基于HEC-HMS和双超模型的小流域洪水预报研究与应用

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随着近年来气候变化及人类活动的不断加剧，我国山洪灾害发生的频次日益增多，特别是在一些小流域，由于小流域洪水具有骤起急落、突发性强、汇流时间短等特点，所以极易溃堤酿成难以及时避防的洪灾，因此，小流域洪水预报研究对于山洪灾害防治意义重大。而流域水文模型的出现为揭示水文过程的基本规律提供了契机，国内外学者研发了大量水文模型用于洪水预报，但由于传统的黑箱模型及概念性模型结构较为简单且多数忽略了模型参数和变量中的空间变异性，不能很好的反映暴雨洪水形成过程中的产汇流特性，导致模型应用范围较小且模拟精度偏低。而基于高精度DEM的分布式水文模型考虑了流域下垫面和降雨空间分布的不均匀性等要素对流域产汇流特性的影响，因此可对广大地区发生的洪水进行更为精确的模拟预报，其中HEC-HMS半分布式水文模型和双超分布式水文模型就是这种模型的典型代表。本文以山西省典型小流域—北张店小流域为研究区，通过对研究区DEM数据、土地利用和土壤类型等空间分布数据的处理，提取研究区的数字流域信息，并在此基础上分别建立以HEC-HMS模型和双超模型为载体的洪水预报模型，同时选取北张店小流域长系列资料中（1964-2013）代表性比较好的20场次洪水分别对两个模型进行参数率定与验证，分别得到两个模型的场次洪水模拟精度及适用性，最后将两个模型的模拟结果汇总做进一步对比评价及原因分析。主要研究内容和取得成果如下：（1）北张店小流域数字流域的构建。借助 ArcGIS 平台对研究区的数字高程模型（DEM）依次进行地形预处理、确定水流方向、计算汇流累积量、提取河网、子流域划分等工作，最后成功的将北张店小流域划分为 13 个子流域。在此基础上，继续对土地利用和土壤类型数据进行处理并运用泰森多边型法计算出每个雨量站的面积权重，建立土地利用和土壤属性等空间分布数据库，完成数字流域的构建。（2）HEC-HMS 洪水预报模型的建立与应用。在分析 HEC-HMS 模型产汇流机制的基础上，依次选用模型内的SCS曲线法(SCS-CN法)、SCS单位线、指数衰退法、马斯京根法，完成小流域的产流、坡面汇流、基流及河道汇流的计算，并结合构建的数字流域，建立HEC-HMS模型洪水预报模型。运用LH-OAT法对模型参数进行敏感性分析，敏感性分析结果表明：CN 值是模型内最敏感的参数且与洪峰流量、洪水总量呈正相关关系，其次敏感的参数是流域滞时Lag time和槽蓄曲线坡度K且两者均与洪峰流量、洪水总量及峰现时间呈负相关关系。根据敏感性分析结果，优化模型参数并从研究区的长系列资料中（1964-2013）选取代表性比较好的20场次洪水来对HEC-HMS模型进行参数率定与验证，其中12场用于模型参数率定，8场用于模型模拟验证，模拟结果表明：HEC-HMS模型在率定期和验证期均取得了良好的模拟效果，模型模拟精度达到了乙级。（3）双超模型洪水预报模型的建立与应用。在分析双超模型产流机制的基础上，根据提取的数字流域信息及建构的土地利用和土壤属性等空间分布数据库，建立双超模型洪水预报模型，其中汇流模型采用纳什瞬时单位线法，河道洪水演算采用水文学模型SWAI1。同时运用LH-OAT法对模型参数进行敏感性分析，敏感性分析结果表明：土壤最大吸渗率Sr、土壤饱和导水率KS、流域归一化曲线指数b三个参数均为双超模型中的敏感性参数，且参数Sr、KS均与洪峰流量、洪水总量呈负相关关系；参数b与洪峰流量、洪水总量呈正相关关系。根据参数敏感性分析结果，从北张店小流域长系列水文资料（1964-2013）中选取与HEC-HMS模型相同的20场次洪水对双超模型进行参数率定与验证，其中12场用于模型参数率定，8场用于模型模拟验证，模拟结果表明：双超模型在率定期和验证期均取得了良好的模拟效果，模型模拟精度也达到了乙级。（4）HEC-HMS模型和双超模型模拟结果对比分析。根据《水文情报预报规范》（GB/T 22482-2008）中洪水量级划分标准将所选的20 场次洪水划分为大、中、小三种类型。一方面从整体上分析两个模型的模拟结果，率定期 12 场洪水模拟过程中，HEC-HMS 模型和双超模型均合格9场，合格率均为75%，合格率达到了乙级精度；验证期8场次洪水模拟过程中，HEC-HMS模型和双超模型均合格6场，合格率均为75%，合格率也达到了乙级精度。模拟结果表明：HEC-HMS模型和双超模型的模拟精度整体上均达到了乙级标准，均在北张店小流域取得了良好的适用性。另一方面从不同类型洪水角度分析两个模型率定期和验证期的场次洪水模拟结果，分析结果表明：两个模型对于不同类型洪水的模拟精度及适用性具有较为明显的差异性，其中HEC-HMS模型对大型洪水的模拟精度较差，但对小型洪水的模拟精度则较双超模型高，而双超模型对大、中型洪水的模拟精度整体较HEC-HMS模型高。

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作者
李昂;
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作者单位

太原理工大学;

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授予单位太原理工大学;
学科水利工程
授予学位硕士
导师姓名武鹏林;
年度 2018
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类
关键词
HEC-HMS; 模型; 小流域; 洪水预报;

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