参数变化对HEC-HMS模型流域洪水模拟结果的影响

(河海大学 水利水电学院，南京 210098)

1 研究背景

圩垸式防洪模式是通过建立圩垸来抵御洪水，并保护圩区内部农业等安全生产的防洪模式。圩垸通过圈圩筑堤、建闸控制、设站排水的方法，既能达到抵御外围洪水，又能排出圩区涝水的目的，在平原地区应用十分广泛。以圩垸式防洪为主体的防洪模式使原有流域水系结构被破坏，导致孕灾环境的变化，故研究圩垸式防洪模式对洪水的影响具有重要的意义。

近年来生态和环境的恶化导致洪水爆发频繁，对洪水的模拟预报日趋重视。HEC-HMS不透水率、圩垸允许水深、排涝模数等是HEC-HMS(The Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modeling System)模型在圩垸式防洪模式下流域洪水模拟中的主要参数，它的设置会对模拟结果产生重要的影响。HEC-HMS模型是一种模拟树枝状流域的水文模拟系统，主要由3个板块组成[1]。目前该模型在流域洪水模拟方面已经十分成熟，诸多不同流域和不同情境的模拟也验证了HEC-HMS模型适用性宽广[2-4]。而在模型中对模拟结果有影响的其中一个参数是不透水率，在考虑圩垸后还包括圩区的排涝模数以及圩垸允许水深，故研究这3个参数变化对HEC-HMS模拟结果的影响具有重大意义。

在不透水率的研究方面，国内学者主要集中研究土地利用变化和类型对径流的影响：史培军等[5]利用SCS(Soil Conservation Service)模型，以深圳市为例，探讨了下垫面条件变化对流域径流过程的影响；权瑞松等[6]利用SCS模型，以上海地区为例模拟研究不同阶段的土地利用和覆被变化对地表径流的影响；徐有鹏等[7]对长三角地区城市化的水文效应进行了研究。国外学者主要研究不透水面增加引起的环境水文效应[8-9]，并且研究不透水率变化对分布式水文模型的模拟结果带来的影响[10]。国内学者对排涝模数的研究和计算方法较多：张建新等[11]利用Nash单位线法对北京地区进行了模拟，通过与经验排涝模数方法相比较，证明该方法的可行性；郭晓萌等[12]研究改进平湖法中的时间步长，得出时间步长增大，排涝模数也增大的结论。国外学者计算排涝模数一般使用连续法、排水曲线法等[13-14]。虽然国内外学者对不透水率、排涝模数的研究较多，但都具有一定的局限性和不精确性。

国内对HEC-HMS模型参数变化及模型有无圩垸对模拟结果的影响作了一些研究工作：高玉芳等[15]利用不同数据源及不同分辨率数字高程模型(DEM)进行模拟，研究了不同数据源和不同分辨率下的DEM图对模拟结果的影响；林峰等[16]通过改变模型中的时间步长对洪水进行模拟，得出时间步长减小、蓄量常量K增大且模拟效率提高的结论；邓霞等[17]以清江流域为例，探讨目标函数的选取对模拟结果的的影响；高玉琴等[18]以秦淮河流域为例，分析了城市群圩垸防洪模式对暴雨洪水的影响；袁玉等[19]通过构建考虑圩垸的HEC-HMS水文模型，分析圩垸式防洪模式对流域防洪的影响。但上述研究都未考虑有圩垸下参数变化的情况，故本文建立HEC-HMS水文模型模拟，分析在有圩垸情景下不透水率、排涝模数和允许水深参数变化对流域洪峰和洪量模拟结果的影响。

2 流域概况、圩垸概化和模型参数设置

2.1 流域概况

秦淮河流域位于长江下游，介于118°39′E—119°19′E，31°34′N—32°10′N之间，流域涉及句容市和南京市区。流域内地形为盆地，呈蒲扇形，中间低四周高，由盆地四周向中心的地貌类型依次为山地丘陵、黄土岗地和平原圩区，其中平原圩区面积约占25%。流域长、宽各约50 km，面积约2 631 km2；有南北两源，分别是句容和溧水区域，自流域西北角的秦淮新河闸和武定门闸两出水口汇入长江。研究区属亚热带季风湿润气候区，平均温度15.4 ℃，流域降雨充足，多年平均降雨1 047.8 mm，流域平均径流量为 6.95×108m3。研究区气象具有降雨和高温同时发生的特点，洪涝干旱灾害时有发生，防汛任务十分重大。

秦淮河流域是采用圩垸式防洪模式极具典型性与代表性的流域，流域内的圩垸主要为平原圩区，分为城市圩垸和农村圩垸。城市圩区是封闭的单元，圩内产生的径流与圩外的河道系统没有直接的联系，要通过闸门和泵站等水利设施调节来提供灌溉供水和保持蓄水容量[20]，圩内水面率高于非圩区；而农村圩垸内部的河沟、塘坝都有一定的蓄水能力。总体来说，秦淮河流域具有典型的“小流域、大防洪”特点。

2.2 圩垸概化和模型参数设置

根据秦淮河流域STRM90m分辨率的DEM图，运用ArcGIS对流域水系以及子流域进行提取。以流域为依托，根据圩垸分布情况概化4个城市圈——句容城市圈、溧水城市圈、前垾村城市圈、东山城市圈(如图1)构建HEC-HMS模型。

图1 秦淮河流域城市群圩垸分布Fig.1 Distribution of urban agglomeration polders in Qinhuai River Basin

HEC-HMS分布式水文模型主要由流域模块、气象模块和控制设置模块3个部分组成。流域模块将降雨径流的形成过程划分为产流、直接径流、基流、河道汇流4个部分，各个部分的计算方法有多种。本文产流计算采用SCS曲线法，直接径流采用Snyder单位线法，基流采用指数退水法，河道汇流采用马斯京根法。

气象模块主要用于对气象数据的处理分析，包括降雨和蒸发2部分。本研究基于研究区的真实降雨数据，采用用户自定义法，根据研究区已有8个雨量站点构建泰森多边形，确定子流域形心处的降雨量。

模型中主要的参数有CN值、流域滞时以及马斯京根蓄量常量K和流量比重X。CN值和流域滞时是根据整个流域的土地利用类型、分布以及河道情况计算得到，而K和X则通过手工法率定得出。在率定前，流域的不透水率是根据城市建设用地比例预估，在模型中考虑圩垸后，还需要设置排涝模数和圩垸的允许水深。

表2 不同不透水率下洪量和洪峰模拟结果Table 2 Simulation results of flood volume and flood peak in the presence of varied impermeability

3 参数变化对流域洪水模拟结果的影响分析

模型初始条件是流域不透水率20%，圩垸内允许水深0.1 m，排涝模数4 m3/(s·km2)。通过仅改变其中一个参数的大小，研究其变化对洪水模拟结果的影响。

模拟结果如表1所示，选择其中3场不同规模洪水，即19990622(小规模)、19960626(中等规模)、20030626(大规模)作为研究对象，进行参数变化模拟对比分析。

表1 秦淮河流域城市群圩垸洪量、洪峰模拟结果Table 1 Simulation results of flood volume andflood peak in Qinhuai River Basin

3.1 流域不透水率变化的模拟结果分析

不透水率变化是体现城市化进程的一个很重要的指标，可精确地确定不透水面的信息，能为分析城市扩张、热岛效应等提供数据和科学依据[21]。由于不透水率的计算复杂，对资料要求较高，本文研究的初始不透水率根据流域的城市化水平和建设用地比例等因素进行预估，初始不透水率20%。本研究不透水率设置为20%～70%，研究该参数的变化对流域洪水模拟结果的影响趋势。

对典型年的不同不透水率下洪量、洪峰进行模拟，结果如表2所示。以初定不透水率20%为对比基础，不同不透水率下的洪量、洪峰相对变化趋势如图2所示。

图2 洪量和洪峰相对不透水率20%情景百分比变化趋势Fig.2 Trends of relative change of flood volume andflood peak compared with those in the scenario thatimpermeability equals 20% in different flood events

由表2和图2(a)可知，随着流域不透水率的增长，流域洪水的洪量也呈现逐步增长的趋势，且丰水年不透水率对洪量的影响反而越低，影响程度平水年小于枯水年，丰水年最低；由表2和图2(b)可知，随着不透水率的不断变大，流域洪峰也是逐步增大的趋势，且枯水年的影响程度最高，其次是丰水年，平水年最低。分析其原因，随着城市化的进展，圩区内部的不透水率增大，导致内部无法通过自身渗透消化掉一部分水量，被迫只能通过圩内的水利设施抽排，从而导致外河道洪量增加，而不同的圩区同时抽排，洪水汇聚导致洪峰也逐渐增大。

因此，城市化导致不透水率不断变大，而不透水率的增大也会增大流域的洪量和洪峰，对圩垸的防洪起到不利的影响。

3.2 圩垸不同允许水深对模拟结果的影响分析

在加强城市化和圩垸防洪能力的过程中，很大一部分体现在将圩垸的圩堤加固、加高，增加圩垸的可滞纳水量，即增加圩内的允许水深，以此来降低洪水给流域带来的负面效果。本文的初始允许水深是根据秦淮河已建圩垸的防洪程度和可滞纳洪水量预估得出。

本节将允计水深作为唯一变量，探讨在其他参数不变的情景下允许水深的改变对模拟结果带来的影响，将允许水深设置为0.1，0.2，0.3，0.4 m。

3场典型年不同允许水深的洪量和洪峰模拟结果如表3所示，以0.1 m的允许水深为对比基础，不同允许水深的洪量和洪峰相对变化趋势如图3所示。

表3 不同允许水深的洪量和洪峰模拟结果Table 3 Simulation results of flood volume and flood peakin the presence of varied allowable water depths

图3 洪量和洪峰相对于允许水深0.1 m情景百分比变化趋势Fig.3 Trends of relative change of flood volume andflood peak compared with those in the scenario thatallowable water depth equals 0.1 m in different flood events

由表3和图3(a)可知：随着城市圩垸允许水深的增长，流域洪水的洪量反而呈减小的趋势，且对洪水的影响程度丰水年低于平水年，枯水年最高。由表3和图3(b)可看出：允许水深的增大反而使洪峰呈现增大的趋势。分析其原因：在模型中我们将圩垸看成一个平底水库，随着允许水深的增加，圩垸可滞纳的洪水也开始增加，因此需外排的水量减少，流域洪量逐渐降低；但由于水位提升，内外河道水位落差增大，在超过安全水位时排放速度较快，导致短时洪峰反而增大。

因此，随着城市圩垸防洪能力的不断提高，圩内允许水深不断变大，能够降低圩区外河道的洪水洪量，对流域的防洪起到了积极的作用，但也要注意洪峰变大带来的影响。

3.3 排涝模数对模拟结果的影响分析

由于研究区的地势比较低洼，无法自行排水，不得不用排涝泵站等设施进行抽排洪水，所以排涝模数很大程度上影响了圩区内的水量变化，研究排涝模数变化对洪水的影响也具有重要的意义。研究表明秦淮河流域的排涝模数介于0.80～4.00 m3/(s·km2)之间时改变排涝模数对流域洪水没有影响。究其原因，本研究将模型模拟时间步长设置为1 d，在最低排涝模数0.80 m/(s·km2)的情况下，都能将超过允许水深的洪水排出圩垸，所以在超过0.80 m3/(s·km2)以后对模拟结果是没有影响的。

故本节主要研究针对在0.80 m3/(s·km2)以下的排涝模数参数变化带来的影响，不同排涝模数的洪量和洪峰模拟结果如表4所示。不同排涝模数下洪量和洪峰相对变化趋势如图4所示。

表4 不同排涝模数的洪量和洪峰模拟结果Table 4 Simulation results of flood volume and floodpeak with different drainage moduli

图4 洪量和洪峰相较于排涝模数0.8 m3/(s·km2)情况百分比变化趋势Fig.4 Trends of relative change of flood volume andflood peak compared with those in the scenario thatdrainage modulus equals 0.8 m3/(s·km2) indifferent flood events

由表4和图4(a)可以看出，以允许水深0.1 m为对比基础，随着排涝模数的不断减小，流域的洪量也呈下降趋势；表4和图4(b)可以看出，排涝模数的减小，流域洪峰也随之减弱。分析其原因，排涝模数代表该区域的排涝能力，排涝模数越低表示在相同时间内对外排放的水量越少，洪峰和洪量也就越低，因此在圩垸能承受的范围内，有效的降低排涝模数有助于流域防洪。

4 结 论

本文以秦淮河流域为研究区域，通过构建HEC-HMS水文模型，研究模型参数变化对模拟结果的影响，研究结论如下：

(1)流域不透水率的增大会导致流域的洪峰和洪量增加，对流域防洪有不利影响，且洪水规模越小，其影响越显著。

(2)圩垸的允许水深增大降低了流域的洪量，轻微提升了流域的洪峰。

(3)排涝模数的降低减弱了流域的洪峰洪量，有效降低排涝模数对流域防洪起到了积极作用。

(4)对参数的研究不仅能更直观地了解参数变化带来的影响，还能为提高洪水预报精度提供有力的依据。

本文利用HEC-HMS水文模型研究参数改变带来的影响，得到的结果和影响还不够全面和深入，对于模型中控制运行模块的时间步长、DEM分辨率等因素对模拟结果的影响还需进一步研究。