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user: 3. 洪水模拟 3.1. 洪水模拟模型 1) 大伙房模型(DHF model) 大伙房模型 [ 8 ] [ 13 ] 是大伙房水库管理局在1973年提出的，主要适用于北方半湿润半干旱地区，模型以超渗产流为原理，引用双层入渗曲线进行扣损计算；汇流模型采用变强度、变汇流速度的经验单位线。其中，蒸散发按照两层模式进行计算，表层按照流域平均蒸散发能力蒸发，待表层需水量蒸发完以后，下层开始蒸发。 产流计算过程：首先从降雨中扣除雨间蒸散发量和不透水面积上的直接径流量，得到净渗雨强；然后，采用不同抛物线分别描述表层蓄水容量和下层渗率的空间分布状况，进一步从净渗雨强中扣除表层的缺水量和流域平均总下渗量，得到表层流；最后，用总径流扣除表层流得地下径流。汇流计算时利用前期影响净雨量控制汇流速度，采用指数和三角函数乘积叠加的方式建立经验单位线汇流模型。 2) HEC-HMS模型 HEC-HMS模型是由美国陆军工程师团水资源研究中心开发的，如图2所示，该模型将实际产汇流过程简 图2. HEC-HMS模型原理 化为产流计算、直接径流、基流和河道汇流4个组成部分，基本思想是在划分多个子流域单元的基础上，建立气象模型计算各个子流域的面降雨，然后分别选取产流、汇流方法，计算每个子流域的净雨量，经过坡面、河道汇流，最后演算至流域出口。 HEC-HMS模型将产汇流过程组成部分模块化，主要包括：子流域模型、气象模型、控制模块、时间序列数据模块等。其中，子流域模型和气象模型是模型运行的基础和关键，一般情况下，在复杂地形的山区小流域，划分的子流域越精细，模型模拟结果越稳定 [ 14 ] ，但在资料精度不高的情况下，可适当减少子流域数量。子流域模型确定后，可以选用泰森多边形法计算各个雨量站点在各子流域的面积权重，以此来计算各子流域的面降雨量，最后生成气象模型。 3.2. 基于大伙房模型的洪水模拟 考虑到场次洪水较少，故模拟研究过程中不分率定期和检验期；大伙房模型的参数采用改进的粒子群算法进行率定 [ 15 ] ，最后确定的模型参数值见表1，模拟结果如表2所示。根据水文情报预报规范(GB/T22482-2008)，模拟径流量合格率为100%，模拟汇流过程的合格率为85.7%，其中不合格的场次洪水是“080731”洪水。 1) 从产流模拟结果来看，大伙房模型模拟径流量精度整体较高。对于前期土壤较干旱、降雨总量较大的洪水，模型模拟径流量的误差不超过12%，如“080731”、“080811”、“120803”等场次洪水，降雨量越大，雨强就越大(暴雨历时短)，符合模型超渗产流的特点，因此模型模拟效果较好。 2) 从汇流模拟结果可知，大伙房模型模拟洪峰流量和峰现时间的效果均较好，符合水文情报预报规范(GB/T22482-2008)的评定，但整体的平均确定性系数模拟精度略低，这与大伙房模型退水较快的特点有关。对于“120728”场次洪水，该场洪水降雨量很少且前期土壤较为湿润，可能发生蓄满产流，其峰现时间滞后、洪水过程偏瘦，与大伙房模型汇流特点不符，因此模拟峰现时间提前，模拟确定性系数精度较低；对于“080731”场次洪水，本身就是多峰洪水，峰现时间很难模拟；另外，由于流域自动测报系统2011年以后才稳定运行，也 Table 1 Optimized parameters of DHF mode 产流参数 B K2 S0 U0 D0 Ka a 参数值 1.01 0.32 40 70 110 0.85 2.40 汇流参数 B0 K0 K n DD CC COE 参数值 1.02 0.11 0.45 4.3 0.64 0.55 0.09 表1. 基于大伙房模型的参数优选结果 Table 2 Simulated results of DHF mode 序号 洪号 降雨 总量 /mm 初始 含水量 /mm 径流深 洪峰流量 实际 /mm 模拟 /mm 绝对 误差 /mm 相对 误差 /% 实际 /(m³/s) 模拟 /(m³/s) 相对 误差 /% 峰现 误差 /h 确定性 系数 1 050808 116.6 94 100.0 98.6 −1.4 −1.4 372 383 2.8 −1 0.91 2 080731 146.3 65 102.4 98.5 −3.9 −3.8 181 210 16.1 −2 0.61 3 080811 143.4 60 86.3 93.6 7.2 8.4 443 506 14.4 −1 0.70 4 120728 58.9 100 58.7 48.6 −10.1 −17.2 243 235 −3.3 −1 0.56 5 120803 201.0 91 167.4 181.9 14.5 8.7 897 939 4.7 0 0.70 6 130701 128.3 63 69.6 77.4 7.8 11.2 298 303 1.6 0 0.82 7 130716 84.3 82 68.6 57.4 −11.2 −16.4 286 260 −9.2 0 0.92 表2. 基于大伙房模型的模拟结果 可能是资料记载有偏差，但很难识别出究竟是哪方面的因素导致峰现时间模拟效果不好。 3.3. 基于HEC-HMS模型的洪水模拟 根据研究区域的DEM数据，利用HEC-GeoHMS模块生成子流域模型和气象模型(见图3)。根据流域的洪水特点和下垫面条件，HEC-HMS模型的产流、汇流和河道洪水演算分别采用初损后损法、Snyder单位线法和马斯京根法。由于HEC-HMS模型所需实测水文资料较少，所以研究中分率定期和检验期。本文根据土地利用类型确定不透水面积，并结合土壤等数据确定下渗率的初始值，选用“080811”、“120803”和“130716”等3场洪水率定模型的参数，其余场次洪水用于模型参数的检验。最终确定的参数值及洪水模拟结果如表3~5所示。 根据水文情报预报规范(GB/T22482-2008)，HEC-HMS模型对7场洪水的径流量模拟结果都合格，洪峰流量和峰现时间的模拟精度与大伙房模型模拟结果一样，也只有“080731”洪水不合格，但HEC-HMS模型整体的平均确定性系数模拟精度比大伙房模型高。产生这种结果的原因是：HEC-HMS模型与大伙房模型均采用超渗产流方法，对于“080811”、“120803”等降雨强度较大的洪水，两种模型模拟效果均较好，对于“130716”等降雨量较小的洪水，两种模型模拟误差稍大，因此两种模型对产流量的模拟精度相差不大；大伙房模型汇流方法退水较快，与冰峪沟流域实际退水过程拟合效果较差，因此确定性系数的模拟效果没有HEC-HMS模型好，如图4所示。 综上所述，冰峪沟小流域地处北方半湿润半干旱丘林山区，其产汇流规律复杂多变，当前期土壤较干旱、降雨强度较大时，流域符合超渗产流特征，大伙房模型和HEC-HMS模型模拟产汇流的效果都比较好。对于前期土壤偏湿润、降雨量和雨强较小的洪水，两种模型模拟效果稍差，如“120728”洪水、“130716”洪水等，原因可能是实际降雨发生了蓄满产流。但总体而言，处于半湿润半干旱地区的小流域，一般都以超渗产流为主，因此两个模型模拟产汇流的精度均较高，具有较好的适用性。 图3. 子流域模型和气象模型 Table 3 Optimized parameters of runoff generation and concentration based on HEC-HMS mode 子流域序号 1 2 3 4 5 6 7 产流参数 稳渗率 1.0 1.1 0.9 1.4 0.8 1.2 1.6 汇流参数 流域滞时 7.7 8.8 4.3 2.6 2.0 4.5 0.5 峰值系数 0.36 0.34 0.50 0.69 0.79 0.71 0.56 表3. 基于HEC-HMS模型的产流和汇流参数优选结果 Table 4 Optimized parameters of channel conflux based on HEC-HMS mode 河道 河道1 河道2 河道3 河道4 槽蓄曲线坡度 3 2.3 3.7 0.4 流量比重因子 0.34 0.38 0.3 0.48 表4. 基于HEC-HMS模型的河道汇流参数优选结果 Table 5 Simulation results of HEC-HMS mode 分期 序号 洪号 降雨 总量 /mm 初始 含水量 /mm 径流深 洪峰流量 实际 /mm 模拟 /mm 绝对 误差 /mm 相对 误差 /% 实际 /(m³/s) 模拟 /(m³/s) 相对 误差 /% 峰现 误差 /h 确定性 系数 率定期 1 080811 143.4 55 86.3 93.3 7.0 8.1 443 512 15.8 −1 0.80 2 120803 201.0 87 167.4 181.4 14.0 9.2 897 727 −9.0 0 0.85 3 130716 84.3 79 68.6 59.3 −9.3 −13.0 286 252 −11.9 0 0.96 检验期 1 050808 116.6 90 100.0 84.4 −15.6 −15.0 372 346 −7.2 −1 0.87 2 080731 146.3 62 102.4 95.4 −7.0 -6.2 181 190 5.1 −2 0.79 3 120728 58.9 96 58.7 51.2 −7.5 −12.8 243 239 −1.6 0 0.58 4 130701 128.3 62 69.6 77.4 7.8 12.0 298 334 −12.2 0 0.86 表5. 基于HEC-HMS模型的模拟结果 图4. 大伙房模型与HEC-HMS模型模拟结果对比