基于HEC-HMS模型的温榆河流域水文模拟

廖如婷 胡珊珊 杜龙刚 黄振芳

摘要：水文模拟对于流域防洪减灾、水资源规划管理有重要的意义。将分布式水文模型HEC-HMS应用到北京温榆河流域，模拟该区域1980-2005年间6场暴雨洪水过程和1983-1995年日降雨径流过程，评估HEC-HMS模型在模拟场次洪水和日径流过程两种时间尺度上的适用性。结果表明，场次洪水模拟的洪峰流量和洪量相对误差均在20%以内，峰现时差均不超过2 h，平均Nash效率系数为0.82，平均相关系数r为0.92;日径流模拟率定期和验证期的平均Nash效率系数为0.6，平均相关系数r为0.78，平均相对误差为3.95 %。分析结果表明，HEC-HMS模型在温榆河流域的适用性较好，能够有效模拟北方地区短时和长时降雨径流过程，可用于该区域的洪水预报和水资源评价与管理。

关键词：HEC-HMS模型;温榆河流域;次洪模拟;日径流模拟;参数率定

中图分类号：TV121文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：[TP寥如婷.TIF]

Hydrological simulation of Wenyu River basin based on HEC-HMS model

LIAO Ruting1，2，HU Shanshan1，2，DU Longgang.3，HUANG Zhenfang.3

（1.College of Resource Environment and Tourism，Capital Normal University，Beijing 100048，China;2.Beijing Laboratory of Water Resources Safety，Capital Normal University，Beijing 100048，China;3.Beijing Hydrological Station，Beijing 100089，China）

Abstract：Hydrological simulation is important for flood hazard mitigation and water resources management.In this study，we adopted the distributed hydrological model HEC-HMS to simulate the flood events and daily runoff of the Wenyu River basin in Beijing，China.The model was calibrated and validated with the data of 6 storm events during 1980-2005 and daily stream flow during 1983-1995.The results showed that for all of the 6 floods，the relative errors of peak flow and runoff amount were less than 20%，and the peak time difference was within 2 h.The average Nash efficiency coefficient and average correlation coefficient r were 0.82 and 0.92，respectively.For the daily runoff simulation，the average Nash efficiency coefficient was 0.6，the average correlation coefficient r was 0.78，and the average relative error was 3.95%.Preliminary analysis showed that the HEC-HMS model applied well to the Wenyu River basin.It can effectively simulate the short-term and long-term rainfall and runoff processes in northern China，and can be used for flood forecast，water resources evaluation and management in this area.

Key words：HEC-HMS model;Wenyu River basin;flood simulation;daily runoff simulation;calibration

20世紀以来，随着地[HJ2.15mm]理信息系统和遥感技术的迅速发展，分布式水文模型成为水文水资源研究的有效手段。HEC-HMS是由美国陆军兵团水文工程中心 （Hydrologic Engineering Center） 开发的半分布式水文模型，因其物理机制明确、结构简单、能概化模拟流域的复杂下垫面特性，已经被广泛的应用于不同国家和地区。国外学者们应用HEC-HMS模型进行了一系列流域水文相关的研究，在沙特阿拉伯Makkah[1-2]、印度Chenab[3]、伊朗Jafar-Abad[4]等流域模拟效果良好。此外，HEC-HMS模型评估城市化对洪水的影响研究在印度Thirusoolam[5]、斯里兰卡Kelani[6]、沙特阿拉伯Jazan[7]、孟买Oshiwara[8]等流域取得了很大进展。在国内，HEC-HMS水文模型先后应用于米塞、万安流域[9]、晋江流域[10]、江河流域[11]、紫荆关流域[12]等，效果都较为理想。近些年，我国学者开始将HEC-HMS模型应用于流域土地覆被变化的洪水响应研究[13-14]、山洪预报[15-17]和长期径流过程模拟[18-19]等方面，都取得了较好的研究结果。从国内外研究现状来看，HEC-HMS模型目前主要应用于流域洪水预报及下垫面变化影响分析，在流域长时间尺度的水资源模拟与管理中应用较少。本文将HEC-HMS模型应用到北京温榆河流域，分别进行场次洪水模拟和日径流模拟，分析评价HEC-HMS模型在两个时间尺度上的模拟效果，探讨并总结HEC-HMS模型在北方城市化影响区域的适用性和局限性，为HEC-HMS模型在类似区域的应用研究提供参考。

1研究区概况

温榆河流域位于北京市北部，发源于燕山南麓，属于海河流域的北运河水系，全长约47.5 km，流域面积2 478 km.2[20]。本文选取温榆河沙河闸水文站控制流域为研究区，汇水面积约1 099 km.2（图1），其中山区（高程大于100 m）面积约708.3 km.2，占研究区面积的64.4 %;平原区面积约390.7 km.2，占35.6 %，跨北京市昌平、延庆和海淀三个区县，20世纪80年代以来随着北京卫星城镇的扩展，流域内的土地利用发生了明显改变，建成区面积大大增加，目前已占到整个流域面积的19.5 %。流域属于温带大陆性季风气候，多年平均降雨量为642.5 mm，降雨多集中在6月-9月，约占全年的84 %，多年平均蒸发量为1 815.5 mm （20 cm口径蒸发皿），其中4月-6月占全年的42 %[21]。

2温榆河流域HEC-HMS模型构建

2.1数据来源与处理

研究区DEM（数字高程模型）数据和Landsat遥感影像数据来源于中国科学院地理空间数据云平台[22]，空间分辨率均为30 m。DEM数据用于子流域的划分和流域特征的提取，遥感影像用于解译得到研究区土地利用类型，本文将研究区土地利用类型分为草地、耕地、林地、水域、建设用地和未利用地6大类。土壤数据是由南京土壤所提供的第二次全国土地调查1∶400万土壤数据，主要土壤类型为褐土和黄垆土。通过查找土壤中黏粒、砂粒、有机质等的含量，建立土壤类型属性数据表。

研究区水文气象资料主要来源于北京市水文总站，部分摘自历年《海河流域水文资料（第3卷）》。水文气象资料包括温榆河流域上游1980-2005年间8个雨量站及流域出口沙河闸水文站的实时、日降雨径流数据，其中流量数据根据沙河水库水位库容曲线反推入库流量得到[23-24]。蒸发数据采用苏庄站1980-2005年的20 cm蒸发皿日蒸发数据。

2.2模型构建

本文在HEC-HMS模型的扩展模块HEC-GeoHMS的支持下，依托ArcGIS软件将研究区划分为6个子流域，并提取子流域及河道的特征参数。HEC-HMS模型主要由流域模块（Basin Model）、气象模块（Meteorological Model）、控制运行模块（Control Specifications）以及时间序列数据模块（Time-series Data）组成。其中，流域模块是对实际流域上降雨径流过程的模型概化。本文根据降雨径流的形成过程，将其划分为降雨损失、直接径流、基流和河道汇流四个部分，分别采用SCS-CN曲线法、SCS单位线法、指数退水法和马斯京根法进行计算。气象模块采用权重因子法对降雨数据分析处理，建立雨量站与各个子流域的地理关系。控制运行模块设定模拟计算的时间步长为1 h。时间序列数据模块输入研究区中相关站點的坐标、雨量、流量以及蒸发等实测资料，为整个模型的模拟计算提供数据基础。

本文建立的模型中主要需要确定的参数为CN、流域滞时以及马斯京根法中的蓄量常数K和流量比重X。其中，CN值根据研究区土地利用和土壤数据查表[25]计算得出。流域滞时、蓄量常数K和流量比重X则需要在已有流域、河道特征参数的基础上计算，然后进行参数率定确定。

2.3模型率定与验证

为了使建立的HEC-HMS模型模拟结果达到最优，必须对模型参数进行优化。HEC-HMS模型提供了单变量梯度法（Univariate Gradient）与Nelder Mead法2种方法及七种目标函数供用户选择，目标函数包括峰值加权均方根误差、洪峰流量百分比误差和洪量百分比误差等[26]。本文采用单变量梯度参数优选法，并以峰值加权均方根误差为目标函数来进行模型参数的优化。

在验证过程中，选用洪峰流量相对误差（Dv[WTBX]）、洪量相对误差（Dp）、峰现时差（ΔT）、Nash效率系数（NSE）、相关系数（r）等5个指标进行模拟精度评价。跟据SL250-2000《水文情报预报规范》[27]，洪峰流量相对误差Dv和洪量相对误差Dp在实测值的 20%以内为合格;峰现时差ΔT的范围为 3 h，其中Dv、Dp、ΔT的绝对值越小，表明模型的模拟精准度越高;Nash效率系数NSE和相关系数r的范围是0到1，值越大，表示模拟效果越好[28]。

3结果与分析

根据上述方法构建温榆河流域HEC-HMS模型，其中场次洪水模拟采用1980-2005年间的4场暴雨洪水数据对模型的参数进行率定，2场暴雨洪水数据进行验证;日降雨径流模拟采用1983-1988年的日径流数据对模型的参数进行率定，1990-1995年的日径流数据对模型进行验证。

3.1场次洪水模拟结果分析

从模拟结果可以看出（表1），在率定期和验证期这6场洪水中，洪峰流量相对误差Dv和洪量相对误差Dp基本上都控制在20%以内，峰现时差ΔT均不超过2 h;相关系数r均大于0.85;率定期和验证期的平均Nash系数NSE为0.82。根据《水文情报预报规范》（SL 250-2000）[27]，本文构建的HEC-HMS模型次洪模拟结果比较理想。

结合实测与模拟流量过程对比图（图2）可以看出，模型对于峰高量大的单峰洪水模拟效果较好，洪号19880802、19940711和19980705这三场洪水的相关系数和Nash效率系数都在0.9左右，峰现时间上多表现为雨停峰现。洪号19860626和19940717模拟洪水过程与实测洪水过程误差较大，分析其原因可能是受实测流量精度和时间步长影响，由于实测流量数据为经过反推的入库流量，与真实值之间可能存在一定误差;且实测流量的时间步长不一致，模型中为线性插值结果，坦化了实际的流量过程线，导致局部模拟过程与实测过程相差较大。

3.2日径流过程模拟结果分析

從表2中可以看出，率定期日径流相关系数为0.74、Nash效率系数为0.55，相对误差为-5.66 %，率定期日流量模拟效果较好，总体模拟值略低于实测值;验证期日径流相关系数为0.81、Nash效率系数为0.65，相对误差为2.23 %，表明验证期总体模拟值略高于实测值，且模拟效果较优于率定期。

图3和图4分别为率定期和验证期的模拟与实测逐日流量过程线的比较，从图中可以看出，日径流模拟值与实测日流量过程线拟合程度较好，模拟效果整体令人满意。部分日流量峰值模拟偏大，可能是由于流域内水保措施的修建、人类活动频繁等多方面因素造成了径流量减少。

4结论与讨论

（1）本文利用研究区气象、水文、土壤、土地利用数据，构建了温榆河流域HEC-HMS模型。通过对模型参数的不断优化与率定，场次洪水模拟的平均Nash效率系数为0.82，平均相关系数r为0.92;日径流模拟的平均Nash效率系数为0.6，平均相关系数r为0.78。表明HEC-HMS模型能够较为准确的反映研究区的水文过程，具有较好的适用性。

（2）HEC-HMS模型对于场次洪水模拟和日降雨径流模拟都具有较好的适用性，可以用于流域洪水预报和水资源评价与管理。

（3）流域内高强度的人类活动和下垫面改变导致的产汇流变化是影响模型模拟精度的重要原因，HEC-HMS模型在城市化地区的改进是进一步研究的方向。

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