不同计算方法对HEC-HMS小流域洪水预报结果的影响研究

柳 颂

(东港市水利事务服务中心，辽宁 丹东 118300)

1 研究区概况

大洋河是辽宁省辽东半岛东侧的入海河流，发源于岫岩县偏岭乡境内的一棵树岭南侧，流经岫岩县、东港市，在东沟县的黄土坎入黄海[1]。大洋河干流全长230.0 km，其中岫岩县境内长度180.2 km，流域面积1968.4 km2，是岫岩县的重要饮用水水源地。大洋河的主要支流有雅河、牤牛河、连河、哨子河等，全部流域面积6004.0 km2，多年平均径流量31亿m3[2]。大洋河从源头至岫岩县冷家隈子为上游，属于典型的扇形水系，该河段比降大，流量小、流速快，汛期水大势猛，经常泛滥，对岫岩镇存在一定的威胁。从冷家隈子至哨子河街为中游，该河段为羽毛状水系，河道开阔、河床稳定，水量较大、水流平稳。哨子河街以下为下游，河道宽阔、水量丰富，由于河道比降较小，因此河床淤积现象比较严重。

2 研究方案

2.1 HEC-HMS模型的构建

HEC-HMS模型共包括流域、气象、控制运行和时间序列等四个运行模块[6]。其中，流域模块的主要功能是提取流域河网数据并进行概化，该模块的运行可以基于子流域的划分，获得流域的面积、蒸发量等基础数据，并通过具体的降雨径流过程进行降雨损失、直接径流、基流以及汇流过程的计算。本次研究结合大洋河的流域和水系特点，将整个流域划分为13个子流域，利用地表漫流模型进行河网水系生成；气象模块的主要功能是对流域洪水过程中的降雨、蒸发、融雪等气象数据进行前期分析和处理；控制运行模块的主要作用是设定计算步长以及计算的起止时间；时间序列模块的主要作用是输入站点坐标与观测资料，为模型的模拟计算做准备。

在HEC-HMS模型中，计算流程主要包括产流、直接径流、基流以及河道洪水等四部分的计算[7]。其中，在产流计算方面，模型提供了初损后损法、SCS 曲线法、格网 SCS 曲线法、格林-艾姆普特法、盈亏常数法、土壤湿度法以及格网土壤湿度法等七种计算方法[8]；在直接径流计算方面，模型提供了经验单位线法、Snyder 单位线法、SCS 单位线法、Clark 单位线法、ModClark 单位线法、运动波法等六种不同的计算方法；在基流计算方面，模型提供了退水曲线法、月恒定流法和线性水库法三种方法；在河槽洪水演算方面，模型提供了马斯京根法、运动波法、滞后演算法、改进的Puls法、马斯京根法-康吉法等五种方法。因此，在研究中需要根据流域的具体情况选用计算方法，但是对同一流域，适合的计算方法往往不止一种，因此，不同计算方法对计算结果是否存在显著影响就显得尤为重要。

2.2 计算方案设计

根据HEC-HMS模型提供的计算方法，结合大洋河流域的水文、气象特点，研究中确定基于不同计算方法的两套方案构建模型并进行模拟计算，具体方案设计如表1所示。

2.3 研究洪水场次

本次研究选择的是大洋河流域的5个主要水文和雨量站点1976—2018年近42 a的降雨径流数据，作为本次研究中模型参数率定和验证的依据。研究中对上述资料进行整理，剔除资料不全或不具有代表性的数据，最终筛选出12场次的洪水场次。其中，将上述12场次的洪水按照时间序列排序，将前7场洪水资料用于模型参数的率定，将后5场次洪水资料用于模型的验证。

3 结果与分析

3.1 方案一结果与分析

利用表1中所列的方案一的计算方法确定模型参数的初始值，并将其输入构建的模型，选择上节确定的7个场次洪水对方案一进行参数的率定和优化，获得如表2所示的率定期7场次洪水的模拟结果。由表中的结果可知，在模拟的7场次洪水中有6场合格，合格率为85.71%，所有场次洪峰流量的模拟结果误差均小于20%，确定性均值为0.827。

利用方案一条件下参数率定之后的模型，对5场次的验证期洪水进行模拟计算，结果如表3所示。由表中的结果可知，5场次洪水的模拟结果均合格，合格率为100%，其中洪峰流量的模拟误差均小于15%，确定性均值为0.820。

3.2 方案二结果与分析

利用表1中所列的方案二的计算方法确定模型参数的初始值，并将其输入构建的模型，选择上节确定的7个场次洪水对方案二进行参数的率定和优化，获得如表4所示的率定期7场次洪水的模拟结果。由表中的结果可知，在模拟的7场次洪水中有5场合格，合格率为71.43%，除010 725场次洪水之外，其余场次洪峰流量的模拟结果误差均小于25%，确定性均值为0.778。

利用方案二条件下参数率定之后的模型，对5场次的验证期洪水进行模拟计算，结果如表5所示。由表中的结果可知，5场次洪水中有4场次的模拟结果为合格，合格率为80%，其中洪峰流量的模拟误差均小于15%，确定性均值为0.760。

表2 方案一率定期模拟结果

表3 方案一验证期模拟结果

表4 方案二率定期模拟结果

表5 方案二验证期模拟结果

3.3 结果对比分析

从两种不同计算方案下的模型模拟结果来看，均取得了比较理想的结果，可以用于大洋河流域的洪水模拟计算。具体来看，方案一在洪峰流量以及径流深方面的模拟计算误差较小，模拟和验证期的12场洪水中，有11场次的模拟结果为合格，合格率为91.67%；各场次洪水的峰现时差均小于5 h；确定性系数的均值为0.824。方案二在洪峰流量以及径流深方面的模拟计算误差相对较大，模拟和验证期的12场洪水中，有9场次的模拟结果为合格，合格率为75.00%；除010 725场次和170 808场次以外，其余场次洪水的峰现时差均小于5 h；确定性系数的均值为0.770。总之，两种方案的模拟结果整体较好，说明HEC-HMS 水文模型在大洋河洪水模拟和预报预警中发挥重要作用，但是不同的计算方法对模拟结果和精度存在一定的影响，方案一更适合研究区的山洪预报工作。由此可见，在HEC-HMS 水文模型应用过程中要结合流域的具体特征选择合适的计算方法以提高模型的模拟精度。

4 结 论

本次研究以辽东半岛东部的大洋河流域为例，提出了基于不同计算方法的两种方案，对不同计算方法对HEC-HMS 水文模型模拟精度的影响进行研究，并获得如下结论：

(1)两种方案的模拟结果整体较好，说明HEC-HMS 水文模型在大洋河洪水模拟和预报预警中发挥重要作用。

(2)两种方案相比较，方案一更适合大洋河流域的山洪预报工作。

(3)在HEC-HMS 水文模型应用过程中，不同的计算方法对模拟结果和精度存在一定的影响，因此应该结合流域的具体特征选择合适的计算方法以提高模型的模拟精度。