MIKE耦合模型模擬淤地壩對小流域暴雨洪水過程的影響

袁水龍，李占斌,2，李 鵬，高海東，王 丹，張澤宇

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MIKE耦合模型模擬淤地壩對小流域暴雨洪水過程的影響

袁水龍1，李占斌1,2※，李 鵬1，高海東1，王 丹1，張澤宇1

（1. 西安理工大學 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，西安 710048；2. 中國科學院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100）

為科學認識淤地壩建設(shè)對黃土高原小流域暴雨洪水過程的影響，該文通過分布式水文模型MIKE SHE和一維水動力模型MIKE 11耦合模擬了不同壩型組合和壩系級聯(lián)方式下的小流域暴雨洪水過程，研究表明：1）淤地壩系建成后會使小流域洪水的洪峰和洪水總量明顯減少，其中骨干壩減幅最小，中型壩次之，小型壩減幅最大；串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種壩系級聯(lián)方式均使洪峰流量和洪水總量明顯減小，其中混聯(lián)壩系減幅最大，并聯(lián)壩系次之，串聯(lián)壩系最小。2）淤地壩建設(shè)改變了洪水歷時，其中骨干壩和中型壩增加了洪水歷時，而小型壩縮短洪水歷時。3）溝道連通性指數(shù)與洪峰流量、洪水總量均有很好的相關(guān)關(guān)系，淤地壩建設(shè)明顯降低了溝道連通性，通過改變溝道連通性調(diào)控了小流域的暴雨洪水過程?？蔀辄S土高原淤地壩安全運行提供科學依據(jù)。

暴雨；洪水控制；淤地壩； MIKE模型；黃土高原

0 引 言

淤地壩作為控制溝道侵蝕、攔泥淤地、減少洪水和泥沙災害的溝道治理工程措施，在中國黃土高原地區(qū)大量建設(shè)。國內(nèi)外學者關(guān)于淤地壩建設(shè)對徑流過程的影響進行了較多研究，研究地區(qū)主要集中在黃土高原河口-龍門鎮(zhèn)區(qū)間以及涇河、渭河、北洛河、汾河等黃河泥沙主要來源區(qū)[1-5]。研究表明：淤地壩建設(shè)明顯削弱了徑流洪峰，減小了洪水總量，對徑流過程具有顯著的調(diào)節(jié)作用[6-9]。目前的研究主要集中在淤地壩建設(shè)對流域年徑流過程的影響，而對次暴雨洪水過程的影響研究鮮有報道，研究手段以實測對比為主，缺乏定量模擬。2009年水利部淤地壩安全大檢查統(tǒng)計結(jié)果表明，截止2008年底，黃土高原地區(qū)共建成淤地壩9.1萬座[10]。根據(jù)水利部《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》，到2020年黃土高原地區(qū)將建成淤地壩16萬座。由于早期修建的淤地壩設(shè)計標準低，施工質(zhì)量較差，加之經(jīng)過幾十年的運行之后已逐漸淤滿，喪失滯洪攔沙能力，在暴雨洪水的襲擊下，潰壩情況時有發(fā)生。如2012年陜北地區(qū)遭遇特大暴雨，榆林綏德縣韭園溝流域內(nèi)45座淤地壩中有24座受到不同程度水毀[11]。如此數(shù)量巨大的淤地壩建設(shè)導致淤地壩防汛形勢異常嚴峻，如有不慎，將會影響淤地壩的安全運行和效益發(fā)揮。本文通過分布式水文模型MIKE SHE和一維水動力模型MIKE 11耦合，建立了王茂溝流域暴雨洪水模型，并利用實測的降雨徑流數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證。通過模擬不同結(jié)構(gòu)淤地壩和壩系布局對小流域暴雨洪水過程的影響，揭示淤地壩建設(shè)對小流域暴雨洪水過程的調(diào)控機理，能夠為優(yōu)化黃土高原小流域淤地壩系布局、黃土高原淤地壩建設(shè)和安全運行提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

王茂溝流域地處陜西省榆林市綏德縣境內(nèi)，位于東經(jīng)110°20′26″～110°22′46″，北緯37°34′13″～37°36′03″，屬于無定河流域韭園溝中游左岸的一條支溝。流域面積5.97 km2，主溝道長度3.80 km，流域海拔940～1 188 m，溝床平均比降2.70%，溝壑密度4.30 km/km2。氣候為溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，溫差較大。根據(jù)綏德水土保持試驗站多年實測資料統(tǒng)計，王茂溝流域多年平均氣溫8 ℃，最高溫度39 ℃，最低溫度?27 ℃，多年平均無霜期175 d左右，水面年蒸發(fā)量為1 519 mm，最大1 600 mm，干旱冰雹等自然災害頻發(fā)。多年平均降水量475.10 mm，年最大降水量735.30 mm（1964年），最小年降水量232 mm（1956年），年降水量極值比為3.17；年際變化大且年內(nèi)分布不均，每年7～9月降雨量占全年降水量65%左右。王茂溝流域從20世紀50年代開展水土保持工作，截至2016年底，王茂溝正常運行的淤地壩共有17座，其中骨干壩2座，中型壩6座，小型壩9座（圖1）。

圖1 王茂溝流域淤地壩布置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

徑流泥沙數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)均來源于黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局。綏德站在王茂溝流域設(shè)有氣象站和把口站，把口站監(jiān)測了王茂溝流域1962～1966年的徑流泥沙數(shù)據(jù)，主要包括水位、流量、含沙量和輸沙量。地形數(shù)據(jù)來源于國家測繪局，大地基準為1980西安坐標系，等高距為5 m，紙質(zhì)地圖掃描后經(jīng)空間配準、拼接、手動跟蹤數(shù)字化生成shape文件，然后使用Hutchinson法生成分辨率為5 m的DEM。流域土地利用由Quick Bird影像目視解譯而來，影像分辨率為0.61 m，UTM投影，云量覆蓋為0，并通過綏德站60年代土地利用資料進行調(diào)整，基本符合當時的土地利用情況。溝道斷面數(shù)據(jù)利用ArcGIS10.1中的3D Analyst工具從5 m分辨率DEM提取，并結(jié)合實地測量對提取的斷面數(shù)據(jù)進行修正。淤地壩的幾何特征數(shù)據(jù)來源于實地測量，主要包括壩長、壩高、壩寬及泄水建筑物的幾何尺寸。

1.3 溝道連通性指標

連通性是評價河流生態(tài)系統(tǒng)的重要指標，水利工程設(shè)施對河流縱向連續(xù)性具有較大影響[12-15]，通常采用縱向連續(xù)性指標對河網(wǎng)連通性進行評估。縱向連續(xù)性指標能夠在一定程度上反映壩、閘等障礙物對河道過流能力、生物遷移、能量傳遞過程的影響[16-18]?？v向連續(xù)性指標計算見公式（1）：

式中為縱向連續(xù)性指標；為水系長度，m；為水利工程等障礙物的數(shù)量。

淤地壩建設(shè)對溝道縱向連續(xù)性產(chǎn)生了重大影響，而且淤地壩系布局不同，對溝道連續(xù)性的影響也不同。參考河流連續(xù)性指標計算公式（式1），本文提出了溝道連通度指標計算公式：

式中為溝道連通性指數(shù)；為水系長度，m；S為第條支溝長度，m；n為第條支溝上淤地壩的數(shù)量；的取值范圍為0~1，值越接近于1，溝道的連通性越好。

1.4 模型構(gòu)建

由于本文研究的重點為溝道的水動力過程，因此MIKE SHE模型只調(diào)用了坡面流模塊。首先在MIKE SHE模型中定義流域的范圍，研究區(qū)面積5.97 km2，以20 m′20 m的網(wǎng)格對流域進行空間離散，共計29 700個網(wǎng)格。地形文件通過ArcGIS10.1將柵格大小為5 m分辨率的DEM處理生成shape點文件，將處理好的矢量格式數(shù)字高程數(shù)據(jù)文件直接導入模型，并采用三角形內(nèi)插法進行插值，依據(jù)單元格大小設(shè)置搜索半徑為20 m。在次暴雨洪水過程中，流域的蒸散發(fā)量很小，因此忽略不計。利用MIKE軟件自帶工具將降水數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為dfs0文件并導入模型?？紤]模型的網(wǎng)格相對較大，同時根據(jù)研究區(qū)的地貌特點，將土地利用類型重新劃分為耕地、草地、林地、園地、居民用地和交通用地6類。坡面流模塊主要包含3個參數(shù)：曼寧系數(shù)（manning number）、滯蓄洪量（detention storage）和地表初始水深（initial water depth）。模型采用在降水數(shù)據(jù)中減去土壤入滲量作為模型的降水輸入。下滲量取值主要參考土壤類型估計（經(jīng)驗取值2～20 mm/h），并考慮植被影響[19]。

通過MIKE SHE模擬坡面產(chǎn)匯流，MIKE 11模擬溝道匯流過程。利用ArcGIS10.1軟件從柵格大小為5 m分辨率的DEM提取流域的河網(wǎng)矢量文件（*.shp），將河網(wǎng)矢量文件導入MIKE 11模型，模型將自動生成河網(wǎng)，并根據(jù)實際情況手動修改河道里程。研究區(qū)共定義6條河道，通過河網(wǎng)文件中的水工建筑物來表達溝道中的淤地壩。將建好的MIKE 11模型和MIKE SHE耦合，建立王茂溝流域暴雨洪水模型。

1.5 模型率定與驗證

采用試錯法對王茂溝流域暴雨洪水模型進行率定。選擇流域出口實測的徑流過程作為率定參量，選取觀測年限內(nèi)（1961－1964年）2場典型暴雨洪水過程對模型進行率定，選取觀測年限內(nèi)其他2場次暴雨洪水資料對模型進行驗證。理論上分布式流域水文模型可以通過實驗測定獲得參數(shù)，但由于觀測尺度和模擬尺度的差異以及試驗測定的誤差等原因使得模型模擬時的單元格參數(shù)仍然需要率定[20-21]。同時分布式水文模型在參數(shù)率定時應盡可能選取較少的參數(shù)，過多的參數(shù)不一定提高模型的精度，而且會使參數(shù)率定過程變得極為復雜[22-24]。因此本文選取較少的參數(shù)采用人工試錯法對模型參數(shù)進行率定，需要率定的參數(shù)有：滯蓄洪量、曼寧系數(shù)、滲漏系數(shù)、各地類土壤入滲率。以決定系數(shù)2（式3）、Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NSE（式4）判斷模型模擬效果[25-27]。

1.6 模型效果評價

黃土高原小流域降水的主要特點表現(xiàn)為歷時短、雨強大，本研究選取的4場降雨是王茂溝小流域1962－1966年期間出現(xiàn)頻率很高的雨型，具有較好的代表性。將率定期和驗證期的實測洪水過程和模擬值進行對比驗證（圖2）。

圖2 王茂溝流域暴雨洪水模型率定和驗證結(jié)果

結(jié)果表明，率定期和驗證期模擬徑流和觀測徑流過程的吻合程度很高，模型很好地模擬了洪水過程的動態(tài)變化，可以用來工況分析。模型率定期的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（NSE）均高于0.8，決定系數(shù)分別為0.90、0.88，洪峰流量的相對誤差僅為1.72%、3.33%。驗證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.60、0.71，決定系數(shù)均為0.72，洪峰流量相對誤差分別為11.05%、12.05%（表1）。對模型結(jié)構(gòu)的簡化是造成模型誤差的原因之一[28]，模型在驗證期的精度低于率定期，可能是由于模型僅調(diào)用MIKE SHE坡面流模塊和MIKE 11進行耦合，對降雨的入滲過程進行概化造成的。

1.7 工況設(shè)計

淤地壩分為骨干壩、中型壩和小型壩3類，其中骨干壩由三大件構(gòu)成，包括：壩體、溢洪道、放水建筑物；中型壩由兩大件構(gòu)成，包括：壩體、放水建筑物；小型壩由一大件構(gòu)成，只包括壩體。為了探究淤地壩系建設(shè)對黃土高原小流域暴雨洪水過程的影響，本文對淤地壩不同壩型組合以及不同級聯(lián)方式下小流域暴雨洪水過程進行了模擬。為了說明不同類型淤地壩及其不同組合對小流域洪水過程作用的大小，設(shè)計了8種不同壩型組合工況（表2）；不同壩系級聯(lián)方式工況設(shè)計時，選擇了同一集水區(qū)域，保證了進入?yún)^(qū)域水量相同的條件下，壩系級聯(lián)方式對洪水過程的影響，不同級聯(lián)方式設(shè)計了4種工況（表3）。圖3為4種不同級聯(lián)方式下的淤地壩系布置圖。

表2 不同壩型組合的工況設(shè)計

表3 不同壩系級聯(lián)方式工況設(shè)計

圖3 不同級聯(lián)方式壩系布置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 壩型組合對小流域暴雨洪水過程的影響

溝道建壩之前，小流域的洪水過程陡漲陡落；建壩之后洪水過程明顯變緩，尤其是退水段更為明顯，退水時間延長。對比流域未建壩、只建骨干壩、只建中型壩和只建小型壩的洪水過程線可以看出，骨干壩、中型壩和小型壩的建設(shè)均使小流域暴雨洪水的洪峰流量、洪水總量明顯減少。流域建設(shè)不同壩型組合工況下，小流域洪水過程明顯改變，但是不同的壩型對洪水的調(diào)節(jié)效果不同，不同壩型組合對洪水的調(diào)控作用也不同（圖4）。

注：W表示未建壩；G表示只建骨干壩；Z表示只建中型壩；X表示只建小型壩；GZ表示建設(shè)骨干壩和中型壩；GX表示建設(shè)骨干壩和小型壩；ZX表示建設(shè)中型壩和小型壩；GZX表示建設(shè)骨干壩、中型壩和小型壩，下同。

為了定量說明不同壩型組合對小流域暴雨洪水過程的影響，表4對不同工況下的洪水特征參數(shù)進行了統(tǒng)計。由表4可得：流域不建壩（W）、只建骨干壩（G）、只建中型壩（Z）、只建小型壩（X）的洪峰流量分別為1.26、0.92、0.84、0.76 m3/s，3種壩型的修建分別使洪峰流量減少27.28%、33.39%、40.13%，其中小型壩的修建使洪峰削減最大；工況GZ、GX、ZX和工況GZX分別使洪峰減小38.07%、59.71%、60.75%、65.34%，不同的壩型組合對流域洪水的洪峰調(diào)節(jié)作用不同，流域壩系（GZX）建成后削峰作用最強。淤地壩建設(shè)不僅削減了流域洪水的洪峰流量，而且明顯減小了洪水總量。流域不建壩時，洪水總量為4 853.93 m3，溝道中基本不蓄水，這是由于溝道建壩之前，溝道比降較大，除了局部低洼處的積水，洪水基本可以快速流出流域。當流域只建骨干壩時，淤地壩會攔蓄洪水105.63 m3，出溝洪水總量減小2.18%；只建中型壩時，攔蓄洪水1 314.50 m3，減小出溝洪水27.08%；只建小型壩時，會攔蓄洪水2 178.79 m3，減小出溝洪水44.89%，說明在溝道中修建小型壩能夠攔蓄大部分洪水，出溝洪水最少。這是由于小型壩基本為沒有放水建筑物的“悶葫蘆”壩，對上游來水全攔全蓄，而且流域中小型壩數(shù)量最多，因此小型壩修建使出溝洪水的減幅最大。工況GZ、GX、ZX和工況GZX分別使小流域洪水總量分別減小27.37%、45.15%、58.42%、58.67%，其中當壩系（GZX）建成后洪水總量減幅最大。對比流域洪水歷時可以看出，工況G、工況Z和工況GZ均為骨干壩和中型壩組合，增加了流域洪水歷時；工況X、工況GX、工況ZX和工況GZX均建有小型壩，減小了流域洪水歷時，說明淤地壩建設(shè)改變了小流域的洪水歷時，其中骨干壩和中型壩增加了洪水歷時，小型壩縮短了洪水歷時。

表4 不同工況條件下洪水特征參數(shù)統(tǒng)計

2.2 壩系級聯(lián)方式對小流域暴雨洪水過程的影響

為了對比不同壩系級聯(lián)方式對小流域暴雨洪水過程的影響，選擇同一集水區(qū)域，設(shè)置未建壩、串聯(lián)壩系、并聯(lián)壩系、混聯(lián)壩系4種工況進行工況模擬，3種壩系級聯(lián)方式均使洪水過程明顯坦化，洪峰、洪量急劇減小，其中混聯(lián)壩系減幅最大，并聯(lián)壩系次之，串聯(lián)壩系最?。▓D5）。

注：W表示未建壩；CL表示串聯(lián)壩系；BL并聯(lián)壩系；HL混聯(lián)壩系。下同。

為了定量分析壩系級聯(lián)方式對小流域洪水過程的影響，統(tǒng)計了4種工況下的小流域暴雨洪水特征值（表5）。由表5可得：未建壩（W）、串聯(lián)（CL）、并聯(lián)（BL）、混聯(lián)（HL）四種工況下的洪峰流量分別為0.73、0.26、0.18、0.12 m3/s，串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)壩系分別使洪峰減小64.30%、75.38%、83.31%，其中混聯(lián)壩系的減幅最大。不同壩系級聯(lián)方式不但減小了小流域暴雨洪水的洪峰，而且大幅減小了洪水總量。串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)壩系分別使洪水總量減小37.52%、50.88%、52.68%，與對洪峰的調(diào)控作用類似，仍然是混聯(lián)方式的減小幅度最大、并聯(lián)次之、串聯(lián)最小。對比壩系級聯(lián)方式對洪峰出現(xiàn)時間的影響，可以得出并聯(lián)壩系并未改變洪峰出現(xiàn)的時間，串聯(lián)壩系和混聯(lián)壩系使洪峰出現(xiàn)時間滯后。

表5 不同工況條件下洪水特征參數(shù)統(tǒng)計

3 討 論

淤地壩通過攔蓄洪水，顯著改變了流域次暴雨洪水過程。前人大多采用對比流域法研究淤地壩建設(shè)對小流域次洪過程的影響，有學者研究表明，建壩流域相比未建壩流域，洪峰流量、徑流系數(shù)明顯減小，洪水滯時顯著增加[29-30]。這些方法只能整體上研究已建成壩系對次洪過程的影響，而不能區(qū)分不同類型淤地壩或者不同壩系布局在這種影響中占多大的比例。本文通過模擬不同壩型組合和壩系布局下小流域暴雨洪水過程，識別了不同壩型及不同壩系級聯(lián)方式在調(diào)節(jié)洪水過程中發(fā)揮的作用。上文分析得出，小流域壩系中骨干壩、中型壩和小型壩的建設(shè)分別使洪峰減小27.28%、33.39%、40.13%，洪量減少2.18%、27.08%、44.89%，小型壩建設(shè)對洪水過程影響最大，中型壩次之，骨干壩最小。主要是由這3種壩型的結(jié)構(gòu)特點決定的，小型壩沒有放水建筑物，對區(qū)間及上游來水幾乎是全攔全蓄，只要不發(fā)生潰壩洪水基本不會出溝，因此洪峰和洪量的減幅最大；中型壩一般設(shè)有臥管或豎井等放水建筑物，洪水會通過放水建筑排出；骨干壩不但設(shè)有放水建筑物而且設(shè)有溢洪道，當洪水到達時會及時通過放水建筑物和溢洪道排出，因此洪峰和洪量的減幅最小，但是骨干壩作為流域壩系中的控制性工程，對中型和小型壩起到保護作用。為了進一步分析，壩系布局分析壩系布局對暴雨洪水過程的作用機理，通過式2計算了8種不同壩型組合下溝道的連通性指數(shù)（表6），淤地壩建設(shè)明顯降低了溝道的連通性，壩系建成后會使溝道連通性降低79.0%。圖6和圖7分別建立了溝道連通性指數(shù)與洪峰流量、洪水總量的相關(guān)關(guān)系。由圖可以看出，溝道連通性指數(shù)與洪峰流量的相關(guān)系數(shù)高達0.97，與洪水總量的相關(guān)系數(shù)為0.89。溝道連通性指數(shù)與洪峰流量和洪水總量均有很好的相關(guān)關(guān)系，說明壩系布局通過改變溝道連通度調(diào)節(jié)流域的暴雨洪水過程。

表6 不同工況下溝道連通性指數(shù)

圖6 溝道連通度與洪峰流量的關(guān)系

圖7 溝道連通度與洪水總量的關(guān)系

4 結(jié) 論

1）通過MIKE SHE和MIKE 11耦合建立的王茂溝流域暴雨洪水模型，率定期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)高于0.8，決定系數(shù)2高于0.85；驗證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)高于0.6，決定系數(shù)R高于0.7，說明模型可以用來模擬黃土高原小流域次暴雨洪水過程，并且具有較好的精度。

2）淤地壩建設(shè)會明顯削減洪峰，減小洪水總量，坦化洪水過程。小流域壩系建成后會使洪峰減小65.34%，洪水總量減少58.67%；單獨建設(shè)骨干壩、中型壩和小型壩分別使洪峰減小27.28%、33.39%、40.13%，洪量減少2.18%、27.08%、44.89%，其中小型壩的削峰滯洪作用最強；淤地壩建設(shè)改變了小流域的洪水歷時，其中骨干壩和中型壩增加了洪水歷時，小型壩縮短了洪水歷時。

3）串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種壩系級聯(lián)方式均會使流域暴雨洪水過程坦化，洪峰、洪量減小，其中混聯(lián)方式減幅最大，并聯(lián)次之，串聯(lián)最??；3種壩系級聯(lián)方式會使洪峰分別減小64.30%、75.38%、83.31%，洪水總量減少37.52%、50.88%、52.68%；并聯(lián)壩系不會改變洪峰出現(xiàn)時間，串聯(lián)和混聯(lián)壩系使洪峰出現(xiàn)時間滯后。

4）淤地壩建設(shè)明顯降低了溝道連通性，壩系建成后會使溝道的連通性降低79.0%。溝道連通性指數(shù)與洪峰流量、洪水總量均有很好的相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.97和0.89，淤地壩系通過改變溝道連通性調(diào)節(jié)了小流域的暴雨洪水過程。

[1] 姚文藝，徐建華，冉大川，等. 黃河流域水沙變化情勢分析與評價[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2011.

[2] 冉大川，左仲國，上官周平. 黃河中游多沙粗沙區(qū)淤地壩攔減粗泥沙分析[J]. 水利學報，2006，37(4)：443－450.

Ran Dachuan, Zuo Zhongguo, Shangguan Zhouping. Effect of check dam on retaining and reducing coarse grain sediment in middle Reaches of Yellow River[J]. Journal Of Hydraulic Engineering, 2006, 37(4): 443－450. (in Chinese with English abstract)

[3] Tian A P, Zhao G, Mu X, et al. Check dam identification using multisource data and their effects on streamflow and sediment load in a Chinese Loess Plateau catchment[J]. Journal of Applied Remote Sensing, 2013, 7(1): 63－72.

[4] Huang J, Qiang F, Osamu H, et al. Numerical analysis of water budget process of check dam system in small basin on Loess Plateau[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(7): 51－57.

[5] Li E, Mu X, Zhao G, et al. Effects of check dams on runoff and sediment load in a semi-arid river basin of the Yellow River[J]. Stochastic Environmental Research & Risk Assessment, 2016: 1－13. doi: 10.1007/s00477-016-1333-4.

[6] 冉大川，李占斌，張志萍，等. 大理河流域水土保持措施減沙效益與影響因素關(guān)系分析[J]. 中國水土保持科學，2010，8(4)：1－6.

Ran Dachuan, Li Zhanbin, Zhang Zhiping, et al. Analysis of the sediment reduction benefits of soil and water conservation measures and its influencing factors in Dali River Basin[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2010, 8(4): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[7] 許炯心. 無定河流域的人工沉積匯及其對泥沙輸移比的影響[J]. 地理研究，2010，29(3)：397－407.

Xu Jiongxin. Effect of artificial sediment sinks on sediment delivery ratio: An example from the Wudinghe River, China[J]. Geographical Research. 2010, 29(3): 397－407. (in Chinese with English abstract)

[8] Hashemi A, Ghazariyan S. The effect of sedimentation in rock check dam reservoirs on the peak of flood in small watersheds[J]. European Journal of Nuclear Medicine & Molecular Imaging, 2014, 39: S386－S387.

[9] Yazdi J. Check dam layout optimization on the stream network for flood mitigation: Surrogate modelling with uncertainty handling[J]. Hydrological Sciences Journal, 2017, 62(10). Doi.org/10.10801026226667.2017.1346376

[10] 黃河上中游管理局. 黃河流域水土保持概論[M]. 鄭州：黃河水利出版社，2011.

[11] 高海東，賈蓮蓮，龐國偉，等. 淤地壩“淤滿”后的水沙效應及防控對策[J]. 中國水土保持科學，2017，15(2)：140－145.

Gao Haidong, Jia Lianlian, Pang Guowei, et al. Runoff-sediment effect of “fully filled” check dam and related prevention and control measures[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(2): 140－145. (in Chinese with English abstract)

[12] Barth F, Fawell J. The water framework directive and european water policy[J]. Ecotoxicology & Environmental Safety, 2001, 50(2): 103－105.

[13] Nicoll T, Brierley G. Within-catchment variability in landscape connectivity measures in the Garang catchment, upper Yellow River[J]. Geomorphology, 2016, 277: 197－209.

[14] Shaw E A, Lange E, Shucksmith J D, et al. Importance of partial barriers and temporal variation in flow when modelling connectivity in fragmented river systems[J]. Ecological Engineering, 2016, 91: 515－528.

[15] Karim F, Petheram C, Marvanek S, et al. Impact of climate change on floodplain inundation and hydrological connectivity between wetlands and rivers in a tropical river catchment[J]. Hydrological Processes, 2016, 30(10): 1574－1593.

[16] 張晶，董哲仁，孫東亞，等. 基于主導生態(tài)功能分區(qū)的河流健康評價全指標體系[J]. 水利學報，2010，41(8)：883－892.

Zhang Jing, Dong Zheren, Sun Dongya, et al. Complete river health assessment index system based on eco-regional method according to dominant ecological functions[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 41(8): 883－892. (in Chinese with English abstract)

[17] 丁越巋，張洪，單保慶. 海河流域河流空間分布特征及演變趨勢[J]. 環(huán)境科學學報，2016，36(1)：47－54.

Ding Yuekui, Zhang Hong, Shan Baoqing. The spatial distribution and evolution trend of rivers in Hai River Basin[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(1): 47－54. (in Chinese with English abstract)

[18] 陳婷. 平原河網(wǎng)地區(qū)城市河流生境評價研究[D]. 上海：華東師范大學，2007.

Chen Ting. Studies on Habitat Assessment of Urban River in Chinese Plain Water Network Region-A Case Study in Shanghai[D]. Shanghai: East China Normal University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[19] Van C S, Siegrist R L. Virus removal within a soil infiltration zone as affected by effluent composition, application rate, and soil type[J]. Water Research, 2007, 41(3): 699－709.

[20] Madsen H. Parameter estimation in distributed hydrological catchment modelling using automatic calibration with multiple objectives[J]. Advances in Water Resources, 2003, 26(2): 205－216.

[21] Mcmichael C E, Hope A S, Loaiciga H A. Distributed hydrological modelling in California semi-arid shrublands: MIKE SHE model calibration and uncertainty estimation[J]. Journal of Hydrology, 2006, 317(3): 307－324.

[22] Cibin R, Sudheer K P, Chaubey I. Sensitivity and identifiability of stream flow generation parameters of the SWAT model[J]. Hydrological Processes, 2010, 24(9): 1133－1148.

[23] Singh S, Bárdossy A. Hydrological model calibration by sequential replacement of weak parameter sets using depth function[J]. Hydrology, 2015, 2(2): 69－92.

[24] 王中根，夏軍，劉昌明，等. 分布式水文模型的參數(shù)率定及敏感性分析探討[J]. 自然資源學報，2007，22(4)：649－655.

Wang Zhonggen, Xia Jun, Liu Changming, et al. Comments on sensitivity analysis, calibration of distributed hydrological model[J]. Journal of Natural Resource, 2007, 22(4): 649－655. (in Chinese with English abstract)

[25] Henriksen H J, Troldborg L, Nyegaard P, et al. Methodology for construction, calibration and validation of a national hydrological model for Denmark[J]. Journal of Hydrology, 2003, 280(1/2/3/4): 52－71.

[26] Xingguomo, Florianpappenberger, Keithbeven, et al. Parameter conditioning and prediction uncertainties of the LISFLOOD-WB distributed hydrological model[J]. International Association of Scientific Hydrology Bulletin, 2006, 51(1): 45－65.

[27] Xevi E, Christiaens K, Espino A, et al. Calibration, validation and sensitivity analysis of the MIKE-SHE model using the neuenkirchen catchment as case study[J]. Water Resources Management, 1997, 11(3): 219－242.

[28] Butts M B, Payne J T, Kristensen M, et al. An evaluation of the impact of model structure on hydrological modelling uncertainty for streamflow simulation[J]. Journal of Hydrology, 2004, 298(1/2/3/4): 242－266.

[29] 高海東，賈蓮蓮，李占斌，等. 基于圖論的淤地壩對徑流影響的機制[J]. 中國水土保持科學，2015，13(4)：1－8.

Gao Haidong, Jia Lianlian, Li Zhanbin, et al. Mechanism underlying impact of check damson runoff based graph theory in the hilly-gully loess region[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2015, 13(4): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[30] 李會霞. 硯瓦河壩系工程建設(shè)對小流域洪水泥沙的影響[J]. 中國水土保持，2013(11)：70－73.

Li Huixia. Influence of Yanwa River Dam System construction on flood and sediment in small watershed[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2013(11): 70－73. (in Chinese with English abstract)

MIKE coupling model simulating effect of check dam construction on storm flood process in small watershed

Yuan Shuilong1, Li Zhanbin1,2※, Li Peng1, Gao Haidong1, Wang Dan1, Zhang Zeyu1

(1.710048,; 2.712100,)

Check dam is a kind of channel management engineering measure for channel erosion control, sediment retention, reduction of flood and sediment disasters. According to the “Check Dam Planning of Soil and Water Conservation on the Loess Plateau” of the Ministry of Water Resources, 160 thousand check dams will be built on the Loess Plateau region by 2020. The construction of such a large number of check dams leads to so extremely severe a flood control situation of check dam that if there is any carelessness, the safe operation and benefit of check dam will be affected. Based on the coupling of distributed hydrological model MIKE SHE and one dimensional hydrodynamic model MIKE 11, a torrential rain flood model in Wangmaogou watershed was established in this paper and the runoff process measured at the outlet of the basin was selected as the calibration parameter. At the same time, 2 typical rainstorm and flood processes in the observed years were used to calibrate the model, and the other 2 single storms were used to verify. The results showed that the model had high precision and could be used to analyze the working conditions. By simulating the rainstorm flood process of small watershed under different combinations of dam types and different dam system cascade modes, the results were obtained as follows: 1) The torrential rain flood model of Wangmaogou watershed based on the coupling of MIKE SHE and MIKE 11 had a Nash-Sutcliffe efficiency coefficient of higher than 0.8 and a determination coefficient (2) of higher than 0.85 during the calibration period, while higher than 0.6 and 0.7 respectively during the verification period, which indicated that the model could be used to simulate the single rainstorm flood process in small watershed on the Loess Plateau. 2) The construction of check dam system would obviously cut the flood peak and flood volume of the watershed, among which the amplitude reduction of the key dam was the least, the medium dam was the second and the small dam was the largest. The flood peak and flood volume were significantly reduced under 3 cascading modes, i.e. series, parallel and hybrid connection of check dam system, in which the hybrid connection of dam system had the largest decrease amplitude, the parallel dam system took the second place and the series dam system was the last. 3) The dam construction changed the flood duration. The key dam and the medium dam made it increased while the small dam decreased. 4) Check dam construction obviously reduced the channel connectivity. There was a good correlation between the channel connectivity index and the flood peak as well as the flood volume with the correlation coefficient of 0.97 and 0.89 respectively, which meant that check dam system regulated the rainstorm and flood process of small watershed by changing the channel connectivity. The research results are expected to optimize the dam system layout of the check dam in small watershed and provide scientific basis for the construction and safe operation of check dam on the Loess Plateau.

storms; flood control; check dam; MIKE model; loess plateau

袁水龍，李占斌，李 鵬，高海東，王 丹，張澤宇. MIKE耦合模型模擬淤地壩對小流域暴雨洪水過程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(13)：152－159. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.018 http://www.tcsae.org

Yuan Shuilong, Li Zhanbin, Li Peng, Gao Haidong, Wang Dan, Zhang Zeyu. MIKE coupling model simulating effect of check dam construction on storm flood process in small watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 152－159. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.018 http://www.tcsae.org

2018-01-29

2018-05-31

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0402404）；國家自然科學基金重點項目（41330858）

袁水龍，博士生。主要研究方向：流域水文模擬與水土保持。Email：yuanshuilong@163.com

李占斌，，博士，教授，博導，主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。Email：zhanbinli@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.018

S157

A

1002-6819(2018)-13-0152-08