使用HEC-HMS和IHACRES在约旦干旱区模拟单个降雨事件中的降雨径流关系外文翻译资料

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使用HEC-HMS和IHACRES在约旦干旱区模拟单个降雨事件中的降雨径流关系

Eyad Abushandi . Broder Merkel

摘要：HEC-HMS和IHACRES降雨径流模型曾应用于模拟2008年1月30-31日发生在Wadi Dhuliel干旱流域的一个降水事件。径流估算是以每小时的规模基础进行的。这项研究的目的是通过整合调整卫星获得的降雨量数据集（GSMaP_MVK ）来确定暴雨的位置，而开发干旱流域降雨径流模型的应用程序的新框架。使用ArcView3.3中的HEC-GeoHMS扩展应用于HEC-HMS模型，而IHACRES是用基于Java的版型。在HEC-HMS模型输入的数据包括土壤类型、土地利用率或土地覆盖率和坡度。相比之下，集总模型IHACRES也适用于基于每小时雨量和温度的数据。这两个模型都用在AL- Zaatari流量站收集的径流观测数据集进行校准和验证。 IHACRES的性能表现出一些弱点，而径流量校准结果之间的流量比较与在HEC-HMS观测到的径流资料很符合。两个模型的Nash-Sutcliffe效率（）分别是0.51和0.88。

关键词：HEC-HMS；IHACRES；地理信息系统；干旱地区；Wadi Dhuliel；SCS-CN方法

1 引言

对于在约旦北部的Wadi Dhuliel干旱流域水文研究有效性不足，导致缺乏水规划和水资源管理策略的不足，不仅在流域尺度也是针对整个Al-Zarqa流域。雨水管理的实施对Wadi Dhuliel来说是必不可少的，特别是增加水供应的农业和畜牧业。但是，大多数约旦现有的水质监测项目进行评价时是缺乏全面的水文资料或可访问性的。基于这一事实，在过去十年约旦科学家和政治家越来越认识到了水资源管理的重要性（Abushandi和Merkel 2011b）。

在约旦这样以农业和种植为主的国家，可用水量是经济增长最重要的控制因素（图1）。这种情况推动了约旦政府实施提供约旦淡水的新项目。所提出的死海、红海的运河项目是这些产生新项目之一，它提高死海的水平线到达它1960年的水平，并产生淡水。该通道的长度约为325公里（2007 Beyth；Hadadin等人2010）。

第二个建议项目是将约旦南部沙漠的Disi含水层地下水，通过长300公里直径2000毫米的管道方式开采输送更多的水（100times;106 m³y-1）到安曼（Abu Qdais和Batayneh 2002）。此外，政府正在努力加强利用处理过的废水而不是地下水来进行灌溉。此外，在流域尺度集水是提高农业用水有效的解决方案之一（Abdulla等人2002；Al-Adamat等2010； Alkhaddar等 2005）。

然而，在干旱地区研究水文过程的复杂性是了解降雨特征和流域性主要基础。研究界面临着一些在干旱地区应用降水径流模型的挑战。主要的挑战是缺乏监测数据（Pilgrim et等 1988），尤其是降雨在流域的空间分布，因为降雨量是任何水文模型的主要输入。这可能迫使研究者将研究的问题最小化，并且可能会增加模型的不确定性。

在水文模拟时，概念-集中降雨径流模型通常需要比分布式模型较少的输入数据。但是，分布式降雨径流模型可以提供一个更好的方法给洪水模拟过程，流域特点是雨量分布的不均匀性（Yu 和Jeng 1997）。因此，一个空间的降雨数据集是成功的分布式降雨径流模型分析所需的。目前，在空间上分布的数据集，如数字高程模型（DEM）、陆地卫星7增强型专题制图仪（ETM ）、和土壤类型允许的模型参数的区域化。此外，开放式访问来自星载微波辐射计获得的降雨量数据，增加使用以物理为基础的分布式模型。

在水文管理时使用地理信息系统（GIS）的优点已被许多研究人员明确表示（Jayakrishnan等 2005； Martin等人2005；Reinelt等人1991）。整合水文模型与GIS环境方面的努力也取得了一些成果。这些模型大多数是基于物理的分布式模型，如： HECHMS，SWAT，TOPMODEL和WEPP。这种集合允许评估和预测对于流域管理实践的影响（Arnold等，1998；Verma等2010；Wheater等，1999；张等 2008）。

在另一方面，集中的降雨径流模型需要较少的输入数据。此外，该分析在集总模型能被执行的更快。IHACRES降雨径流模型（Jakeman和Hornberger 1993）已成功应用于多个气候带（Abushandi和Merkel 2011a；Carcano等，2008；Croke等人2006；Croke和Jakeman 2008；Croke和Littlewood 2005；Dye和Croke 2003；Hope等 2008；Yuan和 Cheng 2007）。

Hydrologic Engineering Center-Hydrologic系统（HEC-HMS）是一种基于物理的分布式模型，用来模拟树枝状流域系统（Scharffenberg和Fleming 2010）的降雨径流过程。该模型是由美国陆军的工程师开发的。它已被广泛应用于潮湿的热带、亚热带和干旱流域来模拟和预测径流。对HEC-HMS以往的研究证明了它根据不同的数据集和流域类型来模拟和预测径流的能力（Anderson等2002； Bournaski等 2009；Chu和Steinman 2009； Cydzik和Hogue 2009； Knebl等 2005； Yusop等人 2007）。

更具体地，一个Al-Abed等人对Al-Zarqa流域使用月流量进行的研究（2005）表明，HEC-HMS模型给出了比其他模型更能接受的结果。相反， Abushandi和Merkel的一个研究（2011b）证明了IHACRES降雨径流模型适用于约旦的干旱地区。根据获得的结果，IHACRES模型能够在应用暴雨事件尺度模型时充分模拟干旱流域径流。在这种情况下，必须注意的是，结果的质量依赖于所选定的时间间隔。

这两个模型的检查是基于其对造成Wadi Dhuliel子流域获得的径流在2008年1月29-31日的单个暴雨事件使用时雨量、温度和径流数据的应用程序。本文的主要目的是评估HEC-HMS分布式模型是否比IHACRES集总模型好很多。

这项研究的目的是（1）证明HEC-HMS和IHACRES 降雨径流模型对Wadi Dhuliel单个暴雨事件的径流模拟能力，（2）使用了高分辨率的数据集参数化Wadi Dhuliel，包括全球卫星测绘的降水（GSMaP_MVK ）和ASTER数据，最后（3）使用HEC-HMS模型联系土地活动和水变化。

2材料和方法

2.1研究范围说明和数据分析

Wadi Dhuliel干旱流域是位于约旦东北部的Al-Zarqa流域的主要子流域（图2）。Wadi Dhuliel排水管网的总面积约2687平方公里。不同作者的面积大小可能会略有差异，基本是因为用于确定流域、划定方法并用于流域化的软件的DEM分辨率有所不同。Al-Zarqa，是一个有一百万人的城市，位于Wadi Dhuliel子流域的出口段。该地区的气候干燥，每年平均降雨量为123毫米。

2.2土地利用和土壤类型

生态基础设施，如植被类型、土壤特性、植物和结算密度影响渗透特性和存储系数和径流特性。从增强的陆地卫星专题制图仪（ETM ）导出图像，Wadi Dhuliel区域的土地利用类型分为六类（图3）。 ERDAS IMAGINE（V8.4）是一个通过基于地面调查和土地覆盖图的试验区的最大似然分类方法而用于土地利用监督的分类（表1）。上游的地表覆盖主要是一个贡献了周围流域总面积36.2％的种植面积。裸土和乡村是下游地区的主要地表覆盖。

大多数研究区域内的土壤类型被分类为旱境土和包含大量石灰、低石膏还有在亚土材料源里的玄武岩（Al-Qudah 2001）。土壤物理性质及其与土壤水分的关系对水的流势有具有重要意义。空间土壤物理性质的数据（如沙、淤泥和粘土的百分比）是从土壤和地形数据库中获得，区域项目（SOTER）是由粮农组织和国际土壤参考和信息中心（ISRIC）开发（图4）。土壤结痂发生的最多是由于这种类型土壤的淤泥含量高。

主要的雨季是十月到三月期间，而干燥的月份是四月到九月期间。先进星载热辐射和反射辐射仪图像（ASTER）生成的地形数据，显示出该区域的特征是平缓起伏与平均斜率在5〜30％的西南方460米海拔变化至北方1400米海拔（图5）。该流域被认为是约旦的干旱地区农业的主要来源、地下水灌溉的主要来源。Wadi Dhuliel的灌溉农业征用了现有的地下水资源，并强烈扭曲了这种干旱流域的水文特征。

2.3 HEC-HMS模型说明

HEC-HMS可以用于模拟一个流域或多个水文流域相连的系统。HEC-HMS应用的第一步是确定流域区域和子流域、河流网络以及导流和合流点。就像其他基于物理的水文模型一样，HEC-HMS模拟水文过程的最关键在于流域尺度。HEC-HMS模型需要不同的数据集，包括数字高程模型（DEM）、气象数据、土壤类型和土地利用。从ASTER获得30米分辨率（图5）地表高程的详细地图。HEC-HMS所有组件的全面描述可以在用户手册（Scharffenberg和Fleming 2010）中找到。

地理空间水文建模扩展（HEC-GeoHMS），与ArcHydro在ArcView中的扩展一起被用来利用ASTER数据描绘物理性质，并产生一个河流网络。 HEC-GeoHMS这样一个HEC-HMS使用的气象模型，也被用来创建子流域边界形式的输入文件等。图6显示HEC-GeoHMS的输出流域被分为9个子流域。子流域水特征总结在表2中。

HEC-HMS包括三个主要组成部分：流域模型、气象模型和控制标准。该流域模型存储的描述流域特性的物理数据集和气象模型包括降水量、蒸发量和融雪数据。六个不同的历史的和合成降水法，包括二种蒸散方法，和一种融雪方法。一个模拟的时间跨度是由包括一个开始日期和时间，结束日期和时间以及时间预算步的规范控制来控制。

然而，径流模拟需要仔细识别每个模型。已在这项研究中所使用的是水土保持局（SCS）的计算径流体积量的曲线数（CN）损失率模型方法。SCS-CN方法确定大多数的径流产生的流域特征，如土壤类型、土地利用、水文条件和前期水分条件（Mishra 和Singh 2004），用下面的公式：

（1）

其中为时间的累积雨量剩余，是时间的累积雨量深度，是初始损失，是潜在的最大的保留量。

SCS开发和之间的换算关系，，其中，然后1式可以重新写成：

（2）

其中，参数与曲线数的换算

（3）

包括降水转化为地表径流的直接流量模型是由SCS Unit Hydrograph完成的。由于该区域不具有基流，所以不使用基流模块。变换方法需要输入一个滞后时间判定。SCS开发一个浓度时间（）和滞后时间（）之间的关系。浓度时间可以根据子流域特性，包括地形和的河道（Kirpich式）的长度来估计。

（4）

（5）

其中为以英尺单位的河段长度，是坡度的百分率。

2.4 IHACRES模型说明

IHACRES是Identification of unit Hydrograph And Component flows from Rainfall, Evaporation and Streamflow的缩写。 IHACRES（Jakeman和Hornberger 1993； Jakeman等 1990）是一种混合概念-计量模型，是利用计量模型的简单性来减少参数不确定性的固有水文模型（Croke和Jakeman 2004）。 IHACRES的主要目标是使用尽可能少的参数来描述流域尺度水文特性，通常大约只有6个。IHACRES只需要每单位时间的三个数据集（降雨量、温度和径流）。

被重新设计过的经典IHACRES版本（Croke等人2006； Jakeman和Hornberger 1993）已被用于本研究。 IHACRES的原始结构包括非线性和线性模块。非线性损失模块通过同时考虑渗透速率和蒸散率将降雨（）转换为有效降雨（）。为了获得有效的降雨、流域湿度指数或前期降水指数，来表示流域饱和度要计算每个时间步。一般， IHACRES里的非线性损耗模块包括三个参数：是调整参数，是一个温度调制参数，（常数）是没有降雨的流域湿度下降速度。

初始阶段是确定干燥速率，和每个时间步中的流域湿度指数，由下式给出：

（6）

其中，是在每个时间步中的干燥速度，（常数）是不存在降水的流域湿度下降率，是在时间步和中的温度的温度调制参数，这决定随温度如何变化。

流域湿度指数的计算为近期降雨和温度记录基础上的每个时间步。损失模块用于判定前期的天气条件对土壤水分、植被的条件和蒸散作用的当前状态（）的影响。

（7）

其中为调整参数，控制由降雨事件引起的的增加量（Post和Jakeman

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