HEC-HMS水文模型简介

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：美国陆军工程兵团水文工程中心的水文模式系统已被成功地用在许多地理区域并解决了一系列水文问题。HEC-HMS是一个包含一系列模拟流域、渠道和水利工程中水流运动方法的降雨径流模型。本文中使用的HMS模型的连续性模拟版本包括7个组件，这些组件描述了流域的主要水文气候过程。目前的HEC-HMS版本还未考虑积雪和融雪过程。由于这些过程是研究区重要的产洪机制，因此，另外开发了积雪模型，且与HEC-HMS相结合。调整后的降水量将作为HEC-HMS模型的输入。

在过去的10年里，一系列的降雨径流模型被用来评估全球气候变化对流域水文过程的影响（例如：Boorman & Sefton，1997；Bronstert et al.，2002；and Bronstert，2004）。美国陆军工程兵团（USACE）水文工程中心的水文模式系统（HEC-HMS）已被成功地用在许多地理区域并解决了一系列水文问题（Yu et al.，1999，2002；Moges et al.，2003；Fleming & Neary，2004；Cunderlik & Simonovic，2004）。HEC-HMS是一个包含一系列模拟流域、渠道和水利工程中水流运动方法的降雨径流模型。

本文中使用的HMS模型的连续性模拟版本包括7个组件，这些组件描述了流域的主要水文气候过程。第一个组件是气象组件，采用这个组件将降水输入值从空间（插补，外推法）和时间（插补）两个方面分配到流域中。时空降雨分布采用反距离加权法（inverse-distance interpolation method，IDM）计算。反距离加权法可计算流域中所有选定地点的雨量分布图，再以某个地点为中心，建立一个象限系统。最近的且不缺失数据的雨量站的权重为每一个象限里雨量站与特定点之间的距离平方的倒数。每个象限内的最近雨量站在每一个时间步长的确定是分别进行的。如果一个象限内最近的雨量站有缺失数据，那么次最近雨量站点会被自动采用（USACE，2000a）。

目前的HEC-HMS版本（v2.2.2）还未考虑积雪和融雪过程。由于这些过程是研究区重要的产洪机制，因此，另外开发了积雪模型，且与HEC-HMS相结合。积雪模型将时空分布降水分为液态和固态形式，并模拟固态降水的堆积和融化。积雪模型的运算法则即日度法。日度模型是常见的融雪模型，具有大气温度资料应用广泛、模型性能优良和计算简单的特点。事实上，大部分径流模型都依赖于融雪模拟的日度法（Hock，2003）。图1是积雪模型的运算过程。根据时间间隔Δt内的平均气温，该时间内的降水分为固态（降雪）或液态（降雨）形式。然后，固态降水进行雪的堆积和融化运算。在每一时间间隔Δt内，如果有融雪则加入液态降雨部分。调整后的降水量将作为HEC-HMS模型的输入。

图1　积雪模型流程图

由积雪模块调整后的降雨降落到流域的透水和不透水层。透水层的雨水损耗（截留、下渗和蒸散发）由降雨损失模块模拟。采用5层的土壤含水量计算（SMA）模型计算雨水损耗。SMA模型是建立在Leavesley等（1983）的降雨—径流模拟系统基础之上，可用于模拟长序列的干湿气候过程。SMA模型有4个不同的蓄水类型：林冠截留蓄水、地表低洼地蓄水、土壤剖面蓄水和地下蓄水（模型中包含1个或2个地下水层）。水进出蓄水层以及水在蓄水层间的运动由降雨（输入SMA系统）、蒸散发（输出）、下渗（水分从地表运动到土层）、渗流（从土层到第1层地下水）、深层渗流（从第1层地下水含水层到第2层地下水含水层）、地表径流（输出）和地下径流（输出）组成。SMA模型的详细计算流程见USACE（2000a）。不透水层的雨水在运动过程中无损耗，形成地表径流。

降雨损耗模块的输出为地表径流和含水层的地下径流。采用Clark单位过程线（Clark，1945）模拟地表径流。在Clark法中，根据时间—面积综合柱状图和汇流时间Tc转换地表漫流，用线性水库模拟径流衰减。用线性水库基流模型将地下径流转换为基流，在该模型中，地下径流通过基流线性水库系统进行计算。

地表漫流和基流都进入河道。采用改进的Puls法（USACE，2000a）模拟河道中水流的转化和衰减。该方法可以模拟回水影响（如由大坝引起），能考虑漫滩蓄水，能广泛应用于不同坡度的河道水流模拟。改进的Puls法是建立在连续方程的有限差分逼近基础上，耦合于动量方程的经验表达式。水力设施（水库、滞洪区）和自然洼地（湖、池塘、湿地）的影响可通过模型中的水库模块进行演示。通过水平池路由模型计算水库出流，该模型解决了连续性方程的一维近似回归问题。

HEC-HMS水文模型简介

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