基于HEC-HMS的小流域山洪雨量预警

张珊珊，王江婷,2，徐征和

(1.济南大学水利与环境学院，济南 250022；2.湖北江河盛腾工程咨询有限公司，武汉 430000)

山洪广义上指山区溪沟中发生的洪水暴涨，包括暴雨山洪、融雪山洪等[1]。本文针对中国北方小流域的暴雨山洪[2]分析计算。频发的山洪灾害，对人民的生命财产安全造成威胁[3,4]，因此准确及时地预警尤为重要。部分山洪频发地区因缺乏水文资料，使山洪预警的难度加大[5,6]。通常山洪预警指标分为临界雨量预警指标、临界水位预警指标[7]，前者运用更普及[8]。成灾水位为河道发生暴雨洪水有可能诱发山洪灾害的最小水位，其对应的断面流量为临界流量，由水位流量关系可对应确定数值[9]。当降雨量达到或超过某一量级和强度时，则可能会引发山洪等灾害，此时对应时间段的降雨量为该区域的临界雨量[10,11]。临界雨量有静态临界雨量、动态临界雨量，二者对土壤含水量的处理不同[12]。预警时段是在预警指标分析中研究对象的典型降雨历时，分析预警时段的临界雨量可得雨量预警指标[13]。

HEC-HMS模型为半分布式次洪降雨径流模型[14]，国外很早就将其用于径流模拟[15,16]。李燕[17]等将HEC-HMS模型应用于国内中汤流域，效果较好，表明该模型可在无实测资料的地区进行山洪预警。基于此，本文选取莱芜市通天河流域的一个子流域作为研究区，基于HEC-HMS模型，计算预警指标并检验复核。

1 研究区HEC-HMS模型建立

通天河流域处于山东省莱芜市北部山区，处于东经117°23′～117°37′，北纬36°24′～36°33′。源于雪野镇红哨子村的通天河，向南汇入雪野水库，全长16.1 km，流域面积98 km2。降雨量年内年际变化较大，10-4月降水量约占全年1/4；呈三面(东西北)高、南面低的贝壳形地势，地表大多被青石风化土层覆盖，易饱和，降雨产流较快。

利用HEC-GeoHMS模块对通天河流域30 m×30 m DEM进行填洼处理，采用D8法计算水流方向，用HEC-GeoHMS模块Stream Definition工具提取河网，通过HEC-GeoHMS模块生成Stream Link，用Catchment Grid Delineation工具给河段分级，得到子流域，再用Drain Line Processing工具将栅格流域图矢量化。HEC-GeoHMS模块依据选定的出水口自动划分出10个子流域，形成流域数字水系。选子流域2为研究区，选取官正村、富家庄、房干村、安子湾4个沿河村落为研究对象。研究区、研究对象、雨量站位置见图1。

研究区土地利用类型约95%为有林地和耕地，棕壤土和粗骨土为主要土壤类型，研究对象基本分布于棕壤土，研究区基本情况见表1。因通天河流域外的雨量站相距较远，与该流域相关性较差，故只采用流域内上游雨量站的资料。创建研究区HEC-HMS模型，经分析比较后选择初损稳渗法、Synder单位线法、指数衰减法、马斯京根法分别计算产流、直接径流、基流和河道汇流演算。参考《莱城区山洪灾害分析评价报告》，研究区降雨土壤初损值为10 mm，稳定下渗率为1.56～3.66 mm/h。按照土地利用情况，分析其不透水面积；流域滞时为降雨量质心与洪峰流量之间的时距，由相应公式计算可得。据研究区实际情况以及美国陆军工程兵团水文水资源中心的推荐值，确定峰值系数的范围为0.4～1；由流量过程线计算流量变化率，确定衰减指数和退水拐点比率的初值；K为稳定流情况下河段传播时间，流量比重因子X取值通常为0～0.5。采用人工调参法和目标函数优化法相结合的方式调整模型参数，将模拟与实测水文过程对比，采用单变量梯度优化法将参数初始值重复迭代修正，通过单纯形法检索目标函数得最优解。分别选取1966-2016年间的7场、3场洪水过程率定、验证模型参数，率定和验证后的模型参数取值见表2。

表1 研究区基本情况表Tab.1 Basic information of the research area

表2 率定和验证后的模型参数取值表Tab.2 The value of the model parameters after calibration and verification

2 预警指标分析

2.1 预警时段和临界流量

将研究对象的汇流时间设置成最长预警时段，根据地区降雨特征等确定其他典型时段。根据《山东省水文图集》，土壤最大蓄水量为60 mm，土壤较干、一般、较湿三种情况的初损值Ia依次为24、10、0 mm，本文临界雨量计算中Ia取10 mm。根据已有资料所建立的水位流量关系曲线，由成灾水位可得对应的临界流量值。根据之前模型模拟洪水过程获得的洪峰流量值，采用插值法计算其防洪能力，详见表3，如房干村的临界流量为105 m3/s，处于5 a一遇到10 a一遇的洪峰流量之间，推算其防洪能力为6.9 a。而富家庄的临界流量达到305 m3/s，远大于100 a一遇的洪峰流量，可知富家庄河道防洪能力较好，河道防护治理能力较强，受灾概率较小。

表3 临界流量和防洪能力表Tab.3 Critical flow and flood control capacity

2.2 研究区预警指标

2.2.1 临界雨量

根据实测资料借助曼宁公式建立水位流量关系，由断面成灾水位对应出临界流量；由《山东省中小河流治理工程初步设计设计洪水计算指导意见》中的泰沂山南区1 h雨型，结合实际，拟定降雨系列，作为模型输入值，通过雨型分配降雨，研究对象的降雨序列见表4；利用模型试算法，将洪峰流量与临界流量相比较，若二者相近，则为所需临界雨量，若相差较大，重新假定初始雨量，重复上述步骤[18]，直到小于允许误差为止。不同土壤干湿条件下的临界雨量值如表5所示。

2.2.2 雨量预警指标

预警指标通常分准备转移预警指标与立即转移预警指标[19]，相应地，临界雨量包括准备转移雨量和立即转移雨量[20]，在临界雨量基础上，分别乘以系数0.9、1.1作为准备转移预警指标和立即转移预警指标，见表5。

3 雨量预警指标检验复核

参考《山洪灾害预警指标检验复核技术要求(试行)》，对研究区雨量预警指标检验复核。

表4 研究对象的设计雨型表Tab.4 The design rain type of the research objects

表5 临界雨量及雨量预警指标表Tab.5 Critical rainfall and rainfall early warning indicators

3.1 水位流量关系

采用复核后的方法、比降、糙率等对20160722场次洪水计算现水位流量关系，与原水位流量关系比较，如表6所示，官正村、富家庄和房干村的现成灾水位大于原成灾水位，故三者的成灾水位仍为原成灾水位；安子湾的现成灾水位虽小于原成灾水位，而实际仍发生了山洪，故将现成灾水位定为其成灾水位；临界流量误差分别为-3.6%、7.9%、8.6%、-6.1%，均小于10%，表明水位流量关系相对合理。

表6 水位流量检验结果表Tab.6 Check results of water level and flow

3.2 HEC-HMS计算洪峰方法

(1)同一条河流上下游不同位置的洪峰流量及洪峰模数。富家庄、安子湾、李家庄位于同一条河流上下游的不同位置，如表7所示，可知三者的设计洪水洪峰流量呈上小下大趋势，洪峰模数相差不大。

表7 同一条河流上下游不同位置的洪峰流量及洪峰模数表Tab.7 The flood peak flow and flood peak modulus of the same river at different locations

(2)相似小流域的洪峰流量及洪峰模数。通天河流域的子流域1和子流域4形状相似，比降、植被和土壤分布类似，可认为二者具有一定相似性。如表8所示，可知二者的洪峰模数相近。20160722、20120708场次的洪水过程模拟图见图2，两个子流域洪水过程线形状类似，峰现时间相近。

表8 相似小流域对比表Tab.8 Comparison of similar small watersheds

图2 流域出口处洪水过程模拟图Fig.2 Flood process simulation diagram at the outlet of the basin

3.3 临界雨量及预警指标

成灾之前不同预警时段的最大雨量作为该时段特征雨量，同步计算前期影响雨量Pa,t，应选用与成灾洪水特征雨量相同前期影响雨量下的临界雨量计算偏离度。对于成灾洪水，偏离度分布在10%范围内，则临界雨量基本合理；否则，需再用频率区间分析，若特征雨量和临界雨量位于同一频率区间，则临界雨量视为合理，否则应重新计算。因富家庄河道防洪能力大于100 a一遇，故不再检验。临界雨量的偏离度计算结果见表9。

(1)

4 结 语

官正村临界雨量偏离度除20120708场次(洪水最大)合理外，其余偏大；房干村临界雨量20160722、20120708场次偏离度偏小，其余偏大；安子湾临界雨量偏离度除19960730场次偏大外，其余偏小。分析预警指标误差的影响因素：雨量站资料代表性不足；成灾水位换算至控制断面时有误差；由水位流量关系曲线对应出的临界流量有误差；参数取值大多据流域平均状态选取，具体至每个研究对象会有偏差等。

从偏离度来看，部分临界雨量偏离度小于10%，预警指标部分合理，需更多场次洪水来精确预警指标阈值；从频率区间分析，除19960730场次外，其余场次特征雨量与临界雨量基本位于同一频率区间，预警指标基本合理。总之，在无更精确的获取预警指标的方法时，此方法为小流域山洪预警指标分析提供了参考。

表9 预警指标检验成果表Tab.9 The checked and verified results of early warning indicators

注：t为预警时段；Pa,t为前期影响雨量；D为偏离度；Pt为特征雨量，Pl为临界雨量，表中分别用*、√表示。