第3章 HEC-HMS组件
本章介绍了HEC-HMS模型是如何概念性地表示集水区的特性，并对HEC-HMS所使用的模型进行了定义和分类。首先对集水区径流过程进行了一般性的描述，之后介绍HEC-HMS集水区径流过程的表示方法。典型的HEC-HMS集水区径流过程包含了降水、蒸散发、地表径流和层间流、渗透、基流等自然径流过程中的主要部分。最后介绍了用HEC-HMS程序建立一个水文过程并进行模拟计算的过程。
3.1 径流过程
图3-1是集水区径流过程的一个系统流程图，该图的尺度与HEC-HMS建模的尺度相一致。这一过程从降雨开始。当前HEC-HMS仅限于分析从降雨而来的径流。以后的版本将提供融雪分析功能。在所示的这个简单的概念图中，降雨可以降落在集水区的植被、地表和水体（河流和湖泊）之上。
图3-1 以本地尺度绘制的径流过程系统流程图
在自然的水文系统中，以降雨的形式降落的水通过从植物、地表和水体的植被的蒸发和植物的散发作用又回到大气中。在暴雨事件中，这种蒸发和散发是有限的。植物上一部分的降雨从叶片或经过树干、树枝落到地面，又和直接降落在地表上的降雨汇合。在地表，水可能是小水塘，并且根据土壤类型、地表覆盖、前期的湿度和集水区其他的特性，有一部分水发生渗透。这些渗透的水暂时被存储在上层的部分饱和的土层里面。从这里，水分通过毛管作用上升至表面，或像地表下面的层间流一样水平移动，或者水分垂直地渗透到集水区下面的地下水含水层。层间流最终流动到河道。含水层中的水流动缓慢，但最终作为基流回到河道。
没有被蓄积到水塘或渗透的那部分水以表面径流的形式流入河道。河道是表面径流、直接降落在集水区中水体上的水以及层间流和基流汇合而成的。因此，所合成的河中的流量是集水区总的出流量。
3.2 HEC-HMS对径流过程的表示方法
图3-1所示系统的适当描述取决于水文工程研究所需的信息。某些分析需要计算流经系统各组成部分的水的运动和蓄积。例如，为了估算由土地利用变化引起的改变，使用长期降雨记录来构建对应的长期径流记录是合适的，这个记录可以用于统计分析。在这种情况下，应该对蒸散发、渗透、渗滤和其他的运动和积蓄进行长期的追踪。为此，需要有一个更为详细的模型。HEC-HMS包含了这样的一个模型。
图3-2 典型的HEC-HMS流域径流表示方法
另外，没有必要对于表2-1中所列的许多活动进行如此详细的计算。例如，如果研究的目的是为了确定给定风险下的暴雨造成的淹没面积，就不需要详细考虑和报告表土层中的蓄水量。相反，模型仅需要计算和报告峰值流量、水流量或集水区径流过程。与此类似的情况中，HEC-HMS中的水文过程可能会简单一些。这样，如图3-2所示，只有那些需要预测径流的组件才会被详细地表现，而其他的组件则将被省略或集总。例如，在一般的应用中，HEC-HMS省略了所有土壤中水的运动的详细计算。在这种简化的模型中，HEC-HMS包含了地表渗透的各种模型，但是它不在垂直方向模拟土层中的水的蓄积和运动。HEC-HMS含糊地将贴近地表的流动和地表径流结合在一起，并将这个流动模拟为地表径流。它不包含层间流或地下蓄水层中水流的详细模型，相反只用基流来表示这一结合后的出流。
3.3 包含在HEC-HMS程序中的模型简介
HEC-HMS使用单个的模型表达图3-2所示的径流过程的各个部分，包括：
（1）径流量计算模型。
（2）直接径流模型（地面径流和层间流）。
（3）基流模型。
（4）河道水流模型。
HEC-HMS径流量计算模型列于表3-1中。分类的定义参照表3-1。这些模型关注降落到集水区上的降雨量，在透水面上有多少渗透？透水面的径流有多少？不透水面上的径流有多少？
表3-1 径流量计算模型
表3-2 直接径流模型
径流何时发生？HEC-HMS的直接径流模型列于表3-2中。这些模型描述了当那些没有渗透或被存储在集水区表面的水流过集水区地表或地表下面时会发生什么。表3-3列出了HEC-HMS的基流模型。这些模型模拟从系统向河道缓慢释放的地下排水。
表3-3 基流模型
可选择的HEC-HMS河道水流模型列于表3-4中。这些被称为演进模型模拟的是一维明渠水流。
除了径流和河道过程的模型，HEC-HMS包含模拟像分水或水库拦水池这样的水控制结构的模型。这些模型将在第10章中介绍。
表3-4 河道水流演进模型
3.4 HEC-HMS的建立和应用
为了用HEC-HMS分析一个水文过程，程序的用户必须完成下列步骤：
（1）开始一个新的工程。
（2）创建一个仪器数据。
（3）输入集水区模型数据。
（4）输入降雨模型数据。
（5）输入控制标准。
（6）创建和执行程序的一次运行（应用）。
（7）查看计算结果。
（8）退出程序。
为了完成步骤（3），用户必须选择分析所使用的模型。这需要从表3-1中选择一个水量模型，从表3-2中选择一个直接径流模型，以及从表3-4中选择一个基流模型。为了进行演进计算，要从表3-4中选择一个演进模型。对于每一个模型，用户必须指定初始条件和模型参数。
图3-3 HEC-HMS径流模型参数输入界面案例
为了完成步骤（4），用户必须选择合适形式的降雨——即降雨径流模型的边界条件。为了做出正确选择，用户必须回答这个问题：所观察到的历史降雨是否提供了需要的信息，或者是否需要一个指定频率的降雨事件？这些替代选择将在本手册的第4章中详细介绍。
用HEC-HMS很容易进行数据输入、程序的执行和结果的可视化。用户利用图形用户界面（GUI）选择模型并指定初始条件和参数。利用这个图形用户界面，用户可以开始一个工程；在屏幕上绘制一个集水区概要图；填写指定集水区模型信息、降雨—模型信息及控制标准（图3-3）；运行模型；查看结果。《HEC-HMS用户手册》（USACE，2000）和在线帮助系统对此提供更多的细节。
参考文献
［1］ USACE (1998).HEC-HMS user's manual.Hydrologic Engineering Center，Davis，CA.
［2］ Ward R.C.(1975).Principles of hydrology.McGraw-Hill Book Company(UK)Limited，London.