小流域次洪模拟的多尺度研究

周卫东

（江苏省扬州市邗江区水利局水政监察大队，江苏 扬州225009）

由于降雨空间分布不规律导致水文模型预测数据依赖于空间尺度变化。 夏军［1］认为水文尺度有时间、空间两种。目前国内学者对水文尺度进行了一系列研究，刘新仁［2］在淮河流域上对基于新安江模型所建立的多尺度模型参数的规律进行了研究；刘国纬［3］研究了多尺度下的水文循环大气过程，首次计算出我国大陆的水汽通量；魏林宏［4］表明径流受DEM分辨率的影响很大；高玉芳［5］通过研究DEM对水文模型模拟的影响，结果表明研究区DEM分辨率越低，水文过程拟合度越好。 对于不同研究区，很有必要确定其最佳的DEM分辨率。 因此，本文以山区小流域为研究区， 基于11场次洪降雨径流资料，应用HEC-HMS模型模拟洪水过程， 探讨了不同空间尺度DEM分辨率对该流域次洪过程模拟精度的影响。

图1 研究区流域水文站位置

1 研究区概况

研究区流域内的主要水系为降河， 河道整体坡降大、河床较深，是典型的山区小流域。 流域内西南北部比中部及东部高，水流自西南北方向流向中部，流经下安庄、中村、西上村、王家湾等水文站向东出境。

2 数据预处理

2.1 DEM预处理

本文以研究区流域具体地理位置， 获取相应经纬度， 以及所需分辨率的数字高程数据作为流域洪水模拟分析的基础数据。

由于DEM存在误差及特殊地形地貌的存在，以致所得DEM表面凹凸起伏，影响模拟的水流方向，故利用HEC-GeoHMS对流域的DEM数据填洼处理。 利用处理过的DEM，分析模型进行空间特征分析，画出河网形状，并划分子流域，提取特征值，确定模型应用的数字流域。

2.2 建立数据库

本文选取研究区雨量站和水文站1994～2005年的11场次降雨径流资料进行洪水过程的模拟， 通过可视化数据存储系统HEC-DSSVueⅢ， 建立模型所需的雨量数据库和流量数据库， 用ArcGIS软件建立了30，60，90m 不 同 分 辨 率 下 的DEM 作 为HECgeoHMS模型输入。

3 模型简介及方法选取

区别于其他水文模型的是该模型可用于流域水文循环的各个环节，并且有多个计算模块，拥有多种计算基流，产汇流，河道洪水演算的方法，通过模块优化组合，进而可广泛应用于大部分地区，本研究采用国内外较常用初损稳渗法、Clark单位线、马斯京根法［6-7］。 模型水文模拟示意图如图2。

图2 模型模拟示意图

3.1 初损稳渗法

该方法假设在一次降雨洪水过程中， 潜在的降雨损失最大为fc，其中fc为常数；一个时段内的平均降雨量为pt（mm）；雨量初损值为Iα（mm）；降雨累计量为Pt（mm）；pet产流量的计算如式（1）：

该方法只有一个参数fc，取决于研究区土壤最大稳渗能力， 其中初始损失量Iα主要取决于研究区自然地理情况。

3.2 Clark单位线法

其基本原理是通过单位线法中的一个或一组方程，计算该单位线相关的洪峰流量及峰现时间，然后确定适合研究区的单位线。

3.3 马斯京根法

该方法流量演算方程如式（2）：

C0+C1+C2=I

式中 I1，I2，O1，O2分别代表河道始、末上断面和下断面的入流量和出流量（m3/s）；Δt 为计算时段（h）；K为稳定流情况下河段传播时间；x为流量比重因子。

4 结果与分析

本文在时间步长为10min 下， 分别以30，60，90m DEM分辨率的模型对11场洪水进行模拟。 对洪峰流量相对误差（±20%以内）、洪量相对误差（±20%以内）、峰现时差（±3h以内）和确定性系数4个指标对所模拟的结果进行评价［8］。 多种DEM下的模拟结果如表1， 其中6场模拟值与实测值洪水过程线如图3。

表1 多尺度下次洪模拟结果

图3 不同DEM分辨率下的洪水过程线

从水文模拟结果可看出：

（1）30，60，90m DEM 3 种 分 辨率下HEC-HMS模型模拟11场洪水模拟的合格率分别为90.9% ，81.82%，100%， 分别达到洪水预报的甲、乙、甲级标准。

（2） 从确定性系数上可看出， 在30m DEM分辨率下11场洪水模拟中，达到甲、乙、丙级、不合格预报精度的数目所占比例分别为18.18%，36.36%，36.36%，9.1%，确定性系数绝对值平均为0.73；同样60m DEM 分辨率下所占比例分别为18.18% ，45.45%，27.27%，9.1%， 确定性系数绝对值平均为0.71；90m DEM分辨率下所占比例分别为54.55%，27.27%，28.28%， 确定性系数绝对值平均为0.81比30，60mDEM分辨率下的模拟结果分别高0.08，0.10。

（3） 从峰现时差可看出，60mDEM分辨率下模拟峰现时差绝对值均值为0.5h最低，效果最好，其次是90m。

（4） 30m DEM分辨率下洪峰流量和洪量模拟合格率分别为90.9%，100%；60m DEM分辨率下洪峰流量和洪量模拟合格率分别为90.9%，90.9%；90m DEM分辨率下的洪峰流量和洪量模拟合格率均为100%，该DEM分辨率下洪峰、洪量模拟效果最好，其次是30m。

由图3可知， 洪号为20030911、20050709 （图3（c）、（e）） 的3种模拟洪水过程线与实际过程线几乎重合；20030911场次3种分辨率模拟的峰现时差均在0.5h内；20050709场次模拟的峰现时差均在0.5h内，确定性系数在0.85以上，洪峰流量、洪量相对误差均小于10%。 洪号为20041016 （图3 （d)） 的洪水，90mDEM模拟下洪峰滞后2h；60mDEM模拟峰现时差为0， 和实测洪水峰现时间一致；30mDEM模拟的洪量相对误差为0，和实测洪量一致，确定性系数达到0.9以上。 对于洪峰流量较小、退水时间较长的洪号为19950913（图3（a））的洪水，3种分辨率下的模拟结果均合格，确定性系数达到了0.79以上。 对于洪峰流量较大、退水时间较短的洪号为20050730（图3（f））的典型山丘区洪水，60mDEM分辨率模拟下的洪峰流量相对误差在20%以上， 模拟不合格；30mDEM分辨率模拟下的洪峰流量误差为-18.11， 确定性系数为0.706； 而90mDEM分辨率模拟下的洪峰流量及洪量误差均在6%以下，峰现时差在0.5h以内，且其确定性系数达到了0.911，表明对于陡涨陡落、洪峰流量较大类型的洪水90m DEM分辨率更适合。 对于洪峰流量较大、 退水时间较长的洪号为19990821 （图3（b）） 的洪水，60mDEM分辨率模拟下的洪量相对误差在20%以上， 确定性系数为0.512模拟不合格；30mDEM分辨率模拟的合格，确定性系数为0.7以上；而90mDEM分辨率模拟下的洪峰流量及洪量误差均在6%以下，峰现时差在1h以内，且其确定性系数达到了0.908，表明对于洪峰流量较大、退水时间较长类型的洪水90m DEM分辨率下的洪水过程线拟合效果最好。 6个图中90mDEM分辨率下模拟洪峰、洪量都和实际洪水过程线拟合度较高。

5 结语

本文通过建立水文模型研究了小流域多空间尺度下的次洪模拟过程。 结果表明，DEM分辨率为30，60，90m时，洪水模拟合格率均在80%以上，确定性系数绝对值均值也都在0.7以上。 运用90m DEM比30，60m DEM洪水模拟合格率高9.1%和18.18%，且对于陡涨陡落、洪峰流量较大类型和洪峰流量较大、退水时间较长类型的洪水90m DEM分辨率下的模拟结果和实测值拟合度最好，其次是30m DEM。表明当需要较高模拟精度时， 选取最优的DEM分辨率可获得更好效果。