基于HEC-HMS模型的大水峪水库洪水预报研究_张冠宇.pdf

收稿日期：20221026基金项目：北京水务青年科技骨干人才培养计划（BWAPT2019）作者简介：张冠宇（1988），男，工程师，主要从事流域防洪减灾工作。摘要：为有效解决潮白河流域中小水库洪水监测、预报调度的实际问题，本研究选取潮白河流域内暴雨频发、山洪沟道密集、防洪库容偏小的大水峪水库为研究对象，基于HEC-HMS水文模型，构建大水峪水库洪水预报模型，为水库科学优化洪水调度提供依据。HEC-HMS模型是一个具有物理概念的分布式降雨径流模型，在洪水预报中具有广泛的应用。通过大水峪水库上游4场降雨洪水过程，对该模型进行了率定验证，洪峰流量场次模拟合格率为75%，满足乙级预报精度要求。分析表明该模型在大水峪水库洪水预报模拟上有很好的应用。关键词：小流域；HEC-HMS模型；洪水预报；大水峪水库中图分类号：TV124；TV122文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0052-05DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.015基于HEC-HMS模型的大水峪水库洪水预报研究张冠宇（北京市密云水库管理处，北京101512）Research on Flood Forecasting of Dashuiyu Reservoir based on HEC-HMS ModelZHANG Guan-yu（Beijing Miyun Reservoir Management Office，Beijing 101512，China）Abstract：To effectively solve the practical problems of flood monitoring，forecasting and dispatching of small and medium-sized reservoirs in Chaobai River Basin，this study selects Dashuiyu Reservoir in Chaobai River Basin with frequentrainstorms，dense mountain flood channels and small flood control storage capacity as the research object.Based on HEC-HMS hydrological model，the flood forecasting model of Dashuiyu Reservoir is built to provide a basis for the scientificoptimization of flood dispatching of the reservoir.HEC-HMS model is a distributed rainfall runoff model with physicalconcept，which is widely used in flood forecasting.Through four rainfall and flood processes in the upper reaches ofDashuiyu Reservoir，the calibration verification of the model is carried out，and the qualified rate of flood peak flow fieldsimulation is 75%，which meets the requirement of Class B forecasting accuracy.The analysis shows that this model hasgood application in flood forecasting and simulation of Dashuiyu Reservoir.Key words：small basin；HEC-HMS model；flood forecasting；Dashuiyu Reservoir新中国成立前，潮白河是一条水旱灾害频发的害河，但随着流域内云州水库、密云水库、怀柔水库等大型水库的顺利拦洪，流域性大洪水基本消除，确保了下游安澜。但是随着气候的变化和人类活动的共同影响，流域内极端暴雨天气引起的密云、怀柔等中小河道洪涝灾害依旧频发。例如，1969年8月10日，石城、冯家峪地区突发强降雨，累计雨量265 mm，水堡子支沟主河槽流速4.074.81 m/s，洪峰638 m3/s，死亡71人；1972年7月，怀柔枣树林暴雨成灾，43 h降雨518 mm，最大1 h降雨量114 mm，倒塌房屋984间，22.66 km2耕地被冲，2.7 万人受灾，死亡 39 人；1976年7月，流域北部山区降暴雨导致暴雨洪水灾害，田庄水库总降雨358 mm，最大1 h降雨量150 mm，最大入库洪峰流量 500 m3/s，水库溢洪道因树木堵塞，洪水宣泄不及，导致洪水漫坝溃决，冲毁房屋3 500余间，受灾农田22.80 km2，死亡105人1。近年来，流域内山区中小河道发生2018年“716”、2019年“89”等山洪灾害2，3。分析这些洪涝灾害的成因，其共同点就是由短时强降雨引发的，场次降雨主要集中在12 h，小时雨强超过100 mm，降雨特点如图1所示。防汛抗旱 海河水利2023.No.32023.No.3由于降雨局地性、突发性较强，中小河道山洪产流量大、汇流时间短、成峰较快、预报难度大、破坏性强等特点给流域内中小水库的防洪安全带来巨大的压力。因此，为有效解决潮白河流域内中小水库洪水监测、预报、调度的实际问题，本文选取潮白河流域内暴雨频发、山洪沟道密集、防洪库容偏小的大水峪水库为研究对象，基于HEC-HMS水文模型，构建大水峪水库洪水预报模型，为流域水资源精细化管理和水库防洪调度提供重要科学依据。1概况大水峪水库位于怀柔区东北部20 km，是一座以防洪、灌溉发电为主的中型水库，总库容为1 460万m3，其中防洪库容380万m3。大水峪水库控制流域面积55.6 km2，干流河长13.6 km，平均纵坡0.033，流域多年平均降雨量750 mm，多年平均径流量1 440万m3。大水峪水库上游椴树岭（枣树林）雨量站是北京暴雨中心，被 北京市水文手册 列为海河流域1924年以来12个最大降雨点之一。椴树岭站多年（19502020年）平均降水量729 mm，比同期北京市多年平均降水量 585 mm 高 25%，其中最大年降水量为1 661 mm（1969年）、最小378 mm（1999年）4。大水峪水库有观测记录以来，曾出现若干次较大洪水，其中 1969年 8月 20日坝址洪峰流量 1 300 m3/s，为有观测记录以来的最大洪峰流量。1991年 6月 10日，椴树岭降雨203 mm，流域平均降雨158 mm，入库洪水总量达1 172万m3，下泄洪峰流量179 m3/s，是建库以来最大下泄流量。大水峪水库历史最高库水位173.59 m，最低水位129 m，控制流域如图2所示。2研究进展洪水预报过程是一个十分复杂的过程，其与降雨、蒸发、径流及下垫面的情况均存在相关因素。为找出合适的模型应用于洪水预报中，为防洪防灾措施的制定提供依据，国内外已进行了大量的研究。目前，针对洪水预报模型主要分为集总式水文模型和分布式水文模型两大类。与一般的传统水文模型相比，HEC-HMS 模型具有多种产流、汇流、基流以及河道洪水演进的计算模块，使得模型可广泛应用到湿润、半湿润、干旱、半干旱地区，能够模拟多种环境条件下流域的洪水过程。目前，HEC-HMS 模型已逐渐被广泛应用。国内外关于HEC-HMS模型的应用已取得了一些进展。D.Halwatura5等在热带流域对 HEC-HMS 模型进行了应用，指出该模型的Snyder单位水位图方法比Clark单位水位图方法更可靠地模拟流量；张建军等6研究表明HEC-HMS模型在我国半干旱半湿润地区的暴雨次洪模拟具有良好的适用性；张珊珊等7在通天河小流域基于 HEC-HMS 模型对山洪雨量预警做了分析，为缺乏水文资料的山丘区有效防治山洪灾害提供了参考；李立8基于HEC-HMS 模型进行了洪水预报研究，取得了较好的结果，得出树冠截留量是影响水文径流洪峰流量的关键因素，文章结论可为洪水预报提供理论依据。综上所述，鉴于HEC-HMS模型结构完整、计算参数简单、考虑因素全面和融合了纯粹的超渗产流或蓄满产流机制且能够较为客观地模拟小尺度的小流域径流过程，在我国暴雨洪水计算中已有广泛应用，因此选择HEC-HMS模型作为大水峪水库洪水预报的产汇流模型，并选取4场典型洪水作为模拟对象，评价该模型在大水峪流域洪水模拟上的适用性。图1降雨特点图2大水峪水库流域160140120100806040200降雨量/mm12345678910 11121314时段1976年“723”场次2018年“716”场次2019年“89”场次枣树林枣树林枣树林大水峪水库大水峪水库图例大水峪水库站雨量站水系流域边界线大水峪DEMValueHigh：1 269Low：159N NWWE ES S张冠宇：基于HEC-HMS模型的大水峪水库洪水预报研究532023年3月3数据与方法3.1模型介绍HEC-HMS水文模型是HEC系列模型的一种，由美国陆军工程兵团（USCE）下属水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，HEC）研发9。HEC-HMS水文模型是将流域降雨径流过程概化为降雨损失、坡面汇流、基流、河道演算4个部分的半分布式降雨-径流模型。HEC-HMS 模型综合考虑降水、环境及下垫面等自然地质条件分布的不均性，利用地势的起伏将整个流域按照水流的自然流向划分为不同密度的小流域分区，并且在模型构建初期可根据流域分区各自下垫面情况，对其分别预设适合的洪水过程计算方法并设置相关参数。最终，通过计算获得各子流域的产、汇流成果，并沿模型推算出的汇流河道，通过河槽汇流演算至下断面出口，得到总径流过程。HEC-HMS模型对降雨径流模拟过程，如图3所示。3.2基于DEM的模型构建模型采用模块化操作方式，通过设置流域模型、气象模型、控制运行模块和时间序列模块，选择不同降雨损失方案、产汇流模型来计算降雨径流。本文采用 30 m30 m 的 DEM 数据，通过 ArcGIS 利用HEC-GeoHMS模块对DEM数据进行填洼处理计算，然后对处理好的DEM数据进行空间分析，计算水流方向，生成研究流域河网等，最终将研究区划分为12个子流域，如图45所示。3.3模型计算方法3.3.1产流计算HEC-HMS 模型中提供了种降雨损失方法，本研究采用 SCSCN计算方法，该方法应用广泛，图3HEC-HMS模型对降雨径流模拟过程图4数字流域构建图5大水峪水库流域模型建立填洼水流方向计算汇流累计量矢量生成降雨集水区子流域1子流域2子流域+子流域n植物截留地表填洼蒸发散地面土壤地下基流地表径流水体水利工程入流河道出流子流域1出流子流域2出流子流域n出流控制断面流量子流域出流海河水利542023.No.3综合考虑了下垫面情况和人类活动影响，参数简单合理，由美国农业部土壤保护局开发。该方法中CN值反映了流域中不同土壤分组、土地利用组合、前期湿度的综合情况。3.3.2汇流计算HEC-HMS模型中提供了6种直接径流计算方法，本研究采用SCS单位线法，该方法的核心是一个无量纲单峰的单位线。美国农业部水土保持局最早通过对国家部分以种植业为主的流域进行洪水过程研究，根据降雨和径流的关系提出了SCS单位线法。3.3.3基流计算HEC-HMS模型中提供了3种基流计算方法，本研究采用线性水库法。基流是指持续不断的或无降水的径流，由暂时存储在集水区中的前面降雨的径流和被延迟的当前降雨的表面径流组成。基流计算过程是指地下水和壤中流对河道的补给计算过程。3.3.4河道演进HEC-HMS模型中提