基于HEC＿HMS水文模型的秦淮河流域圩垸式防洪模式洪水模拟

袁 玉 高玉琴 吴 锡

（河海大学 水利水电学院，南京 210098）

1 研究背景

GIS及RS技术的迅速发展，逐渐推动了半分布式及分布式水文模型的发展与完善.HEC＿HMS水文模型是美国陆军工程兵团水文工程中心发布的一种半分布式水文模型.HEC＿GeoHMS模块是HEC＿HMS模型嵌入到GIS中的空间分析模块.

目前HEC＿HMS水文模型在流域洪水过程模拟方面已取得了较为广泛的应用.赵彦增等、李燕等分别在官寨流域［1］、篓子沟流域［2］取得了较好的洪水模拟效果.王力等证实HEC＿HMS模型适用于南水北调东线工程沿线地区，模拟结果可以为大尺度的流域水资源综合配置提供来水量和流量输入［3］.雍斌等将HEC＿HMS模型应用于汉江流域，模型模拟精度较高，在我国降水丰沛、径流量较大的湿润、半湿润山区的次洪模拟方面具有广泛的应用和发展前景［4］.许有鹏等将HEC＿HMS模型应用于秦淮河流域，在全流域及子流域的空间尺度上研究区域城镇化过程中LUCC洪水响应［5］.

随着城市化进程加快，城市防洪由单个城市向城市群防洪发展，各城市分别构筑城市防洪保护圈（即城市圩垸），以圩垸式防洪为主体的防洪模式给流域洪水情势带来了新的影响［6］，例如原有河网系统被围堤割裂，河道水位普遍被围堤逼高，洪水形成机制与洪水过程发生很大变化［7］，因而孕灾坏境也发生了很大变化.这是当前城市化进程中防洪的重要而迫切的问题.然而，目前对于城镇化背景下的这一系列问题的研究还不够系统和深入.城市群圩垸式防洪模式在我国东部平原水网区和一些中等流域尤其普遍.秦淮河流域是该种防洪模式的典型代表性流域.

本文主要通过构建秦淮河流域考虑圩垸的HEC＿HMS水文模型，进行流域暴雨径流模拟，分析比较秦淮河流域有无圩垸的洪水模拟效果.

2 研究区概况及模型构建

2.1 研究区概况、圩垸概况及数据预处理

1）研究区概况

秦淮河流域位于长江下游南京河段南岸，为感潮河网地区.秦淮河有溧水河、句容河两大河源，两源在江宁区西北村汇合为秦淮河干流.干流全长34km，流域集水面积2 631km2，流域呈蒲扇形.秦淮河流域属北亚热带向中亚热带的过渡地带，常年降雨量1 047.8mm.秦淮河流域土地利用以水田为主，其次为旱地、城镇用地、灌木林和草地.秦淮河流域土壤类型以红紫土、黄石土、马肝土、青泥条为主.由于秦淮河流域的气象特征和下垫面特征，流域洪涝灾害频繁.洪水发生的机率为：一般洪水平均每2年发生一次、大洪水平均每5～6年发生一次、特大洪水平均每20年左右发生一次.秦淮河流域的洪水主要发生在6～7月份的梅雨期.当日降雨量超过100mm或3d降雨量超过150mm时，常发生洪水，一场洪水历时3～7d.

2）圩垸概况

秦淮河流域圩垸主要为平原圩区，圩区是封闭的单元，圩内产生的径流与圩外的河道系统没有直接的联系，要通过闸门和泵站调节来提供灌溉供水和保持蓄水容量，圩内水面率高于非圩区，内部的河沟、塘坝有一定的蓄水能力.本研究根据秦淮河流域圩垸分布，划分出7块圩垸，主要位于秦淮河流域中下游地区，总集水面积281km2，未包含句容、溧水及南京主城区，圩垸内部的土地利用以旱地、城镇用地、水田等为主.7块圩垸的分布情况如图1所示，土地利用情况见表1.

图1 本研究划分的秦淮河流域圩垸分布情况

表1 秦淮河流域圩垸土地利用情况

3）数据预处理

研究区的原始数据资料主要有SRTM90m分辨率的秦淮河流域DEM文件；根据Google＿Earth2013年4月10日影像描绘的秦淮河流域水系数据；地理数据空间云网站中欧空局全球陆地覆盖数据（ESA GlobCover）分辨率为300m的2009年的土地利用数据；由研究区7个雨量站和2个流量站提供的气象水文资料等.站点的坐标信息见表2.秦淮河流域水系及水文站点分布情况如图2所示.

表2 秦淮河流域雨量站及流量站站点坐标信息

图2 秦淮河流域水系及水文站点分布情况

本文数据预处理过程中，运用嵌入到GIS中的HEC＿GeoHMS扩展模块对研究区DEM数据及水系数据进行水文分析［8－9］，根据流域地形及水系将研究区划分为19个子流域并提取每个子流域的土地利用情况.从研究区已有的雨量站及流量站的日雨量及日流量资料中，选取8场典型洪水，使用HEC＿DSS软件建立DSS数据库，供模型调用［10］.

2.2 模型方案的比选、构建及参数率定

1）模型方案的比选、构建

HEC＿HMS水文模型系统主要由气象模型、流域模型及控制设置3部分组成［11］.气象模型主要用于对气象数据进行分析处理，包括降雨模块及蒸散发模块，同时建立气象数据同各子流域的关系.HEC＿HMS模型中一共提供了7种不同的降雨方法，分别为：权重因子法、格网降雨分配法、反距离平方加权法、暴雨频率法、SCS暴雨法、标准洪水暴雨法及用户自定义法.本研究选用用户自定义法.根据已有的7个雨量站，建立研究区的泰森多边形，将各子流域与覆盖面积最大的泰森多边形雨量站相匹配，确定该子流域的降雨情况［12］.秦淮河流域雨量站泰森多边形及子流域划分如图3所示.

图3 秦淮河流域雨量站泰森多边形及子流域划分

流域模型将每个子流域中降雨径流的形成过程划分为损耗单元产流、单元坡面汇流、基流及河道汇流4个部分［13］.

流域地表被划分为透水和不透水两部分，透水部分的降水需扣除降水损失：不透水部分直接产流，没有下渗、蒸发、截留及其他损耗，不透水部分以流域不透水面积百分比表示.模型提供了7种损耗产流模型，分别为：盈亏常数法、格林－安普特法、栅格SCS曲线法、栅格土壤湿度法、初损常数法、SCS曲线法和土壤湿度法.本研究采用SCS曲线法.

透水部分的降水满足了下渗、蒸发、截留、蒸腾损失等，剩余的降水和不透水部分的降水形成净雨，净雨通过坡面汇流形成直接径流.模型提供了6种单元坡面汇流模型，分别为：运动波模型、ModClark准分布式线性汇流模型、克拉克单位线模型、Snyder单位线模型、SCS单位线模型和用户单位线模型.本研究采用SCS单位线法.

地下水是少雨和干旱时期河道径流的主要来源，地下水进入河道称为地下径流，即基流.模型提供了3种方法模拟基流，分别为：月常量模型、线性水库模型和指数退水模型.本研究采用指数退水模型.

模型提供了5种河道汇流演算模型，分别为：时滞模型、马斯京根法、蓄量演算法、运动波演算法和马斯京根康吉演算法.本研究采用马斯京根法.分别构建秦淮河流域无圩垸及有圩垸的HEC＿HMS分布式水文模型如图4～5所示.

图4 秦淮河流域（无圩垸）HEC＿HMS模型图

图5 秦淮河流域（有圩垸）HEC＿HMS模型图

2）参数率定

本研究模型主要需要确定的参数有CN值、流域滞时及马斯京根模型中的两个参数：蓄量常数K及流量比重X［14］.CN值、流域滞时根据流域土地利用情况、河道情况等计算得出.需要率定的参数主要为马斯京根模型中的参数K、X.本研究采用手工方法对上述参数进行率定.

3 洪水模拟

3.1 秦淮河流域（无圩垸）HEC＿HMS模型模拟结果

通过计算模拟结果与实测结果的Nash系数及相关系数来评价模型模拟精度.Nash系数用于反映模型的整体效率，Nash系数大于0.8时说明模拟结果较好.相关系数用于反映模拟结果与实测数据的变化趋势是否一致，相关系数大于0.8时说明模拟结果较好.洪量误差及洪峰误差在20%以内认为模拟结果较好［5］.

根据秦淮河流域8场典型洪水进行模型的率定与验证，其中3场用于率定，5场用于验证.率定后无圩垸模型参数见表3，率定与验证统计结果见表4.

表3 秦淮河流域无圩垸模型参数

表4 HEC＿HMS模型模拟8场洪水的评价指标结果

根据表4，率定期3场洪水的洪量及洪峰相对误差均在20%以内，Nash系数及相关系数均大于0.8.19890803洪水洪量相对误差略大于20%，但超出部分在5%以内且其余评价指标结果均很好，故认为满足要求.3场洪水的洪量相对误差均值为14.62%，洪峰相对误差均值为2.34%，Nash系数均值为0.890，相关系数均值为0.960.将率定后的参数用于另外5场洪水的验证，验证期5场洪水模拟和实测流量过程线如图6所示.根据图6，秦淮河流域出口断面模拟的洪水过程线与实测过程线吻合较好.验证期5场洪水的洪量及洪峰相对误差均在20%以内，Nash系数及相关系数均大于0.8.20030624次洪水洪量相对误差略大于20%，但超出部分在5%以内且其余评价指标结果均很好，故认为满足要求.5场洪水的洪量相对误差均值为8.90%，洪峰相对误差均值为6.42%，Nash系数均值为0.870，相关系数均值为0.960.验证期5场洪水的模拟效果均较为准确.以上结果表明，HEC＿HMS分布式水文模型适用于秦淮河流域的洪水模拟.

图6 秦淮河流域验证期次降雨径流过程模拟值与实测值对比图

3.2 秦淮河流域有、无圩垸HEC＿HMS模型模拟结果对比分析

本研究为了揭示圩垸对秦淮河流域洪水过程的影响，同时为控制圩垸作为影响洪水过程的单一因素，不采用实测洪水过程进行比较分析，利用已经率定好的流域有、无圩垸HEC＿HMS模型，选取具有不同大小洪水过程的暴雨事件，即19870701、19890803、19910630三次暴雨洪水事件，进行洪水模拟及比较分析.模型模拟结果见表5及图7所示.根据洪量、洪峰模拟结果对比，对于不同洪水，有圩垸工况下的洪量、洪峰均小于无圩垸工况下的洪量、洪峰.有圩垸工况较无圩垸工况洪量削减均超过7%，洪峰削减均超过10%.三场洪水的洪量削减均值为10.05%，洪峰削减均值为12.04%，故秦淮河流域圩垸式防洪模式较无圩垸防洪模式，有效地削减洪水的洪量及洪峰.

表5 秦淮河无圩垸洪水模拟结果对比

图7 秦淮河流域有、无圩垸HEC＿HMS模型模拟结果对比图

三场洪水的有、无圩垸模拟结果的洪量削减百分比对比图如图8所示，19890803洪水有圩垸的模拟洪量为124mm，洪量削减百分比为11.43%，；19870701洪水有圩垸的模拟洪量为282mm，洪量削减百分比为11.04%；19910630洪水有圩垸的模拟洪量为468mm，洪量削减百分比为7.69%.随着洪水规模增大，洪量削减百分比为下降趋势.洪水规模大小不同，圩垸对洪水洪量削减的程度也不同，洪水规模越小，圩垸对洪量的影响越显著.

究其原因，圩垸内部的水田、河沟、塘坝等有一定的蓄水能力.固定的蓄水容量作用下，洪水规模越小，对应的洪量越小，圩垸存蓄水量的百分比越大.洪水规模越小，圩垸对洪量的影响越显著.

图8 洪量相对变化对比图

4 结 语

根据洪水模拟结果，HEC＿HMS分布式水文模型在秦淮河流域具有很好的适用性且模拟精度较高.秦淮河流域圩垸式防洪模式较无圩垸防洪模式，洪量削减均值及洪峰削减均值均超过10%，三场洪水洪量削减最低值为7.69%，洪峰削减最低值为11.05%，故圩垸防洪有效地削减单次洪水的洪峰及洪量.洪水规模越小，圩垸对洪量的影响越显著.本文考虑的圩垸分布情况，圩垸防洪对于流域防洪起到了积极作用.

［1］ 赵彦增，孔凡哲，朱朝霞.HEC＿HMS及其在官寨流域的应用［J］.人民黄河，2008（8）：50－53.

［2］ 李 燕，孙永寿，朱朝霞.HEC－HMS及其在篓子沟流域的应用研究［J］.中国农村水利水电，2009（3）：47－49.

［3］ 王 力，赵红莉，蒋云钟.HEC－HMS模型在南水北调东线水资源调度中的应用［J］.南水北调与水利科技，2007（6）：58－61.

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［5］ 许有鹏.长江三角洲地区城市化对流域水系与水文过程的影响［M］.北京：科学出版社，2012.

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［10］ Hydrologic Engineering Center.HEC－GeoHMS User＇sManual［Z］.U.S.Army Corps of Engineers，Davis，CA.，2001.

［11］Hydrologic Engineering Center.HEC－HMS Hydrologic Modeling System User＇s Manual［Z］.U.S.Army Corps of Engineers，Davis，CA.，1997.

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