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HEC-GeoHMS和HEC-HMS降雨-径流模型在洪水模拟中的应用
Salwa Ramly and Wardah Tahir
摘要：洪水建模和模拟有助于灾害预测，从而做好更好的防洪准备，减少洪灾损失。该研究模拟了马来西亚首都附近洪水多发地区巴生安邦河流域上游的洪水发生情况。在ArcGIS 10.2环境中使用地形预处理工具处理该区域的数字高程模型（DEM），以描绘流域、子流域和流网络。通过HEC-GeoHMS对输入的地形预处理结果进行处理，提取出该流域的水文参数。这些水文参数用于HEC-HMS模型中进行径流流量估算。该研究以0.86的纳什效率系数表示了合理的准确度，对该子流域进行了说明性的综合表述。
关键词：降雨径流模型；HEC-GeoHMS；HEC-HMS
1 引言
洪水是由多种因素引起的自然现象。洪水也因受影响地区的大小、洪水持续时间和洪水深度而有所不同。通常干旱地区被水淹没时就会发生洪水。其中可能引起洪水的因素有：降雨过强和时间过长、城市化、河流侵蚀、砍伐森林和排水系统不畅。因此，洪水事件的分析对于了解流域对强降雨的响应和土地利用变化具有重要意义。目前，随着地理信息系统（GIS）的发展，利用降雨-径流模型对洪水的分析得到了提高，取得了更好的模拟结果。
GIS在降雨-径流模型中的应用被广泛用于基于数字高程数据的流域特征估计。数字高程模型（DEM）是具有3D视图的数字模型，它表示着地表集水区或地区的地形。DEM采用栅格格式，栅格数据的每个像素值表示该点的高程。生成DEM数据的技术有很多，取决于研究所需的分辨率。在将数字地形模型（DTM）转换为DEM之前，遥感是数据收集的最常用技术。然而，DEM也可以通过土地测量技术或使用GIS程序的地形图生成。最常见的GIS程序是ESRI的ArcGIS。ArcGIS可以将地形图中的地形线的矢量数据转换为栅格格式文件并生成DEM。该DEM可以用来确定流线和排水网络等流域特征，划分流域及子流域[1]。这些信息可以作为降雨-径流建模的水文参数。DEM也被广泛用于洪水和排水建模，土地利用研究及其他应用[2-4]。
降雨-径流模型描述了流域降雨量和径流量之间的关系。该模型将估算河道或河流系统的地表径流，作为对目标流域降雨输入数据的响应。目前有许多可用的降雨-径流模型软件程序，并且各有其优点和缺点。HEC水文建模系统（HEC-HMS）是广泛使用的降雨径流模型软件程序之一。
HEC-HMS数学模型被设计用于模拟树枝状流域完整的水文过程[5]。该模型将模拟自然或受控流域中的降雨-径流和路由过程。它将预测向流域输入降雨的流量，阶段和时间。该程序的水文图对水资源研究很有用，例如洪水预报，水资源可用性，城市排水设计或水库设计。HEC-HMS与GIS结合，可以根据河流系统中水流增量分析流域土地利用变化的影响。
HEC-HMS在降雨-径流模型中的应用已用于研究的各种目的。使用HEC-HMS进行研究的一个重要目的就是洪水预报。[6]通过使用雷达，GIS和HEC-HMS/HRAS对美国圣安东尼奥河流域进行了区域尺度洪水建模研究。研究发现，该模型有能力在大流域的区域尺度上进行水文学研究。Oleyiblo的另一项研究[7]利用HEC-HMS在中国的密赛和万安流域进行了洪水预报研究。从研究结果可以看出，该模型能够准确预测洪峰流量，并得出HEC-HMS模型适用于所研究流域的洪水预报。除洪水预报外，HEC-HMS也适用于土地利用变化分析。Ali等人进行了一项研究[8]利用HEC-HMS和GIS数据，研究巴基斯坦伊斯兰堡徕渠流域地表径流中土地利用变化的影响。该模型的模拟显示了土地利用对未来发展的影响，并建议该流域的未来规划应考虑到水资源管理和规划。作为降雨-径流模型的一个程序，许多研究人员使用HEC-HMS用于流量分析。其他研究[9-13]根据他们的研究目的，使用HEC-HMS进行不同方法的流量分析。
这项工作的主要目的是利用HEC-HMS程序开发降雨-径流模型框架，并利用HEC-GeoHMS中的GIS输入提取巴生安邦河流域上游的水文参数。
2 背景
2.1研究地点和数据
巴生河流域是位于马来西亚首都和最大城市吉隆坡的一个重要流域。该流域位于东经101°30至101°55和北纬3至3°30之间。巴生河流域人口高度密集，拥有170万人口。巴生河流域的主要河流有双溪巴生河，双溪安邦河和鹅麦河。该研究的兴趣领域是巴生河流域上游，由双溪巴生和双溪安邦组成。该研究区域总面积为159.7平方公里。流域上游的海拔高度为1430米，市中心附近的河流下游为低洼地区。巴生河流域上游部分年均降雨量为2600毫米。图1是显示出了巴生安邦流域上游的吉隆坡地形图。
图1 研究区域：巴生安邦河流域上游
巴生河上游有一座大坝，距巴生安邦河汇合处约10公里。这座大坝位于森林中，是其分水岭。中心有溢洪道的混凝土拱坝用于供水，也用于巴生河谷的洪水减灾。大坝的下游地区正在迅速发展，用于住宅和商业用途。选择巴生安邦流域上游是因为它容易发生洪水，低洼地区的大部分流域已经与住宅和商业性能一起发展良好。
土地利用，土壤，降雨和径流量数据均从灌溉和排水部门（DID）获得。为了使用HEC-GeoHMS，需要DEM来划分流域。这些DEM数据来源于马来西亚测量与图测局（JUPEM）使用ArcGIS程序生成的20米等高线地图。
2.2 HEC-GeoHMS
HEC-GeoHMS是美国陆军工程兵水文工程中心（HEC）开发的ArcGIS（ESRI）的扩展。这是一个地理空间水文工具包，它允许用户根据地形数据创建流域参数，以便使用水文模型[14]。GIS和HEC-HMS的概述如图2所示。通过HEC-GeoHMS从DEM数据中导出流域的河网。它也可以划定流域和子流域。HEC-GeoHMS通过分析数字地形数据和将排水路径及流域边界转变为表示排水网络的水文数据结构，创建排水网络。
图2 GIS和水文程序的概述
2.3 HEC-HMS
HEC水文模拟系统（HEC-HMS）是一个水文模型，用于模拟树枝状流域系统的水文过程[15]。这个数学模型将模拟自然或受控流域的降水-径流和路径过程。HEC-GeoHMS的空间数据可以导入HEC-HMS，该模型将根据给定的气象数据集和土地利用信息预测流域的流量，阶段和时间。HEC-HMS使用各种水文分析程序进行水文分析的连续或事件分析。HEC-HMS模型有三个主要组成部分：流域模型，气象模型和控制标准。流域模型由流域和子流域的元素，连通性和径流参数组成。气象模型包含降雨和蒸发数据，而控制标准则包括开始/停止时间和运行计算间隔。
3 方法
GIS在降雨-径流模型中的使用是有用的，因为它有助于流域模型的发展。将HEC-GeoHMS与ArcGIS软件集成。它使用ArcGIS和空间分析扩展来开发作为HEC-HMS输入数据的水文参数。空间分析扩展将根据DEM和流数据处理地形。这个过程被称为地形预处理，在这个过程中创建流网络和流域。
3.1 地形预处理
流域和河流网络的划定可以使用地形预处理工具来完成。它是ArcGIS应用程序中众多有用的工具之一。地形预处理有10个步骤，如图2所示，产生排水或河流网络以及流域和子流域边界。地形预处理结果由栅格和矢量数据组成。这些数据将成为HEC-GeoHMS项目设置的输入。地形预处理也可以使用Arc-Hydro工具完成。参考[14]给出了地形预处理步骤的详细描述，以创建流网络和流域划分（图3）。
图3 地形预处理的步骤
3.2 HEC-GeoHMS
HEC-GeoHMS根据地形预处理来计算数据集以生成水文参数。可以计算的水文参数是河流长度，河流坡度，流域质心，最长流径和质心流径。HEC-GeoHMS计算流域的水文参数有三个主要步骤（图4）。
HEC-GeoHMS项目设置中使用了来自地形预处理的栅格和矢量格式的结果或数据集。栅格数据为原始DEM，填充DEM，流向栅格，流量累积栅格，流网络，流连接栅格，流域栅格和坡度栅格，而矢量数据为流域，流域界限和伴生流域。一旦定义了HEC-GeoHMS项目，就会创建一个新的数据框架，并提取所有地形预处理数据导入到一个新项目中。
新项目建成后，流域处理菜单被用于修改或定制子流域的描绘，划分子流域和合并流。目标研究区域的出口点被定义为位于盆地的批次点。然后，程序根据定义的出口点定义并生成一个新的流域。
使用提供的工具提取流域特征。物理特征是提取的河流长度，河流坡度，流域坡度，最长流径，流域质心，质心高程和质心流径。这些子流域和河流的物理特征被用于估算流域的水文参数。
图4 HEC-GeoHMS的步骤
3.3 HEC-HMS
HEC-HMS旨在模拟流域完整的水文过程。为了模拟水文过程，该程序需要流域水文参数数据作为输入数据。来自HEC-GeoHMS的水文参数在这个程序中是必不可少的。
HEC-HMS使用HEC-GeoHMS的水文参数来开发降雨-径流模型。要使用这个程序建立水文模型，需要创建三个主要组件/模型：流域模型，气象模型和控制标准。将源自HEC-GeoHMS的子流域和流数据作为背景图导入流域模型。
在流域模型中，流域的元素如次流域，河段，交汇点和水库被创建。该模型有三个子流域，流域模型示意图如图5所示。选择SCS曲线数作为损失方法，SCS单位过程线为变换方法。
SCS曲线数（CN）估算净雨作为累积降水，土壤覆盖，土地利用和前期水分的函数。净雨可以通过方程式（1）来计算。
（1）
Pe时间t时累积净雨；
P时间t时累积降雨深度；
Ia初始吸收（初始损失）；
S潜在最大滞留率。
潜在最大滞留率S是流域吸收和存储暴雨降水能力的量度。在累积降雨超过初始吸收之前，不会有净雨。
根据参考文献[5]，土壤保护局推导出了Ia和S的关系，如方程（2）：
（2）
图5 巴生安邦河流域上游HEC-HMS模型图
在时间t时的累积净雨可以用公式（3）计算：
（3）
在一段时间间隔内，累积净水在这个时期的结束和开始之间的差额称为剩余增量。最大滞留率S和流域特征通过中间参数曲线数（CN）相联系。S和CN之间的关系如方程（4）所示：
（4）
CN值范围为100-30，其中水体的值为100，渗透率高的渗透性土壤的值为30。CV值可根据附录A： [5]中的CN表来估算，这是从SCS报告的小流域城市水文中选取的。
使用观测的降雨和流量数据创建了气象模型。在代表每个子流域的三个降水站以及一个位于巴生河和安邦河汇流处的流量计站观测到的历史数据被用于模型校准和检验。基于可用观测数据的时间间隔，使用五分钟时间步长进行模拟。在时间序列数据管理器组件中添加观测到的降雨和流量数据作为降水量计和流量量计。气象模型设定为指定的雨量计方法。控制标准用于设置模拟的时间步长，数据和时间的开始和结束。在运行该程序之前，将流域模型，气象模型和控制标准组合在一起。
4 结果与讨论
4.1 地形预处理和HEC-GeoHMS
通过在ArcGIS程序中使用地形预处理工具描绘巴生安邦河的上游流域。地形预处理中每个步骤的结果如图6所示。在HEC-GeoHMS中使用地形预处理的输出数据进行项目设置。根据HEC-GeoHMS结果，提取子流域区域，数据显示在表1中。这些数据被用来建立HEC-HMS中的降雨-径流模型。
4.2 HEC-HMS的降雨-径流模型
本研究将HEC-GeoHMS中产生的子流域合并为3个子流域：UK1，UK2和安邦。这种组合的目的是为了简化开始分析巴生安邦河汇流处的流量时的降雨-径流模型的设置。
在巴生安邦河汇流处对选定的2011年5月3日的事件进行了流量分析。模型经过了巴生安邦流域上游汇流处观测到的流量数据的校准和检验。图7显示了2011年5月3日的事件的模拟运行的结果。将模拟得到的流量308.7m3/s与观测得到的流量298.8m3/s进行比较。该模拟的纳什效率系数为0.86，平均绝对误差为17.9m3/s，均方根误差为25.3m3/s。模拟和观测的流量之间的百分比误差为3.2％。该结果表明该模型能够很好地模拟基于事件的降雨-径流分析研究。但是，对该模型还应进行其他事件的进一步校准和验证。
图6 地形预处理每个步骤的结果
表1 流域参数
|
子流域区域 |
Km2 |
|
UK1 |
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