利用GIS和HEC-HMS模型对干旱环境中的降雨-径流及洪水进行建模：以埃及西萨法加市萨法加河谷盆地为例

《Journal of African Earth Sciences》：Modeling of Rainfall-Runoff and Flooding Using HEC-HMS Model through GIS in an arid environment: a case study in the Safaga Valley Basin, West Safaga City, Egypt

可靠降雨径流预报对降低洪水风险至关重要，本研究基于物理参数构建未校准的HEC-HMS模型，结合GIS技术对埃及萨法加河谷盆地进行水文模拟。结果显示百年一遇峰值流量达698.4 m3/s，其中子流域7最大达137.5 m3/s，总径流体积12288.5千m3。通过暴雨频率曲线（IDF）和SCS单位线法，识别出子流域2、3、4、6存在高至极高洪水风险，建议作为重点防洪区域。

　　本研究旨在探讨埃及萨法加谷盆地的降雨径流模拟及其洪水风险评估。在当今水资源日益紧张的背景下，精准预测降雨径流对于减少洪水灾害、制定有效的防洪措施具有重要意义。尤其在干旱和半干旱地区，由于缺乏足够的径流观测数据，使得水资源管理面临巨大挑战。因此，本研究采用了基于已知物理参数的非校准模型，以弥补数据的不足。通过这种模型，我们能够在没有现场观测数据的情况下，对不同重现期的降雨深度进行统计估算，并据此构建降雨强度-持续时间-频率曲线（IDF曲线），从而更准确地预测洪水的发生可能性和影响程度。

在具体实施过程中，研究团队使用了HEC-HMS模型，这是一种广泛应用于水文模拟的工具，能够模拟降雨与径流之间的时空关系。此外，研究还结合了SCS曲线数法和SCS单位水文图法，这两种方法被用来模拟流域内的水文过程，特别是在缺乏详细观测数据的情况下，它们为径流计算提供了可靠的替代方案。通过将这些方法应用于萨法加谷盆地的子流域，研究能够估算出不同重现期下的峰值径流和总径流量，为防洪规划和基础设施设计提供科学依据。

为了确保研究结果的准确性，研究团队还进行了实地考察，对萨法加谷盆地的水文特征和地形条件进行了详细分析。这种实地调查有助于验证模型的适用性，并确保所获得的数据能够真实反映研究区域的水文响应。通过这些综合手段，研究不仅提供了对降雨径流过程的深入理解，还揭示了该地区在不同重现期下可能面临的洪水风险。研究结果显示，萨法加谷盆地在100年重现期下，总峰值径流量达到了698.4立方米/秒，其中第七子流域的峰值径流量最高，达到了137.5立方米/秒。同时，该子流域的总径流量也最大，为3050.2千立方米。

在洪水风险评估方面，研究团队识别出了五个可能的灾害等级：极低、低、中等、高和极高。其中，第二、第三、第四和第六子流域被评估为具有较高的洪水风险，这些区域的水文动态灾害等级被划分为高和极高。这一发现表明，这些子流域在极端降雨事件中可能遭受更大的损失，因此需要特别关注和采取有效的防洪措施。近年来，萨法加谷盆地经历了多次严重的山洪灾害，这些灾害不仅对基础设施造成了破坏，还对当地居民的生活和生命安全构成了威胁。例如，在1994年9月至11月以及1997年5月，红海省发生了严重的山洪，导致萨法加至库赛尔之间的道路受损，并造成了200多人的死亡。此外，在2020年9月，由于强降雨，红海沿岸地区也发生了洪水，影响了包括萨法加-苏哈格公路在内的多条重要交通线路。

水资源的稀缺性是全球性问题，特别是在干旱和半干旱地区，这种问题更为严重。随着全球气候变化的加剧，温度上升导致降雨模式变得更加复杂，降雨的频率和强度也受到影响，从而进一步加剧了洪水风险。因此，对于这些地区而言，建立准确的水文模型不仅有助于理解水文过程，还能为水资源管理和防洪规划提供支持。本研究强调了使用HEC-HMS模型在类似流域中的有效性，并指出其在模拟降雨径流事件、生成洪水水文图以及预测峰值径流方面的潜力。通过这种模型，可以更有效地评估不同子流域的洪水风险，并据此制定相应的防洪策略。

研究还指出，随着遥感技术和地理信息系统（GIS）的发展，这些技术在水文研究中的应用为数据的获取和模型的构建提供了新的可能性。遥感数据能够提供高分辨率的地形信息，而GIS则有助于整合和分析这些数据，从而提高模型的精度和可靠性。这种技术的结合使得在缺乏现场观测数据的情况下，也能对流域的水文响应进行较为准确的模拟。此外，研究还提到，由于气候数据和模拟方法的选择对模型结果的影响很大，因此在进行水文模拟时，必须确保所使用的数据和方法具有足够的代表性和适用性。

在水文模型的选择方面，研究指出，不同的模型适用于不同的研究目的和流域特征。例如，集总模型适用于仅关注流域出口的径流预测，而分布式模型则能够提供更详细的流域内部信息，但需要大量的空间数据支持。相比之下，半分布式模型在参数空间变化和数据需求之间取得了一种平衡，使其成为许多研究中常用的工具。HEC-HMS模型作为一种半分布式模型，其结构基于物理原理，同时又能够减少对大量数据的依赖，因此在本研究中被选用。通过这种方法，研究团队能够在没有详细观测数据的情况下，对萨法加谷盆地的水文过程进行模拟，并为防洪措施提供科学依据。

研究结果表明，萨法加谷盆地的水文过程在不同重现期下表现出显著的差异。在25年、50年和100年重现期下，各子流域的峰值径流和总径流量均有所增加，其中第七子流域的峰值径流和总径流量分别为137.5立方米/秒和3050.2千立方米，显示出该区域在极端降雨事件中可能面临更大的洪水风险。这些数据不仅有助于评估洪水的潜在影响，还能为水资源的可持续管理提供指导。此外，研究还强调了土地利用变化对洪水风险的影响，特别是在城市化进程加快的背景下，快速且无计划的城市扩张以及未经规划的建筑活动可能会加剧洪水的形成和破坏力。

在洪水风险评估的基础上，研究团队提出了未来防洪策略的重点方向。这些区域应作为优先考虑的对象，以实施更有效的防洪措施。例如，可以加强排水系统的建设，提高地表径流的处理能力；同时，通过合理的土地利用规划，减少洪水对人类活动的潜在威胁。此外，还可以利用先进的水文模型和遥感技术，对流域的水文响应进行实时监测和预测，从而提高防洪预警系统的准确性。

研究还提到，水文模型的精度受到多种因素的影响，包括气候数据的质量和模拟方法的选择。因此，在进行水文模拟时，必须确保所使用的数据和方法能够准确反映研究区域的实际情况。例如，降雨数据的准确性直接影响到模型的预测结果，而不同的模拟方法可能会导致不同的水文响应。因此，选择合适的模型和方法对于提高模拟结果的可靠性至关重要。

在水资源管理方面，水文模型的应用不仅限于洪水预测，还能够为其他方面的决策提供支持。例如，水文模型可以用于评估水库的排水能力，预测河流的恢复情况，以及制定可持续的水资源利用策略。这些应用表明，水文模型在水资源管理中的作用越来越重要。特别是在水资源稀缺的地区，水文模型能够帮助决策者更好地理解水文过程，并据此制定合理的水资源管理计划。

此外，研究还指出，随着气候变化的加剧，水资源的可用性和分布模式可能会发生显著变化。这种变化不仅影响到水资源的供需平衡，还可能增加洪水和干旱等极端水文事件的发生频率。因此，水文模型的持续改进和应用对于适应这些变化至关重要。通过模拟不同气候情景下的水文响应，可以为未来的水资源管理提供更多的预测信息和决策支持。

综上所述，本研究通过使用HEC-HMS模型和SCS单位水文图法，对萨法加谷盆地的降雨径流过程进行了模拟，并评估了不同子流域的洪水风险。研究结果表明，该模型在缺乏观测数据的情况下仍然能够提供有价值的预测信息，并有助于制定有效的防洪措施。此外，研究还强调了技术进步在水文研究中的重要作用，特别是在数据获取和模型构建方面。通过这些方法，可以更好地理解和管理水资源，从而减少洪水对人类社会和生态环境的潜在威胁。