自《1981-2020年黃土高塬溝壑區硯瓦川流域降雨徑流觀測數據集》和文獻。

對研究區數字高程數據（DEM）進行預處理，包括流域填洼、子流域劃分等水文過程分析；將硯瓦川流域劃分成27個子流域，提取出相應的河流長度、流域坡度、子流域面積等流域特征數據，得到硯瓦川流域概化圖。該地區降雨資料主要為30min或1h的時間間隔，也存在15min時間間隔，利用HEC-DSSvue軟件的時間序列插值功能，將間隔不規則的降雨徑流數據進行插值應用，轉化為15min步長的數據序列。

2.2HEC-HMS模型構建

HEC-HMS水文模型主要包括三大模塊：流域、氣象和時間控制模塊。流域模塊主要用于對降雨徑流過程的概化，氣象模塊主要負責對降水等資料的前期處理，時間控制模塊用于設定模擬的起始時間以及確定模擬時間步長。流域模塊涵蓋了產匯流參數計算部分，每個參數計算部分囊括的方法各不相同。本研究采用SCS曲線法、Snyder單位線法、指數衰減法和馬斯京根法進行產匯流參數計算。該組合參數計算量較少，原理簡單易懂，能夠較好地反映流域城市化背景下土地利用變化情景對暴雨水文情勢的影響。

2.2.1產流計算

HEC-HMS模型包括多種產流計算方法，本研究選擇SCS曲線法。該方法在引進CN參數的基礎上，建立了土壤最大蓄水量與流域特征之間的對應關系，使得產流計算過程簡單。

CN參數的計算需要在土壤數據庫中查找對應類型土壤的黏粒、砂粒含量，建立土壤類型屬性數據表；再利用SPAW軟件計算獲得土壤水分分組所需的飽和導水率，根據飽和導水率進行分組，查表得知本研究區中土壤類型均為A組。參照國內前人研究中對CN初始值的劃分，計算各子流域的CN平均值，相關計算公式為

2.2.2坡面匯流計算

Snyder單位線法的相關參數與集水區特性有關，且容易計算獲取，流域洪峰滯時T可以由流域特征參數計算獲得：

2.2.3基流計算

指數衰減法常用來解釋流域的自然排水問題，一般在場次洪水分析中選擇河道的年平均流量作為初始流量t時刻的基流量計算公式為

2.2.4河道匯流計算

馬斯京根法在實際計算中最為常用，參數率定精度高。其中：k值為洪水在河道中的傳播時間，k值越大，傳播時間越長；流量比重因子x的取值范圍為0～0.5，為無量綱權重系數。馬斯京根法計算公式如下：

3結果與分析

3.1 1990-2018年土地利用動態變化

硯瓦川流域不同時期土地利用類型面積變化見表1。

由表1可知，1990年整個流域以耕地和草地為主，城鎮化程度不高；進入21世紀后耕地大幅減少，占流域面積百分比由49.69%下降為42.01%。隨著人口的持續流入和區域資源的聚集，黃土高塬溝壑區城市化得到了迅速的發展，整個流域城市化擴張由西北部地區向周圍遞減，建設用地面積相比1990年增加了23.48km2，面積占比由7.72%增加到14.04%。

處理硯瓦川流域不同時期的土地利用數據得到不同地類面積轉移面積矩陣，見表2。耕地、林地、草地和建設用地4種地類之間發生了較為明顯的轉移，其中耕地有31.93km2轉變為草地，31.26km2轉為建設用地：林地主要向耕地和草地轉移，總共轉移了9.22km2，占比47.72%；草地主要向耕地、林地和建設用地等地類轉移，有25.67km2轉為耕地，7.78km2轉為林地，3.42km2轉為建筑用地。因此，硯瓦川流域土地利用類型在空間上和時間上的轉移是交替進行且相對可逆的，以耕地面積減少、建設用地面積擴張為主要特征。

3.2HEC-HMS模擬結果

基于硯瓦川流域逐次洪水測驗成果對洪水資料進行“三性”（可靠性、一致性和代表性）審查，選取具有典型代表性的16場洪水。將硯瓦川流域1981-2000年的前5場洪水用于產匯流參數的確定及率定，后3場洪水驗證參數的準確度。2006-2020年的8場洪水設置類似，前5場用于率定，后3場用于驗證。設計1990年和2018年土地利用條件下的洪水模擬方案情景．模擬結果見表3．

本研究采用洪峰流量相對誤差、洪量相對誤差、峰現時差、Nash效率系數這4個指標對模擬結果進行評定。根據《水文情報預報規范》（SL250-2000）中的規定，洪峰流量和洪量的誤差在20%以內為合格，峰現時差在3h內為合格，洪水預報各精度等級劃分見表4。從表3模擬結果可以看出，在1981-2000年8場洪水模擬中，率定期洪量合格率為80%，驗證期洪量合格率為67%：8場洪水的洪峰流量合格率均為100%，洪水的峰現時差均小于等于0.15h，Nash效率均超過0.7。其中模擬效果最好的是編號19880626場次洪水，而模擬效果相對較差的是編號19970727場次洪水。其原因可能是該模型自帶參數優化模塊，但參數的變化仍然有不確定性，導致設置的水文模型參數有偏差，而且對實際流量數據采用了線性插補的方法，也對局部模擬結果具有一定的影響。2006-2020年8場洪水模擬中，率定期洪峰流量合格率為87.5%，驗證期洪峰流量合格率為67%；8場洪水的洪量合格率均為100%．峰現時差均在1h內，Nash效率系數有6場在0.7以上。編號20200804場次洪水的洪峰流量相對誤差未達到合格，總合格率為87.5%。編號20060830和20200804場次洪水Nash效率系數明顯偏低，這兩場洪水的洪峰均為復峰，降雨徑流過程復雜，模擬歷時較長，擬合程度不高，說明HEC-HMS模擬單峰洪水過程比復峰的總體效果好。16場洪水的洪峰流量相對誤差的絕對值平均為9.80%，洪量相對誤差的絕對值平均為15.35%．峰現時差的絕對值平均為0.19h，Nash效率系數平均值為0.82，共有13場洪水預報合格，合格率為81.25%，模擬結果達到乙級預報精度。綜上所述，HEC-HMS模型在黃土高塬溝壑區硯瓦川流域具有良好的適用性，可用于分析該流域城市化對洪水過程的影響。

3.3流域城市化對設計洪水過程的影響

收集硯瓦川流域各雨量站點1981-2020年共40a的降雨資料，從中統計各站點最大24 h降雨量，采用P-Ⅲ型頻率曲線進行極端暴雨情景設計，5、10、20、50、100 a-遇的設計降雨量分別為45. 11、73. 02、83.21、95.59、106.08mm。以1h間隔設置降雨分布，參照《甘肅省暴雨洪水圖集》對各重現期設計暴雨進行分配（見圖1，其中P為頻率）。將逐時降雨數據輸入HEC-HMS軟件中，分別模擬流域城市化進程前后不同土地利用時期的設計洪水過程，以1990年的洪水數據為基準，比較2018年土地利用條件下各重現期洪峰和洪量的變化率。模擬結果見表5。

由表5可知，流域城市化背景下不同土地利用情景使設計洪水的洪峰流量和洪量均呈現上升趨勢，且同一量級洪水的洪量變化大于洪峰流量變化。100、50、20、10、5a這5種重現期洪峰流量與洪量的變化率差值分別為1.86%、1.90%、2.05%、2.13%、2.43%，表明越短重現期的洪水，其洪水要素的差異越大。對比分析發現，5a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為7.06%和9.49%，而100a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為4.54%和6.40%，即流域城市化對重現期短的洪水事件影響更大。

從子流域尺度探討硯瓦川流域城市化引發不同重現期設計洪水的水文響應機制。由圖2可知各子流域（圖中W+數字為子流域編號）不同重現期洪水要素變化差異大，洪峰流量和洪量的變化率總體上隨重現期的縮短呈現增長的趨勢，重現期最小的洪水對下墊面變化響應最為強烈，這與全流域的模擬結果類似。

由圖3可知，各子流域設計暴雨洪水對硯瓦川流域城市化的響應具有空間差異性，西北部地區響應最強，其次為南部地區，東北部地區最弱，與建設用地擴張的程度基本保持一致。隨著重現期的增大，設計洪水的響應從西北部地區向周邊地區逐漸減弱，100a-遇和50a一遇洪水的空間響應基本保持一致。西北部地區的子流域W330、W290、W400和W370洪水要素變化幅度較大，該地區城市化擴張迅速，建設用地大幅增加，占據各子流域面積的25%～35%，導致該區域下墊面急劇變化，CN值大幅增大，不透水面積增大，產流能力增強，洪峰流量變化率均大于15%。南部地區城市化發展較為緩慢，1990-2018年建設用地面積占比均不到各子流域的10%，洪峰流量的變化率均小于10%，其中子流域W410、W430隨著重現期的減小，對洪水的響應變化最為強烈。與西北部地區不同的是，硯瓦川流域東北部為黃土高塬典型溝壑區，城市化特征不明顯，建設用地增加緩慢，其中W450、W300和W340子流域同時發生了耕地向林地、草地和建設用地多種土地利用類型的轉變。因此，東北部地區子流域洪峰流量變化率較小，洪水對流域城市化的響應最不顯著。

4討論

流域城市化使得土地利用類型發生轉變，進而改變了流域下墊面條件以及水文特征，而這些因素又與流域產匯流能力息息相關，導致區域內洪峰流量和洪量增大。此外，相關研究表明土地利用的變化引起的不同重現期洪水要素變化的幅度具有差異性，對重現期短的洪水事件影響較大，這與本研究結果一致。梁彥寬等提出HEC-HMS模型在岢嵐流域具有良好的適用性，且模擬小型洪水較大中型洪水精度高：沈煒彬等基于HEC-HMS模型確定山洪災害臨界雨量，為羅敷堡流域的洪水預報提供新的依據，有效提高了山洪災害預警預報精度。以上這些研究為黃河流域的洪水預報提供了新的思路，而本研究在考慮硯瓦川流域大強度、短歷時降雨時空分布特征的基礎上，開展極端暴雨情景設計，重點分析流域城市化對暴雨洪水情勢的影響，探究各子流域設計洪水響應的空間差異性及其主要驅動因素，進一步完善了下墊面變化對短歷時設計降雨徑流影響的評價體系。

值得注意的是，未來黃土高塬溝壑區城市化的發展會使同量級的暴雨產生更高的洪水水位，極端暴雨頻率增大，導致區域洪澇風險提高。今后應系統并全方位地分析引起洪水徑流變化的關鍵因素，根據流域城市化水平綜合實施分區治理。在硯瓦川流域東北部溝壑區采取退耕還林還草、還湖等措施，推進林地和草地穩步增長：西北部及南部地區加強洪水調查和觀測，運用觀測數據進行降雨徑流實驗，為區域防洪減災提供準確可靠的水文信息：同時，合理控制整個流域城市化開發強度，增加自然透水面，如建設城市綠地、河流濕地等，提高徑流下滲能力。

5結論

1）1990-2018年硯瓦川流域土地利用變化以耕地減少、建設用地擴張為主要特征。本研究建立的HEC-HMS降雨一徑流模型適用于黃土高塬溝壑區流域洪水預報，其中16場洪水模擬的綜合合格率為81.25%，平均Nash效率系數為0.82，峰現時差絕對值平均為0.19h，達到了乙級預報精度。

2）流域城市化引起的土地利用變化導致設計洪水的洪峰流量和洪量均呈現增長的趨勢，對重現期短的洪水要素影響最為顯著，且同一量級的洪量變化幅度大于洪峰流量變化幅度。100a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為4.54%和6.40%，5a一遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分別為7.06%和9.49%。

3）硯瓦川各子流域設計洪水對流域城市化的響應具有空間差異性，建設用地擴張的幅度與各子流域洪水響應程度基本保持一致。西北部地區響應最強，其次為南部地區，東北部地區最弱。