基于MIKE11的山丘區(qū)小流域洪水演進(jìn)模擬與分析

劉 晗，王 坤，候云寒，徐征和，于 瀟，張珊珊

(1. 濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2. 山東省濟(jì)南市章丘黃河河務(wù)局，山東 濟(jì)南 250200；3. 山東省高唐縣水務(wù)局，山東 聊城 252800)

0 引 言

近年來(lái)，受極端天氣的影響，洪水災(zāi)害在世界各地發(fā)生的消息屢見(jiàn)不鮮。其波及范圍之廣，使之成為備受各國(guó)政府以及科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)。為了提高城市應(yīng)對(duì)暴雨洪澇災(zāi)害的能力，國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市暴雨洪澇災(zāi)害的研究逐漸從關(guān)注災(zāi)害成因機(jī)理和災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法轉(zhuǎn)向注重災(zāi)情實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化、高精度的基于情景模擬的分析方法[2]。

山丘區(qū)小流域洪水具有與江河洪水顯著不同的特性,在洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警等技術(shù)方面也存在顯著不同[3],因此,加強(qiáng)山區(qū)小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理及相關(guān)技術(shù)研究,對(duì)于提高我國(guó)山區(qū)小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)管理水平、切實(shí)減輕山洪災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。MIKE 11模型是一款比較成熟的模型，通過(guò)耦合降雨徑流模塊和水動(dòng)力模塊實(shí)現(xiàn)徑流模擬，廣泛應(yīng)用于防洪、水資源保護(hù)及水利工程設(shè)計(jì)管理等方面[4]。本研究基于外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)及內(nèi)業(yè)搜集到的資料，利用MIKE11模擬軟件建立了研究區(qū)數(shù)學(xué)模型，其中主要包括NAM坡面降雨徑流模型和HD水動(dòng)力模型，同時(shí)，將兩者進(jìn)行耦合，并對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，形成一維河道洪水演進(jìn)模型，對(duì)不同計(jì)算方案下的洪水淹沒(méi)過(guò)程進(jìn)行了模擬。

1 研究區(qū)概況

歷城區(qū)地處36°19′51″N～36°53′45″N，116°55′24″E～117°22′15″E，位于濟(jì)南市區(qū)東、南部。地處魯中南低山丘陵與魯西平原交接地帶。研究區(qū)位于歷城區(qū)的南部山區(qū)，隸屬歷城區(qū)柳埠鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)位于歷城區(qū)東南部。屬暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)的大陸性季風(fēng)氣候。春季干燥少雨，多西南、偏南風(fēng)；夏季炎熱多雨；秋季天高氣爽，秋溫高于春溫；冬季長(zhǎng)而寒冷干燥，多東北風(fēng)[5]。多年平均降水量665.7 mm。

主要對(duì)濟(jì)南市歷城區(qū)柳埠鎮(zhèn)鎮(zhèn)駐地以上3個(gè)小流域進(jìn)行詳細(xì)研究，所在河流為錦陽(yáng)川部分河段，即包括部分長(zhǎng)峪(干流)之水、桃科之水以及亓城之水，以下分別稱(chēng)之為干流、桃科河以及亓城河，小流域名稱(chēng)與之對(duì)應(yīng)。干流研究范圍為源頭至柳埠鎮(zhèn)柳埠中村下游斷面處，河流長(zhǎng)度為18.57 km，流域面積為53.42 km2；桃科河全長(zhǎng)10.7 km，流域面積為44.94 km2；亓城河溝道長(zhǎng)度為8.72 km，流域面積為22.03 km2。

圖1 研究區(qū)水系及流域分布圖Fig.1 Distribution map of water system and watershed in the study area

2 產(chǎn)匯流模型的構(gòu)建

2.1 NAM模型構(gòu)建

NAM模型是MIKE11 RR(Rainfall-Runoff)模塊包含的多種降雨徑流模擬方法中的一種，是一個(gè)集中式、概念模型，主要用于模擬自然流域內(nèi)的降雨徑流過(guò)程[6]。在NAM模塊中，通過(guò)植物土壤根區(qū)儲(chǔ)水層、地表儲(chǔ)水層等4個(gè)相互影響的儲(chǔ)水層的水量模擬產(chǎn)匯流過(guò)程[7]。NAM模型的建立包括以下幾步：流域信息屬性頁(yè)，NAM模型屬性頁(yè)，時(shí)間序列文件頁(yè)。

(1)流域信息屬性頁(yè)。流域信息屬性頁(yè)主要是對(duì)研究區(qū)所涉及流域的信息特征進(jìn)行定義以及展示。分為流域定義和流域列表兩個(gè)區(qū)域。為研究方便，將研究區(qū)劃分為3個(gè)流域，流域面積如圖2所示。并從歷城區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集終端提取各流域信息特征，如表1所示。

圖2 研究區(qū)流域面積示意圖Fig.2 Schematic diagram of basin area of the study area

表1 各流域信息特征表Tab.1 Information characteristics of each watershed

(2)NAM模型屬性頁(yè)。NAM模型屬性頁(yè)是對(duì)模型涉及的所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的頁(yè)面。主要包括地表-根區(qū)參數(shù)頁(yè)、地下水參數(shù)頁(yè)、融雪參數(shù)頁(yè)、灌溉參數(shù)頁(yè)、初始條件參數(shù)頁(yè)以及自動(dòng)率定參數(shù)頁(yè)。其中，融雪和灌溉參數(shù)頁(yè)為可選選項(xiàng)，由于模擬過(guò)程中沒(méi)有考慮，因此不需要設(shè)置。參照研究區(qū)自然概況及相關(guān)文獻(xiàn)，各參數(shù)頁(yè)所需設(shè)置的主要參數(shù)如表2所示。

2.2 HD模型的建立

MIKE11 HD模塊建模時(shí)需要4個(gè)文件，包括：河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件以及HD參數(shù)文件[8]，模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(1)河網(wǎng)文件。河網(wǎng)概化的原則是能基本反映天然河網(wǎng)的水力特性，即概化后河網(wǎng)輸水能力和調(diào)蓄能力與實(shí)際河網(wǎng)相近或基本一致[9]。山丘區(qū)小流域天然河道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為減少工作量和提高模型效率，往往需要對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行合理概化。在河網(wǎng)文件建立時(shí)，通過(guò)搜集到的歷城區(qū)數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字正射影像圖(DOM)，對(duì)河網(wǎng)各溝道位置及其之間的水力聯(lián)系進(jìn)行繪制和設(shè)置。模型中河網(wǎng)文件如圖4所示。

表2 NAM模型主要參數(shù)及取值情況Tab.2 Main parameters and values of NAM model

圖3 HD模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of HD model

圖4 研究區(qū)河網(wǎng)文件Fig.4 River network file of the study area

(2)斷面文件。斷面數(shù)據(jù)來(lái)源于歷城區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目中的實(shí)測(cè)斷面數(shù)據(jù)，為滿足模型精度以及運(yùn)行穩(wěn)定性要求，在研究區(qū)共設(shè)置了48處斷面，其中干流設(shè)置了18處，桃科河設(shè)置22處，亓城河設(shè)置了8處。本文在各流域分別選取一個(gè)典型村對(duì)斷面特征進(jìn)行展示，如圖5所示。

圖5 各流域典型斷面剖面圖及照片F(xiàn)ig.5 Typical sections and photos of each basin

(3)邊界文件。MIKE11 HD中邊界條件設(shè)置包括內(nèi)部邊界條件和外部邊界條件兩種。本次研究考慮河流的外部邊界條件。干流及各支流上游邊界條件設(shè)置為流量邊界，下游設(shè)置為流量水位關(guān)系邊界[10]。由于研究區(qū)內(nèi)沒(méi)有水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，缺乏流量時(shí)間序列文件，因此設(shè)置流量邊界數(shù)據(jù)類(lèi)型為定流量邊界。并且由于各上游邊界均位于河流的源頭，無(wú)其他小支流匯入，故研究將各流量邊界數(shù)值設(shè)置為0。

(4)參數(shù)文件。HD參數(shù)文件包含眾多屬性頁(yè)，常見(jiàn)的需要設(shè)置的屬性頁(yè)主要有兩項(xiàng)：初始條件屬性頁(yè)和河床糙率屬性頁(yè)。據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本研究初始流量設(shè)置為0，初始水深根據(jù)汛期河道內(nèi)平均水深，設(shè)為0.5 m。河床糙率是HD模型所要率定的參數(shù)，研究區(qū)糙率根據(jù)外業(yè)調(diào)查情況，參照天然河道典型類(lèi)型和特征情況下的糙率，參考《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》(SL537-2011)以及水利電力部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院《洪水調(diào)查》成果中有關(guān)天然糙率的取值。

2.3 NAM模型與HD模型耦合

為了更好地模擬小流域暴雨洪水的演進(jìn)過(guò)程，從而為河道洪水演進(jìn)模擬提供模型基礎(chǔ)，MIKE11可以實(shí)現(xiàn)降雨徑流(NAM)模型和水動(dòng)力模型(HD)的耦合[11]。在河網(wǎng)文件的列表視窗(Tabular)下的Runoff/groundwater中點(diǎn)擊添加一個(gè)Rainfall-Runoff link，并在右側(cè)添加流域的信息以及與HD連接的河流名稱(chēng)和位置，可定義連接的河道上下游的里程點(diǎn)。將桃科河小流域、亓城河小流域和干流小流域的NAM坡面降雨模型以線源的形式匯入水動(dòng)力模型的河網(wǎng)中，并在Mike11界面勾選帶入RR模塊進(jìn)行模擬計(jì)算。

流域的產(chǎn)匯流可以以點(diǎn)源和線源兩種方式匯入到河網(wǎng)中，可以通過(guò)設(shè)置所連接河道得上下游里程數(shù)來(lái)控制，若上下游里程數(shù)一樣，說(shuō)明產(chǎn)匯流以點(diǎn)源的形式匯入河網(wǎng)，反之，以線源的形式匯入河網(wǎng)。本研究中涉及的三個(gè)小流域均以線源的形式匯入河網(wǎng)，具體的設(shè)置情況如表3所示。

表3 NAM與HD耦合設(shè)置Tab.3 NAM and HD coupling Settings

3 模型的率定及驗(yàn)證

3.1 率定方法

本文在進(jìn)行參數(shù)率定時(shí)主要利用模型自動(dòng)率定功能結(jié)合人工微調(diào)的方式。根據(jù)搜集到的柳埠和窩鋪兩個(gè)雨量站1976年以來(lái)的汛期降雨資料，選取柳埠鎮(zhèn)受山洪災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的19940629場(chǎng)、20000809場(chǎng)、20130723場(chǎng)3個(gè)暴雨場(chǎng)次資料轉(zhuǎn)化為時(shí)間序列，用于模型參數(shù)的率定。受區(qū)域?qū)崪y(cè)資料限制，流域缺乏徑流系列資料，因此，對(duì)于流域出口流量過(guò)程線的獲得，利用水文計(jì)算公式法推求，其中，各流域產(chǎn)流和匯流過(guò)程分別利用降雨-徑流相關(guān)法和單位線法計(jì)算。

3.2 率定結(jié)果及分析

利用上述參數(shù)率定方法，將19940629、20000809、20130723三場(chǎng)洪水場(chǎng)次的暴雨資料作為模型的輸入，并以推求所得的與各場(chǎng)暴雨相對(duì)應(yīng)的洪水過(guò)程線作為實(shí)測(cè)資料運(yùn)用到模型的輸出，經(jīng)過(guò)模型自動(dòng)率定以及人工反復(fù)調(diào)整，使得模型模擬結(jié)果與流域出口流量過(guò)程實(shí)現(xiàn)吻合。各小流域洪水模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比結(jié)果(19940629場(chǎng)次)如圖6-8所示。各主要參數(shù)最終取值如表4和5所示。

在湖北省實(shí)行夏制，抽穗揚(yáng)花期安排在8月中下旬較為理想。第一期父本5月上旬播種，與母本的播期宜相差在30～35 d。

圖6 干流小流域19940629場(chǎng)次洪水NAM模擬結(jié)果圖Fig.6 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the main stream

圖7 亓城河小流域19940629場(chǎng)次洪水NAM模擬結(jié)果圖Fig.7 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the Qi Cheng river

圖8 桃科河小流域19940629場(chǎng)次洪水NAM模擬結(jié)果圖Fig.8 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the Tao Ke river

研究選用洪峰相對(duì)誤差REp、洪量相對(duì)誤差REv、峰現(xiàn)時(shí)差ΔT、擬合系數(shù)R2四個(gè)指標(biāo)對(duì)模型模擬精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中REp、REv、ΔT的絕對(duì)值越小表示模擬結(jié)果越好，洪峰相對(duì)誤差REp、洪量相對(duì)誤差REv的許可誤差為 20.0%，峰現(xiàn)時(shí)差的許可誤差為 3 h[12]；R2值越趨近于1，表示模擬結(jié)果越好。場(chǎng)次洪水率定結(jié)果及誤差分析如表6所示。

表4 各流域NAM參數(shù)取值表Tab.4 NAM parameter values of each watershed

表5 各河段特征及糙率取值情況Tab.5 Characteristics and roughness values of each river section

表6 NAM模型率定結(jié)果及誤差分析Tab.6 calibration results and error analysis of NAM model

由表6可知，三場(chǎng)暴雨作用下流域產(chǎn)匯流模擬過(guò)程中，3個(gè)小流域內(nèi)模擬洪峰及洪量均比實(shí)測(cè)情況偏小，但兩者相差不大，相對(duì)誤差也較小，基本控制在10%以?xún)?nèi)。干流小流域與桃科小流域模擬流量及洪量過(guò)程線與實(shí)測(cè)情況吻合較好，峰現(xiàn)時(shí)間稍有滯后，但在允許誤差范圍以?xún)?nèi)。亓城河小流域模擬結(jié)果較其他兩個(gè)小流域稍差，洪水滯后時(shí)間稍長(zhǎng)，但各流域擬合系數(shù)基本在0.8以上，總體模擬結(jié)果較好，滿足精度要求。

3.3 模型驗(yàn)證

為提高模型精度，同時(shí)也為檢驗(yàn)各模型參數(shù)的合理性，本文采用《歷城區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗(yàn)與復(fù)核》項(xiàng)目中對(duì)20160722場(chǎng)次洪水河道洪痕現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及測(cè)量的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證耦合模型的模擬精度。河道具體測(cè)量成果如表7所示，各典型村模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖如圖9-11所示，驗(yàn)證結(jié)果如表8所示。

表7 河道測(cè)量成果Tab.7 river survey results

圖9 干流小流域模擬和實(shí)測(cè)水位的對(duì)比圖—岱密庵村河道Fig.9 Comparison of simulated and measured water level in small watershed of dry stream

圖10 桃科河小流域模擬和實(shí)測(cè)水位的對(duì)比圖—桃科莊村河道Fig.10 Comparison of simulated and measured water level in the small watershed of Tao Ke river

圖11 亓城河小流域模擬和實(shí)測(cè)水位的對(duì)比圖—亓城村河道Fig.11 Comparison of simulated and measured water level in the small watershed of Qi Cheng river

由小流域模擬和實(shí)測(cè)水位對(duì)比圖以及耦合模型模擬驗(yàn)證結(jié)果可以看出，各小流域河道模擬最高洪水位從上游到下游變化趨勢(shì)與河道縱斷面下降趨勢(shì)相符，模擬水面線形態(tài)及高程與實(shí)際測(cè)量情況相似，且模擬最高洪水位與實(shí)測(cè)水位相差不大，因此，認(rèn)為耦合模型滿足驗(yàn)證精度，模型整體模擬效果可信[13]。

表8 耦合模型模擬驗(yàn)證結(jié)果 mTab.8 simulation and verification results of coupling model

4 模擬與分析

耦合模型的建立為小流域洪水演進(jìn)過(guò)程的模擬提供了模型基礎(chǔ)，為了預(yù)測(cè)不同量級(jí)洪水對(duì)小流域的影響，研究通過(guò)對(duì)洪水來(lái)源、洪水量級(jí)以及洪水組合方式的綜合考慮，擬定了5種不同的洪水模擬計(jì)算方案，如表9所示。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間序列文件以及各河段不同的上、下邊界條件，利用MIKE11水文-水動(dòng)力耦合模型進(jìn)行不同計(jì)算方案下的河道沿程洪水演進(jìn)模擬，并完成了相應(yīng)運(yùn)行結(jié)果的分析，從而為小流域防洪評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

表9 洪水模擬方案設(shè)計(jì)Tab.9 flood simulation scheme design

(1)不同河段沿程100 a一遇洪水量級(jí)模擬水面線動(dòng)態(tài)結(jié)果如圖12-14所示。由模擬結(jié)果可知，干流及各支流100 a一遇量級(jí)洪水淹沒(méi)水面線形態(tài)隨河道地形變化下降，無(wú)明顯忽高忽低等不合理現(xiàn)象，符合河道洪水演進(jìn)規(guī)律。研究對(duì)不同量級(jí)洪水模擬結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比分析，可知洪水淹沒(méi)水面線隨洪水量級(jí)的增大而逐漸升高，但漲幅動(dòng)態(tài)變化不明顯，因此，其他量級(jí)洪水淹沒(méi)水面線動(dòng)態(tài)圖不再進(jìn)行逐個(gè)展示。

圖12 干流100 a一遇洪水量級(jí)模擬水面線圖Fig.12 Simulated surface diagram of dry flow at the order of magnitude of once-in-a-century flood

圖13 亓城河100 a一遇洪水量級(jí)模擬水面線圖Fig.13 Simulated surface diagram of Qi Cheng river at the order of magnitude of once-in-a-century flood

(2)不同計(jì)算方案各流域典型村洪峰流量及最高洪水位計(jì)算結(jié)果如表10所示。由表11可知，隨著洪水量級(jí)的增大，各斷面最高水位隨之升高，洪峰流量也逐漸增大，在河流交匯處的柳埠中村典型斷面百年一遇洪水洪峰流量達(dá)1 000 m3/s以上，且流量越大，水位越高。

圖14 桃科河100 a一遇洪水量級(jí)模擬水面線圖Fig.14 Simulated surface diagram of Tao Ke river at the order of magnitude of once-in-a-century flood

(3)不同計(jì)算方案下各流域典型村淹沒(méi)水深如表11所示。由表11可知，隨洪水量級(jí)的增大，各斷面淹沒(méi)水深逐漸升高，部分河段淹沒(méi)水深達(dá)4.5 m以上。干流及各支流淹沒(méi)水深從上游至下游沒(méi)有呈現(xiàn)明顯規(guī)律，這與山丘區(qū)地形起伏較大以及河道斷面的自然形態(tài)有關(guān)。

5 結(jié) 論

研究利用MIKE11模型軟件構(gòu)建了流域產(chǎn)匯流模型以及河道水動(dòng)力模型，同時(shí)將兩者耦合形成一維河道沿程洪水演進(jìn)模型。利用耦合模型對(duì)5種不同計(jì)算方案下的洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了模擬，得出了不同量級(jí)洪水淹沒(méi)水面線動(dòng)態(tài)結(jié)果、各斷面洪峰流量及淹沒(méi)水位結(jié)果和各斷面淹沒(méi)水深結(jié)果。主要完成的工作及結(jié)論如下：

表10 不同方案下各典型斷面洪峰流量及最高水位計(jì)算成果表Tab.10 Results of calculating flood peak flow and maximum water level of each typical section under different schemes

表11 不同計(jì)算方案下各典型斷面淹沒(méi)水深計(jì)算成果表Tab.11 Results of calculation of flood depth of each typical section under different calculation schemes

(1)利用MIKE11水動(dòng)力模塊(HD)構(gòu)建研究區(qū)河道內(nèi)水動(dòng)力模型，并且與降雨徑流模塊(NAM)耦合，實(shí)現(xiàn)了流域產(chǎn)匯流過(guò)程及河道內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程的耦合，經(jīng)過(guò)參數(shù)的率定，最終確定模型中各主要參數(shù)的取值。同時(shí)由模型的率定及驗(yàn)證結(jié)果可知，模型整體模擬效果可信。模型在模擬缺乏資料的山丘區(qū)小流域的降雨洪水過(guò)程中具有良好的適用性，而且可應(yīng)用于實(shí)際山丘區(qū)小流域的預(yù)警指標(biāo)的計(jì)算分析中。

(2)由模型模擬結(jié)果可知：干流及支流各量級(jí)洪水淹沒(méi)水面線形態(tài)隨河道地形變化下降，無(wú)明顯忽高忽低等不合理現(xiàn)象。隨著洪水量級(jí)的增大，各斷面最高洪水位隨之升高，洪峰流量也逐漸增大。各斷面淹沒(méi)水深隨洪水量級(jí)的增大逐漸升高。以上結(jié)論均符合河道洪水演進(jìn)規(guī)律，可為該地區(qū)防洪評(píng)價(jià)及預(yù)警工作提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。