第7章 HEC-HMS的基流模型
本章介绍了HEC-HMS包含的三种基流模型：常数月变化值、指数衰退模型和线型水库蓄水量计算模型。河流水文过程线可分为直接的快速的降雨径流和基流。基流是持续不断的或无降雨时的径流，由暂时存储在集水区中的前面降雨的径流和被延迟的当前降雨的表面径流组成。某些集水区过程的概念模型明确地考虑了这一蓄水量和地下水的运动。但是对于表2-1所列的活动而言并不需要考虑基流。本章先介绍了这三种基流模型的基本概念和在HEC-HMS中的应用，之后介绍了这三种HEC-HMS基流模型参数估算方法。
7.1 基本概念和HEC-HMS应用
7.1.1 常数月变化基流
这是HEC-HMS中最简单的基流模型。模型将基流描述为恒定流，基流每月发生一次变化。这一用户指定的流量在每一个模拟的时间步长被添加到从降水计算出的地表径流上。
7.1.2 指数衰退模型
HEC-HMS包含了一个表示集水区基流的指数衰减模型（Chow，Maidment，and Mays，1988）。这个衰减模型常被用于解释集水区蓄水量的自然排水（Linsley et al.，1982）。该模型用初始值将时间t时的基流Qt定义为：
式中：Q0为初始基流（时间等于0时）；k为指数衰减常数。
图7-1表示了用此方法计算出的基流。图7-1中阴影的区域表示基流，基流从流量的初始值开始以指数方式衰减。总的流量等于基流与地表地表径流之和。
在HEC-HMS中使用时，k被定义为时间t时的基流与前一天基流的比值。开始时的基流值Q0是该模型的初始条件。它可以被指定为流量［单位为m3/s（立方米/秒）或cfs（立方英尺/秒）］，或者也可以被指定为单位面积的流量［m3/s/km2（立方米/秒/平方公里）］或cfs/mile2（立方英尺/秒/平方英里）。
在HEC-HMS中，该基流模型可以用于暴雨事件模拟计算开始之时和降水事件中被延迟的地表径流到达集水区河道之后，如图7-2所示。图7-2中，直接径流的峰值后，用户指定的一个阈值流量定义了方程（7-1）的衰减模型定义的总流量。该阈值流量与峰值流量的比率可以指定为0.1，如果计算峰值流量为1000m3/s，那么阈值流量就等于100m3/s。相应的总流量用方程（7-1）计算， Q0为该指定的阈值流量。
图7-1 初始基流的衰减
图7-2 基流模型示意图
在阈值流量处，用初始基流的衰减定义基流。此后，基流不是直接计算出来的，而是被定义为逐渐衰减的总水流减去直接径流。当直接径流最终变为零时（所有的降雨都流过集水区），总的水流就等于基流了。
图7-3 具有多个洪峰的径流与退水过程
阈值流量出现之后，河流的水文过程线纵坐标可以单独用该衰减模型定义，除非地表径流加初始基流衰减贡献量超过该阈值。这种情况可能发生在后续的降雨使水文过程线产生了第二次的上升，如图7-3所示。
此时，用地表径流加初始衰减计算得到第二次涨水线，如图7-3所示。
7.1.3 线性水库模型
线性水库基流模型是与第5章中介绍土壤湿度计算模型一起使用的。该基流模型将地下水流的存储和运动模拟为水库之间的水的运动。这些水库是线性的：模拟中各时间步长的出流是时间步长内平均蓄水量的函数，这与第6章中介绍的克拉克单位线模型的方式相同。
来自SMA的地下水层1的出流是线性水库的入流，SMA的地下水层2的出流是另一个水库的入流。这两个线性水库的出流的和用于计算集水区总的基流。
7.2 HEC-HMS的基流模型参数估算
7.2.1 常数月变化基流
该模型的参数是每月的基流量。根据经验可以用河流在无暴雨时的流量观测值很好地估算这些基流量。如果缺少观测数据，现场勘查可以帮助建立平均流量。对于大的有地下水补给的集水区以及有一整年的观测数据的集水区，基流的贡献明显，不应该忽略基流的贡献。
7.2.2 指数衰减模型
该模型的参数包括初始流量、衰减系数和阈值流量。如所指出的那样，初始流量是边界条件。在假设暴雨的径流分析中，应该选择暴雨径流开始时可能的平均流量为初始流量。在频率降水事件的分析中，初始流量应该是河道的年平均流量。现场调查可能有助于确定这个流量。如常数月变化基流那样，对于美国西部和西南部的多数的城市河道和小的溪流，初始流量可能是零，因为基流的贡献可以被忽略。
衰减系数k取决于基流的来源。如果k=1.00，基流的贡献就是常量，所有的Qt=Q0。否则，为了模拟自然状态下尚未开发的集水区的基流，指数衰减代表值k必须小于1.00。表7-1给出了Pilgrim和Cordery （1992）建议的美国、澳大利亚东部和其他一些区域面积在300～16000km2 （120～6500 平方英里）之间的流域k的代表值。大的流域可取范围的上限值，而小的流域应取下限值。
表7-1 典型的退水常数取值
如果可以得到流量数据，就可以估算衰减常数。画出地表径流开始前的流量，计算相隔一天的纵坐标的比率。如果流量使用对数的坐标轴，这一计算可以被简化，因为画出的衰减模型是一条直接。
该阈值也可以从观测流量与时间的图中估算。由一条线近似的退水线位置处的流量定义了这个阈值。
7.2.3 线性水库模型
线性水库模型用于土壤湿度计算模型。这一模型可以用与该模型相一致的校验方法很好地校验。
参考文献
［1］ Chow，V.T.，Maidment，D.R.，and Mays，L.W.(1988).Applied hydrology.McGraw-Hill，New York，NY.
［2］ Linsley，R.K.，Kohler，M.A.，and Paulhus，J.L.H.(1982).Hydrology for engineers.McGraw-Hill，New York，NY.
［3］ Pilgrim，D.H，and Cordery，I.(1992).“Flood runoff.”D.R.Maidment，ed.，Handbook of hydrology，McGraw-Hill，New York，NY.