HEC-HMS应用.doc

HEC-HMS模型在流域内降雨径流的应用研究

1.模型简介
HEC-HMS（The Hydrologic Engineering Center's-Hydrologic Modeling System），美国陆军工程兵团水文工程中心开发的流域性洪水模拟系统，是一个具有物理概念的半分布式次降雨径流模型。根据降雨径流的形成过程，将其划分为净雨过程、直接径流过程、基流和河道汇流4个计算部分，主要用于树状流域径流过程的模拟。
2.建模思路
根据DEM，将流域划分为若干子流域，计算每一子流域产流量，经坡面汇流和河道汇流，最后演算至流域出口断面。
HEC-HMS对洪水模拟主要包括2部分：
（1）子流域产流、坡面汇流
该部分控制每个子流域内净雨的生成及汇到各子流域出口断面的流量过程。
（2）河道汇流
该部分决定水流从河网向流域出口的运动过程，将各子流域洪水过程入河道入口，经汇流演算至流域出口。此外，还考虑到在实际流域中起调蓄作用的水库、小水源、洼地以及起分流作用的水利工程等对洪水汇流过程的影响根据不同的入流和出流情况模拟出流过程。
3.模型界面
HEC-HMS模型界面有流域管理器（Watershed Explorer）、工作桌面（Desktop）、组件编辑器（Component Editor）及事件日志（Message Log）四部分。

图1 HEC-HMS模型界面
3.1流域管理器
流域管理器主要包括：流域模型（Basin Models）、 气象模型（Meteorologic Models）和 控制设置（Control Specifications）3部分。其中：
（1）流域模型是实际物理系统的概化模型，主要功能是划分子流域、确定每个子流域汇流方向等；流域模型可由本软件创建，也可外部导入，比如WMS/HEC-GEOHMS/PrePro等。
（2）气象模型的功能是根据相关雨量站的坐标及雨量、蒸散发等实测资料，建立雨量站同各子流域的关系；
（3）控制设置的主要功能是确定洪水起止时间及计算步长等。
3.2组件编辑器
主要用于模型各组分计算方法的选定及参数的设置。
3.3工作桌面
创建或导入概化的流域模型，模型各单元元素信息查看。
3.4事件日志
依时间顺序记录操作步骤及运行成败信息的提示。
4.案例简述
利用已有流域地图在模型内创建流域概化模型，进行相关参数设置并计算运行，对计算结果进行分析。
4.1强降雨时间序列创建
Components→Time-Series Gage→Precipitation Gages，输入降雨起止时间、时间步长及各时段降雨量，输入数据见图2。
本案例忽略流量、蒸发及风速等相关要素，其创建方法同降雨时间序列。
4.2流域模型创建
创建步骤：
（1） Components→Basin Model Manager 新建流域
（2） View →Background Maps 导入地图
（3） 流域单元元素设置及连接
单元元素含义：
子流域（Subbasin）：在子流域内通过去除降雨损失、计算直接径流及增添基流得出降雨及出流。
河流（Reach）：用于输送水流至下游。有一个或多个上游元素。
蓄水池（Reservior）：小型水库、洼地、水池等
连接节点（Junction）：连接上游单元元素，出流为上游来水总和。
分水节点（Diversion）：从河流中分出一部分水体至流域外
源（Source）：有出流，无入流。
汇（Sink）：有入流，无出流。
本案例流域模型设置单元元素有：4个子流域、3个连接节点及2个河流。
HEC-HMS 4个计算模块（净雨过程、直接径流过程、基流和河道汇流）中的前三个3个模块均在子流域（Subbasin）中进行设置并计算。

图2 流域模型创建
（4）子流域（Subbasin）净雨过程设置
净雨过程包含灌层截留（Canopy）、洼地储存（Surface）及损失（Loss）三部分。
Canopy、Surface默认状态下为“None”，不设置；可根据实际情况自行设置。
损失计算模型有初损后损模型、缺水模型、SCS CN模型及SMA等。其中，初损后损模型所需参数较少，易于建立和应用，是应用较多的成熟模型。

图3 净雨过程设置
（5）子流域（Subbasin）直接径流过程设置
HEC-HMS提供了2种径流过程模拟方法：一种为经验模型，即传统的单位线模型；另一种为概念性模型，即运动波模型。
参数单位线模型将单位线扩展到无资料地区为本案例所选模型 。

图4 直接径流过程设置
Standard Lag为降水质心与洪峰时差；Peaking Coeffient为洪峰系数。
（6）子流域（Subbasin）基流过程设置
HEC-HMS提供的基流计算方法有常数月变化模型、指数消退模型及线性水库模型等，其中指数消退模型较为常用。指数消退模型反应的是任意时刻基流量与初始基流量的关系。

图5 基流过程设置
（7）河道（Reach）洪水演算
HEC-HMS包含的洪水演算模型有滞后模型、马斯京根模型、运动波模型等。其中，马斯京根法因运算简便且可用于无资料地区，最常用。马斯京根模型是通过联接水量平衡方程和马斯京根槽蓄曲线方程，得出马斯京根流量演算方程。主要参数有河段传播时间、流量因素。

图6 洪水演算设置
（8）连接节点（Junction）设置
连接节点不设任何参数。
4.3气象模型创建
创建步骤：
（1）Components→ Meteorologic Model Manager→选择降雨资料方法；
（2）Precipitation Gages 添加雨量站；
（3）子流域气象站点选择及权重设置。
对于较大流域，气象水文站点有时不止一处，需将各站点数据按权重计入。

图7 气象模型设置
4.3控制设置创建
（1）Components→ Control Specifications→选择降雨资料方法；
（2）确定洪水起止时间及计算步长等。
4.4计算运行
（1）Compute→ Create Compute → Simulation Run
（2）Compute→ Compute Run。
4.5结果查看
（1）全局概述（Global Summary）

图8 全局数据信息
（2）子流域（Subbasin）
输出结果包括：降雨信息（降雨量、降雨损失量及降雨余量时间序列）及径流信息（直接径流量、基流量及总径流量时间序列）。

图9 子流域降雨及径流信息
（3）河道（Reach）
输出结果包括：出入流时间序列等。

图10 河道出入流信息
（4）连接节点（Junction）
输出结果信息基本同河道。
4.6城市化影响比拟
（1）参数设置
考虑到流域未来城市化发展将会带来怎样的影响，气象模型及控制设置保持不变，流域模型参数重新调整设置。
复制流域模型Castro1为Castro2，改变子流域2（Subbasin2）的不透水率（由8%增至17%）及洪现历时（由0.28HR降至0.19HR）。
（2）计算运行
根据Castro 2重新计算运行。
（3）结果分析
Subbasin 2流线上有元素：Subbasin 2 → West → Outlet，分别对其Castro1（Current）和Castro2（Futrue）洪峰流量进行对比。

Subbasin 2
West
Outlet
Current（m³/s）
32.5
49.0
90.8
Futrue（m³/s）
37.4
54.1
96.2
Increase（%）
15.1
10.4
5.9
表1 洪峰流量对比
可见，随着流域下垫面不透水率的增加，水体下渗减少，洪峰流量随之增加，且洪峰出现时刻提前。