基于HEC-HMS的黄土高塬沟壑区流域城市化对洪水情势的影响

钟芳倩 霍艾迪 赵志欣 陈建 杨璐莹 王星

关键词：HEC-HMS模型；流域城市化；洪水响应；砚瓦川流域；黄土高塬沟壑区

0引言

黄土高塬沟壑区城市化的快速发展．造成自然下垫面急剧变化，导致生态环境脆弱和洪水灾害频发，制约了社会经济的可持续发展。在流域城市化进程中，土地利用类型的转变以及下垫面硬化面积增大是影响水文过程的主要因素，造成严重的洪水灾害。

近年来，流域城市化带来的城市水文效应对城市暴雨内涝、水资源供需矛盾等方面造成了深刻的影响，是目前乃至未来几十年全球环境研究的热点问题。张荣等通过SWMM模型模拟北京杨洼闸流域洪水特征，研究表明洪峰流量与流域城市化程度具有一致的正相关性。王艳君等用SWAT模型模拟分析秦淮河流域城市化的水文响应，结果表明城市扩张致使流域年径流量呈现上升的趋势。随着HEC-HMS水文模型的出现，为流域复杂下垫面变化对洪水径流影响的评估提供了强有力的分析手段，受到了众多学者的青睐，如：刘鹏飞等基于HEC-HMS模型建立了适合高度城镇化下平原集水区的降雨一径流模拟模型，分析城镇化过程中土地利用转变对暴雨洪水的影响：高玉琴等预测了秦淮河流域2028年3种土地利用情景，运用HEC-HMS水文模型研究该流域快速城市化背景下不同土地利用变化的暴雨洪水响应机制。目前利用HEC-HMS模型在黄河流域已开展了一些科学研究工作，但这些研究主要集中于探究该水文模型的适用性，开展山洪灾害临界雨量计算等，有关黄河流域城市扩张对暴雨洪水情势影响的研究还鲜见报道。此外，黄河流域城市群面临暴雨洪水、气候环境恶劣等带来的多种灾害问题，同时城市分布密集、地形破碎等多方面因素使得其在应对极端降水条件下的洪涝灾害方面困难重重。因此，迫切需要在实现可持续发展前提下深入研究流域城市化对洪水形成各个环节的影响机制，开展在其背景下的洪水预测。

基于此，本文构建HEC-HMS模型，选取甘肃省庆阳市砚瓦川流域为研究区，模拟率定流域城市化前后不同时期土地利用条件下的产汇流参数，开展极端暴雨洪水情景设计，对比分析不同暴雨情景设计对流域城市化产生的水文响应机制，探究各子流域洪水要素变化空间响应分布的差异性及其主要驱动因素，以期为未来砚瓦川流域土地利用规划和水资源合理调控工作提供理论和方法支撑。

1研究区概况

砚瓦川流域位于甘肃省庆阳市西峰区和宁县境内，流域总面积约为372.15km2，集水区总长度35km。该流域属大陆性季风气候区，多年平均降水量为544.9mm，降水量年际变化大，7-9月为雨季且暴雨频发，降雨空间分布由东北向西南增多，而且该流域河流调蓄能力弱，导致洪水灾害频发。

2数据及方法

2.1数据来源及预处理

本研究选用的DEM数据为地理空间数据云（2015年）STER GDEM 30m分辨率高程数据，土地利用数据为中国科学院资源环境科学数据中心（http：／／www.resdc. cn）的30m栅格数据，土壤数据为世界土壤数据库（FAO网站）的1：100万土壤数据（HWSD），降雨径流数据来自《1981-2020年黄土高塬沟壑区砚瓦川流域降雨径流观测数据集》和文献。

对研究区数字高程数据（DEM）进行预处理，包括流域填洼、子流域划分等水文过程分析；将砚瓦川流域划分成27个子流域，提取出相应的河流长度、流域坡度、子流域面积等流域特征数据，得到砚瓦川流域概化图。该地区降雨资料主要为30min或1h的时间间隔，也存在15min时间间隔，利用HEC-DSSvue软件的时间序列插值功能，将间隔不规则的降雨徑流数据进行插值应用，转化为15min步长的数据序列。

2.2HEC-HMS模型构建

HEC-HMS水文模型主要包括三大模块：流域、气象和时间控制模块。流域模块主要用于对降雨径流过程的概化，气象模块主要负责对降水等资料的前期处理，时间控制模块用于设定模拟的起始时间以及确定模拟时间步长。流域模块涵盖了产汇流参数计算部分，每个参数计算部分囊括的方法各不相同。本研究采用SCS曲线法、Snyder单位线法、指数衰减法和马斯京根法进行产汇流参数计算。该组合参数计算量较少，原理简单易懂，能够较好地反映流域城市化背景下土地利用变化情景对暴雨水文情势的影响。

2.2.1产流计算

HEC-HMS模型包括多种产流计算方法，本研究选择SCS曲线法。该方法在引进CN参数的基础上，建立了土壤最大蓄水量与流域特征之间的对应关系，使得产流计算过程简单。

CN参数的计算需要在土壤数据库中查找对应类型土壤的黏粒、砂粒含量，建立土壤类型属性数据表；再利用SPAW软件计算获得土壤水分分组所需的饱和导水率，根据饱和导水率进行分组，查表得知本研究区中土壤类型均为A组。参照国内前人研究中对CN初始值的划分，计算各子流域的CN平均值，相关计算公式为

2.2.2坡面汇流计算

Snyder单位线法的相关参数与集水区特性有关，且容易计算获取，流域洪峰滞时T可以由流域特征参数计算获得：

2.2.3基流计算

指数衰减法常用来解释流域的自然排水问题，一般在场次洪水分析中选择河道的年平均流量作为初始流量t时刻的基流量计算公式为

2.2.4河道汇流计算

马斯京根法在实际计算中最为常用，参数率定精度高。其中：k值为洪水在河道中的传播时间，k值越大，传播时间越长；流量比重因子x的取值范围为0～0.5，为无量纲权重系数。马斯京根法计算公式如下：

3结果与分析

3.1 1990-2018年土地利用动态变化

砚瓦川流域不同时期土地利用类型面积变化见表1。

由表1可知，1990年整个流域以耕地和草地为主，城镇化程度不高；进入21世纪后耕地大幅减少，占流域面积百分比由49.69%下降为42.01%。随着人口的持续流入和区域资源的聚集，黄土高塬沟壑区城市化得到了迅速的发展，整个流域城市化扩张由西北部地区向周围递减，建设用地面积相比1990年增加了23.48km2，面积占比由7.72%增加到14.04%。

处理砚瓦川流域不同时期的土地利用数据得到不同地类面积转移面积矩阵，见表2。耕地、林地、草地和建设用地4种地类之间发生了较为明显的转移，其中耕地有31.93km2转变为草地，31.26km2转为建设用地：林地主要向耕地和草地转移，总共转移了9.22km2，占比47.72%；草地主要向耕地、林地和建设用地等地类转移，有25.67km2转为耕地，7.78km2转为林地，3.42km2转为建筑用地。因此，砚瓦川流域土地利用类型在空间上和时间上的转移是交替进行且相对可逆的，以耕地面积减少、建设用地面积扩张为主要特征。

3.2HEC-HMS模拟结果

基于砚瓦川流域逐次洪水测验成果对洪水资料进行“三性”（可靠性、一致性和代表性）审查，选取具有典型代表性的16场洪水。将砚瓦川流域1981-2000年的前5场洪水用于产汇流参数的确定及率定，后3场洪水验证参数的准确度。2006-2020年的8场洪水设置类似，前5场用于率定，后3场用于验证。设计1990年和2018年土地利用条件下的洪水模拟方案情景．模拟结果见表3．

本研究采用洪峰流量相对误差、洪量相对误差、峰现时差、Nash效率系数这4个指标对模拟结果进行评定。根据《水文情报预报规范》（SL250-2000）中的规定，洪峰流量和洪量的误差在20%以内为合格，峰现时差在3h内为合格，洪水预报各精度等级划分见表4。从表3模拟结果可以看出，在1981-2000年8场洪水模拟中，率定期洪量合格率为80%，验证期洪量合格率为67%：8场洪水的洪峰流量合格率均为100%，洪水的峰现时差均小于等于0.15h，Nash效率均超过0.7。其中模拟效果最好的是编号19880626场次洪水，而模拟效果相对较差的是编号19970727场次洪水。其原因可能是该模型自带参数优化模块，但参数的变化仍然有不确定性，导致设置的水文模型参数有偏差，而且对实际流量数据采用了线性插补的方法，也对局部模拟结果具有一定的影响。2006-2020年8场洪水模拟中，率定期洪峰流量合格率为87.5%，验证期洪峰流量合格率为67%；8场洪水的洪量合格率均为100%．峰现时差均在1h内，Nash效率系数有6场在0.7以上。编号20200804场次洪水的洪峰流量相对误差未达到合格，总合格率为87.5%。编号20060830和20200804场次洪水Nash效率系数明显偏低，这两场洪水的洪峰均为复峰，降雨径流过程复杂，模拟历时较长，拟合程度不高，说明HEC-HMS模拟单峰洪水过程比复峰的总体效果好。16场洪水的洪峰流量相对误差的绝对值平均为9.80%，洪量相对误差的绝对值平均为15.35%．峰现时差的绝对值平均为0.19h，Nash效率系数平均值为0.82，共有13场洪水预报合格，合格率为81.25%，模拟结果达到乙级预报精度。综上所述，HEC-HMS模型在黄土高塬沟壑区砚瓦川流域具有良好的适用性，可用于分析该流域城市化对洪水过程的影响。

3.3流域城市化对设计洪水过程的影响

收集砚瓦川流域各雨量站点1981-2020年共40a的降雨资料，从中统计各站点最大24 h降雨量，采用P-Ⅲ型频率曲线进行极端暴雨情景设计，5、10、20、50、100 a-遇的设计降雨量分别为45. 11、73. 02、83.21、95.59、106.08mm。以1h间隔设置降雨分布，参照《甘肃省暴雨洪水图集》对各重现期设计暴雨进行分配（见图1，其中P为频率）。将逐时降雨数据输入HEC-HMS软件中，分别模拟流域城市化进程前后不同土地利用时期的设计洪水过程，以1990年的洪水数据为基准，比较2018年土地利用条件下各重现期洪峰和洪量的变化率。模拟结果见表5。

由表5可知，流域城市化背景下不同土地利用情景使设计洪水的洪峰流量和洪量均呈现上升趋势，且同一量级洪水的洪量变化大于洪峰流量变化。100、50、20、10、5a这5种重现期洪峰流量与洪量的变化率差值分别为1.86%、1.90%、2.05%、2.13%、2.43%，表明越短重现期的洪水，其洪水要素的差异越大。对比分析发现，5a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分别为7.06%和9.49%，而100a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分别为4.54%和6.40%，即流域城市化对重现期短的洪水事件影响更大。

从子流域尺度探讨砚瓦川流域城市化引发不同重现期设计洪水的水文响应机制。由图2可知各子流域（图中W+数字为子流域编号）不同重现期洪水要素变化差异大，洪峰流量和洪量的变化率总体上随重现期的缩短呈现增长的趋势，重现期最小的洪水对下垫面变化响应最为强烈，这与全流域的模拟结果类似。

由图3可知，各子流域设计暴雨洪水对砚瓦川流域城市化的响应具有空间差异性，西北部地区响应最强，其次为南部地区，东北部地区最弱，与建设用地扩张的程度基本保持一致。隨着重现期的增大，设计洪水的响应从西北部地区向周边地区逐渐减弱，100a-遇和50a一遇洪水的空间响应基本保持一致。西北部地区的子流域W330、W290、W400和W370洪水要素变化幅度较大，该地区城市化扩张迅速，建设用地大幅增加，占据各子流域面积的25%～35%，导致该区域下垫面急剧变化，CN值大幅增大，不透水面积增大，产流能力增强，洪峰流量变化率均大于15%。南部地区城市化发展较为缓慢，1990-2018年建设用地面积占比均不到各子流域的10%，洪峰流量的变化率均小于10%，其中子流域W410、W430随着重现期的减小，对洪水的响应变化最为强烈。与西北部地区不同的是，砚瓦川流域东北部为黄土高塬典型沟壑区，城市化特征不明显，建设用地增加缓慢，其中W450、W300和W340子流域同时发生了耕地向林地、草地和建设用地多种土地利用类型的转变。因此，东北部地区子流域洪峰流量变化率较小，洪水对流域城市化的响应最不显著。

4讨论

流域城市化使得土地利用类型发生转变，进而改变了流域下垫面条件以及水文特征，而这些因素又与流域产汇流能力息息相关，导致区域内洪峰流量和洪量增大。此外，相关研究表明土地利用的变化引起的不同重现期洪水要素变化的幅度具有差异性，对重现期短的洪水事件影响较大，这与本研究结果一致。梁彦宽等提出HEC-HMS模型在岢岚流域具有良好的适用性，且模拟小型洪水较大中型洪水精度高：沈炜彬等基于HEC-HMS模型确定山洪灾害临界雨量，为罗敷堡流域的洪水预报提供新的依据，有效提高了山洪灾害预警预报精度。以上这些研究为黄河流域的洪水预报提供了新的思路，而本研究在考虑砚瓦川流域大强度、短历时降雨时空分布特征的基础上，开展极端暴雨情景设计，重点分析流域城市化对暴雨洪水情势的影响，探究各子流域设计洪水响应的空间差异性及其主要驱动因素，进一步完善了下垫面变化对短历时设计降雨径流影响的评价体系。

值得注意的是，未来黄土高塬沟壑区城市化的发展会使同量级的暴雨产生更高的洪水水位，极端暴雨频率增大，导致区域洪涝风险提高。今后应系统并全方位地分析引起洪水径流变化的关键因素，根据流域城市化水平综合实施分区治理。在砚瓦川流域东北部沟壑区采取退耕还林还草、还湖等措施，推进林地和草地稳步增长：西北部及南部地区加强洪水调查和观测，运用观测数据进行降雨径流实验，为区域防洪减灾提供准确可靠的水文信息：同时，合理控制整个流域城市化开发强度，增加自然透水面，如建设城市绿地、河流湿地等，提高径流下渗能力。

5结论

1）1990-2018年砚瓦川流域土地利用变化以耕地减少、建设用地扩张为主要特征。本研究建立的HEC-HMS降雨一径流模型适用于黄土高塬沟壑区流域洪水预报，其中16场洪水模拟的综合合格率为81.25%，平均Nash效率系数为0.82，峰现时差绝对值平均为0.19h，达到了乙级预报精度。

2）流域城市化引起的土地利用变化导致设计洪水的洪峰流量和洪量均呈现增长的趋势，对重现期短的洪水要素影响最为显著，且同一量级的洪量变化幅度大于洪峰流量变化幅度。100a-遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分别为4.54%和6.40%，5a一遇洪水的洪峰流量和洪量的增幅分别为7.06%和9.49%。

3）砚瓦川各子流域设计洪水对流域城市化的响应具有空间差异性，建设用地扩张的幅度与各子流域洪水响应程度基本保持一致。西北部地区响应最强，其次为南部地区，东北部地区最弱。