基于MIKE SHE模型的平原區(qū)流域暴雨內(nèi)澇模擬

姜鈞耀 劉 璐 彭 慧 王翊人

（山東省水利勘測設計院 濟南 250013）

1 引言

平原區(qū)暴雨內(nèi)澇是平原區(qū)主要威脅之一。隨著洪澇災害造成社會經(jīng)濟損失的持續(xù)增長，單靠工程防洪措施控制洪水的理念是不現(xiàn)實、不可行、不經(jīng)濟的，因此，應用流域水文模型模擬暴雨內(nèi)澇過程，是解決防洪問題的關鍵，也是防洪減災的重要依據(jù)。

目前，國內(nèi)對平原區(qū)內(nèi)澇模擬研究成果較少。本文以洙趙新河流域為例，將MIKE SHE 模型應用到平原流域暴雨內(nèi)澇模擬，科學準確地對流域內(nèi)可能發(fā)生的洪水演進過程、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍等過程特征進行預測分析評估，旨在提高洪水預報預警服務能力和服務水平。

2 研究區(qū)域概況

洙趙新河位于山東省西南部，是跨菏澤、濟寧兩市的大型防洪排澇骨干河道。該河全長145.05km，流域面積4206km2，地勢低洼，流域內(nèi)發(fā)生大洪水時一方面受南四湖湖水位頂托影響，干流洪水消退時間較長；另一方面平原地區(qū)凈雨產(chǎn)生的坡面流將一部分滯蓄在干流堤外形成內(nèi)澇，剩余水量在較短時間內(nèi)不能全部匯入干流，因此該流域洪水具有歷時時間長、匯流速度慢等特點；流域內(nèi)有15 個雨量站、3 個水文站，水文資料較為豐富，

因此本文選取該流域作為平原區(qū)典型研究區(qū)域。

3 構建內(nèi)澇模型

3.1 模型適應性研究

本文首次將MIKE SHE 模型應用到平原流域暴雨內(nèi)澇模擬。MIKE SHE 模型是在20 世紀90年代初，由丹麥水力學研究所在SHE 基礎上進一步發(fā)展研制的一個綜合性且具有物理意義的分布式水文模型，主要適用于濕潤半濕潤蓄滿產(chǎn)流地區(qū)。本文研究的洙趙新河流域?qū)儆诎霛駶櫟貐^(qū)，且主要應用MIKE SHE 模型模擬汛期大量級降雨洪水過程，汛期發(fā)生大量級洪水前期一般會有多場小量級降水發(fā)生，小量級降水能增加土壤含水量，加快產(chǎn)流，可認為汛期土壤是飽和的，暴雨發(fā)生時為蓄滿產(chǎn)流，這就保證了模型在該流域開展研究的一個必要條件。此外，模型能夠根據(jù)氣候、地形、河網(wǎng)、下墊面等眾多因素模擬流域暴雨產(chǎn)匯流過程，模擬結果文件可根據(jù)模擬步長定量分析不同時刻流域內(nèi)坡面內(nèi)澇量及河道水量，使得該模型更加適應本項目研究。

MIKE SHE 模型的水流運動模塊是一個模塊化結構，主要由6 個獨立并且相互聯(lián)系的子模塊組成：蒸散發(fā)、坡面漫流、明渠流、不飽和帶流、飽和帶流、融雪?？紤]到該流域汛期地下水水位較高且土壤屬黏性土壤下滲率小，地表水與地下水的交換水量較少，因此在產(chǎn)流計算時未使用飽和帶流模塊，而該流域融雪基本不會補給河流水量，本次應用蒸散發(fā)、坡面漫流、明渠流、不飽和帶流4 個模塊進行流域產(chǎn)匯流分析研究。

3.2 內(nèi)澇模型建立與驗證

MIKE SHE 模型構建的內(nèi)容包括模型范圍與網(wǎng)格設置、地形插值、氣候（降水和蒸發(fā)）資料輸入、坡面糙率文件的錄入、不飽和帶參數(shù)的設置以及明渠流模塊建立。MIKE 11 模型通過明渠流模塊與MIKE SHE 耦合，MIKE 11 模型搭建主要包括河網(wǎng)、斷面、邊界條件、河道參數(shù)等內(nèi)容。

構建模型過程中，由于平原區(qū)河網(wǎng)分布密集、支溝較多的特殊性，為模擬與實際接近，本文在河網(wǎng)及斷面等處理上積累了一定的經(jīng)驗：平原區(qū)流域內(nèi)中小河流眾多，構建河網(wǎng)文件時，除主要的干支流，需對部分小河溝眾多處做概化處理；收集流域內(nèi)主要河流斷面資料，補充測量流域內(nèi)其他河道斷面數(shù)據(jù)，考慮平原河道斷面較為平緩，部分河道測量河首與河尾，中間河段采用內(nèi)插的方法進行補充；比對各個支流入干流處支流與干流斷面，以支流斷面河底高程接近干流斷面河底高程進行修正；考慮流域內(nèi)小支流及小溝數(shù)量眾多，對個別支流斷面進行加寬、加深處理；根據(jù)流域內(nèi)居民地、耕地、空地等主要地物設置不同的曼寧系數(shù)；考慮流域面積較大且軟件對文件大小的限制，收集流域1 ∶10000精度DEM，運用GIS 技術經(jīng)填洼、提取后轉(zhuǎn)化為30m×30m 精度DEM 導入地形模塊。

以梁山閘水文站作為流域出口端面控制站，選取本流域內(nèi)前兩場大洪水（1978/06/30～1978/07/09、1975/09/17～1975/09/26）實測洪水資料進行模型參數(shù)率定。指標采用《MIKE SHE 用戶手冊（DHI，2011d）》中提到的平均誤差ME（Mean error）、均方根誤差RMSE、Nash-Sutcliffe 系數(shù)（R2）來評價。經(jīng)計算，模型性能參數(shù)均在接受范圍內(nèi)（見表1），模型模擬效果較好。

表1 參數(shù)率定評價指標表

洙趙新河流域模型率定兩場洪水的平均誤差ME基本為0，Nash-Sutcliffe 系數(shù)達到0.9 左右，非常接近1，模型的模擬效果極佳。但RMSE 值較大，考慮到本次模型模擬優(yōu)先保證洪量及洪水過程線與實測相吻合，在極端值方面會有一定出入。因此總體看來，本次模擬選取的參數(shù)可進一步進行參數(shù)驗證。

選取該流域1993年實測典型洪水進行模型參數(shù)驗證，將實測降雨過程及設計過程輸入模型，應用之前率定得到的參數(shù)，根據(jù)實際情況微調(diào)部分參數(shù)（坡面滯蓄水深及下游水位等）得到模擬結果，模擬所得的結果如表2 所示。

表2 梁山閘處洪峰、洪量模擬結果表

通過結果可以看出模擬的峰值和洪量誤差都在5%以內(nèi)，符合規(guī)范要求。從水量平衡的角度考慮，模擬洪量與實測洪量越接近，模型模擬水量分配越準確，本套參數(shù)能極好地控制洪量與實測相吻合，故可以應用本次調(diào)試完畢的模型進行應用。

4 內(nèi)澇分析

以1993年洪水模擬為例，根據(jù)模型模擬結果，對平原區(qū)流域易澇區(qū)做相應預警，并闡述平原區(qū)內(nèi)澇水量計算方法。

4.1 預警易澇區(qū)

結合模型模擬動態(tài)結果做易澇區(qū)分析，內(nèi)澇過程模擬動態(tài)圖如圖1 所示。

圖1 內(nèi)澇過程模擬動態(tài)圖

根據(jù)內(nèi)澇動態(tài)變化過程，將暴雨內(nèi)澇分四個階段：第一階段，降雨初期，降雨量較少，坡面水分布較為零散，還未形成內(nèi)澇；第二階段，坡面水開始積聚，流域出口位置處由于下游湖水位的頂托影響，流域出口處形成一定的澇水；第三階段，隨著降雨天數(shù)的增加和降雨強度的變大，坡面澇水嚴重，除流域出口位置的澇水外，受堤防、道路等線狀地物的阻攔及分隔，在支流匯入干流處及低洼處形成大量澇水；第四階段，降雨強度逐漸變小，坡面大量澇水隨河道流出，澇水較為集中。

流域內(nèi)易澇區(qū)域主要為支流匯干流處，地勢低洼處，受下游湖水位頂托流域下游出口處等，符合平原區(qū)實際內(nèi)澇規(guī)律，根據(jù)澇水位置對相應區(qū)域可做易澇區(qū)預警。

4.2 內(nèi)澇水量計算

內(nèi)澇水量可結合Arcgis 軟件技術進行評估計算，從研究區(qū)域偏安全角度考慮，往往關注該區(qū)域的最大內(nèi)澇水量，以定量推求洙趙新河流域1993年最大內(nèi)澇量為例，對內(nèi)澇水量計算方法進行說明。

運用MIKE SHE 水量平衡模塊，對模擬結果文件做水量平衡計算分析，根據(jù)水量平衡分析結果。模擬第三天，坡面存儲交換量最大，此時即為內(nèi)澇水量最大時刻，將此刻各個網(wǎng)格內(nèi)澇水深模擬結果導入Arcgis 軟件中，統(tǒng)計流域內(nèi)水深值，統(tǒng)計表如表3 所示。

表3 內(nèi)澇水深統(tǒng)計結果表

根據(jù)內(nèi)澇水深統(tǒng)計表，流域內(nèi)網(wǎng)格水深平均值為所推求時刻的內(nèi)澇水深值，與流域面積的乘積為該區(qū)域所求的最大內(nèi)澇水量。

5 結論

（1）本文構建了基于地面高程、下墊面條件及河流水系等要素的暴雨內(nèi)澇模型，模擬了流域內(nèi)暴雨內(nèi)澇演進過程，提出了平原區(qū)流域內(nèi)預警易澇區(qū)域及計算內(nèi)澇水量的新方法，目前已應用于全國多個重點防洪保護區(qū)洪水風險圖項目中。

（2）本文未考慮實時暴雨下的內(nèi)澇預警，今后可與氣象部門合作，進一步開展平原區(qū)實時暴雨預警■