MIKE SHE模型在河道治理工程中的應(yīng)用

姜鈞耀，饒亞蘭，周 冉

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

2018—2019年山東省小清河流域受臺(tái)風(fēng)暴雨“溫比亞”、“利奇馬”影響，連續(xù)兩年遭受?chē)?yán)重洪澇災(zāi)害，小清河防洪綜合治理工程已被山東省委、省政府確定為重點(diǎn)水利工程的“頭號(hào)工程”，科學(xué)地計(jì)算設(shè)計(jì)洪水是解決防洪問(wèn)題的關(guān)鍵[1]?，F(xiàn)階段，對(duì)該流域的洪水計(jì)算仍停留在傳統(tǒng)的降雨徑流相關(guān)方法上，該方法能夠較為準(zhǔn)確地反映流域洪水變化情況，但在很大程度上依賴(lài)人為設(shè)定參數(shù)，復(fù)雜的下墊面條件會(huì)給設(shè)計(jì)洪水的推求帶來(lái)較大的影響。采用MIKE SHE分布式水文模型模擬流域暴雨洪水，無(wú)需分計(jì)算單元，能夠科學(xué)地體現(xiàn)流域內(nèi)地勢(shì)低洼地帶的滯水作用，充分表明河道水與坡面水的交互作用。本文將模擬的河道洪水過(guò)程與工程水文學(xué)成果對(duì)比，以期為河道治理工程提供更為合理的設(shè)計(jì)洪水成果。另外，通過(guò)模型對(duì)現(xiàn)狀及規(guī)劃工況下的流域暴雨洪水過(guò)程進(jìn)行模擬，可為治理工程實(shí)施決策提供一種新的方法和思路。

1 研究區(qū)域概況

小清河流域面積10433km2，約占山東省總面積的1/15[2]。流域地勢(shì)南高北低，膠濟(jì)鐵路是山丘區(qū)和平原區(qū)的分界線(xiàn)[3]。鐵路以南多為山丘區(qū)，平均坡降約1/50，面積占比35.4%；鐵路以北多為平原和洼地，是典型的平原河道；共有一級(jí)支流48條，幾乎全部由南岸注入干流，呈典型的單側(cè)梳齒狀分布，其中流域面積200km2以上的較大支流有7條，分別為巨野河、繡江河、杏花河、孝婦河、預(yù)備河、淄河和塌河。除預(yù)備河外，其余6條均系山洪河道。

由于小清河所處的自然地理等特性，支流上游山區(qū)山高坡陡流急，洪水期間洪峰陡漲陡落，洪峰持續(xù)時(shí)間較短；支流穿過(guò)膠濟(jì)鐵路后，河道多變?yōu)閷挏\漫灘型，比降變緩，河道對(duì)洪水的槽蓄調(diào)節(jié)作用明顯加大，反映到實(shí)測(cè)洪水的洪峰流量的變化方面是上游大于下游。如1966年7月15日洪水，支流淄河上游鎮(zhèn)后站(控制流域面積518km2)實(shí)測(cè)洪峰流量3180m3/s，而下游白兔丘站(控制面積1386km2)實(shí)測(cè)洪峰流量?jī)H為2030m3/s。

2 模型模擬分析

采用MIKE SHE水文水動(dòng)力耦合模型，考慮流域地形地貌、水文氣象、土壤植被、流域產(chǎn)匯流特點(diǎn)，進(jìn)行小清河流域產(chǎn)匯流分析計(jì)算。統(tǒng)計(jì)小清河流域內(nèi)歷年實(shí)測(cè)大暴雨及大洪水資料，并側(cè)重考慮近期發(fā)生過(guò)較大暴雨洪水的年份，選取1998年8月、2005年8月實(shí)測(cè)暴雨洪水資料進(jìn)行參數(shù)率定。本次保持原模型率定的參數(shù)不變，對(duì)可能因場(chǎng)次洪水不同而不同的地表初始水深等實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)，并采用2019年超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”實(shí)測(cè)暴雨過(guò)程進(jìn)行流域現(xiàn)狀工況模擬，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.1 模型簡(jiǎn)介

MIKE SHE模型是在20世紀(jì)90年代初，由丹麥水力學(xué)研究所在SHE基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展研制的一個(gè)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(rùn)半濕潤(rùn)蓄滿(mǎn)產(chǎn)流地區(qū)[4- 6]。本文研究的小清河流域?qū)儆诎霛駶?rùn)地區(qū)，且主要應(yīng)用MIKE SHE模型模擬汛期大量級(jí)降雨洪水過(guò)程。汛期發(fā)生大量級(jí)洪水前期一般會(huì)有多場(chǎng)小量級(jí)降水發(fā)生，小量級(jí)降水能增加土壤含水量，加快產(chǎn)流，可認(rèn)為汛期土壤是飽和的，暴雨發(fā)生時(shí)為蓄滿(mǎn)產(chǎn)流，這就保證了模型在該流域開(kāi)展研究的一個(gè)必要條件。

MIKE SHE模型由一系列用戶(hù)界面模型程序組成，包括模型建立、模型預(yù)處理和模型結(jié)果輸出，并可以和多種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，增加了軟件的可操作性。MIKE SHE模型在應(yīng)用時(shí)，主要通過(guò)劃分單元格網(wǎng)的方法構(gòu)建分布式水文模型，水平方向通過(guò)一系列規(guī)則格網(wǎng)來(lái)離散，垂直方向通過(guò)多個(gè)水平層處理不同土壤剖面的垂直差異性，不同格網(wǎng)之間采用數(shù)值分析模擬水分運(yùn)動(dòng)的時(shí)空關(guān)系[7- 10]。

MIKE SHE模型的水流運(yùn)動(dòng)模塊是一個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，主要由6個(gè)獨(dú)立并且相互聯(lián)系的子模塊組成：氣候模塊(ET)、坡面流模塊(OL)、明渠流模塊(OC)、不飽和帶模塊(UZ)、飽和帶模塊(SZ)和融雪模塊(SM)[11- 13]。每個(gè)子模塊針對(duì)一個(gè)水文過(guò)程，小清河流域汛期大洪水過(guò)程不涉及融雪，地下飽和帶水流相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)飽和帶模塊、融雪模塊不進(jìn)行模擬研究。

2.2 基本資料收集與處理

2.2.1地形資料

采用1∶10000DEM，地形精度為5m，地圖坐標(biāo)系為CGCS2000坐標(biāo)系。受限于流域面積較大，將DEM轉(zhuǎn)換為50m精度的柵格，進(jìn)行填洼處理后導(dǎo)入MIKE SHE地形模塊中。

2.2.2水文資料

水文資料主要包括流域內(nèi)降水量、蒸發(fā)量以及水文站實(shí)測(cè)流量系列。收集小清河流域歷年實(shí)測(cè)大暴雨及前十場(chǎng)大洪水資料，并側(cè)重考慮近期發(fā)生過(guò)較大暴雨洪水的年份，選取2005年8月、1998年8月兩場(chǎng)實(shí)測(cè)暴雨洪水資料進(jìn)行參數(shù)率定及驗(yàn)證，對(duì)降雨量的處理方式為將流域內(nèi)場(chǎng)次洪水對(duì)應(yīng)的雨量站實(shí)測(cè)雨量時(shí)間序列，輸入至根據(jù)雨量站點(diǎn)位置建立的泰森多邊形內(nèi)。蒸發(fā)量取4mm/d。

2.2.3主要河道斷面資料

河網(wǎng)文件中包括小清河流域的46條一級(jí)支流、二級(jí)支流、三級(jí)支流共計(jì)110條河道。46條一級(jí)支流采用實(shí)測(cè)/規(guī)劃斷面，其他部分平原河道采用概化斷面。

2.2.4土地類(lèi)型資料

采用《國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心共享服務(wù)平臺(tái)》中山東省2010年土地利用數(shù)據(jù)，不同土地利用類(lèi)型的坡面糙率查閱用戶(hù)手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)取值。

2.2.5邊界條件

所有河道的上游邊界條件均設(shè)為0m3/s，小清河入海口處下游水位邊界根據(jù)羊角溝站潮位觀測(cè)站實(shí)測(cè)潮位觀測(cè)資料輸入至模型中。

2.3 參數(shù)率定

綜合分析小清河流域歷年實(shí)測(cè)大暴雨及大洪水資料，并側(cè)重考慮近期發(fā)生過(guò)較大暴雨洪水的年份，本次選取2005年8月、1998年8月兩場(chǎng)實(shí)測(cè)暴雨洪水資料進(jìn)行參數(shù)率定，其中，2005、1998年石村水文站相應(yīng)實(shí)測(cè)洪峰流量分別為339、344m3/s。以最大3d洪量為控制條件，采用“試錯(cuò)法”，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)多次試錯(cuò)，使得流域出口處模擬洪峰及最大3d洪量均相差5%以?xún)?nèi)，小清河流域模型參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 小清河流域模型參數(shù)取值

2.4 模擬分析

2.4.1設(shè)計(jì)洪水模擬分析

小清河流域歷次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算依據(jù)對(duì)工程較為不利的設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成原則，采用下控制段與上控制段同頻率控制，區(qū)間相應(yīng)的方法推求設(shè)計(jì)暴雨。鑒于流域內(nèi)地形差異較大，水庫(kù)、滯洪區(qū)、分洪控制節(jié)點(diǎn)多，因此在5個(gè)控制段內(nèi)又分了41個(gè)計(jì)算單元。產(chǎn)流計(jì)算采用降雨徑流關(guān)系法，匯流計(jì)算采用瞬時(shí)單位線(xiàn)法，洪水組合時(shí)考慮水庫(kù)、滯洪區(qū)、分洪控制工程的調(diào)度。

為與傳統(tǒng)方法及成果進(jìn)行對(duì)比，運(yùn)用已建立的小清河流域模型，將50年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)間序列輸入至模型中，兩種方法的降雨量相同，經(jīng)模擬，設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比表見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)洪水成果對(duì)比表 單位：m3/s

流域出口處，模擬洪水總量與工程水文學(xué)法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水總量分別為117682萬(wàn)、122024萬(wàn)m3，誤差為3.6%。模型模擬流域內(nèi)坡面水存儲(chǔ)總量與河道洪水總量與工程水文學(xué)法計(jì)算設(shè)計(jì)洪量相對(duì)差控制在5%以?xún)?nèi)，基本說(shuō)明，兩種方法扣除蒸發(fā)、下滲等損失后，水量基本平衡。

模擬的洪水過(guò)程線(xiàn)與工程水文學(xué)方法計(jì)算洪水過(guò)程在各個(gè)斷面的趨勢(shì)基本一致，以勝利河入清口下斷面為例，對(duì)比兩種方法成果，如圖1所示。模型模擬峰現(xiàn)時(shí)間較工程水文學(xué)法計(jì)算過(guò)程偏后，主要為模型考慮地形、坡面水與河流水交互等因素，致使峰現(xiàn)時(shí)間偏后，而在河道治理工程中水文成果主要關(guān)注洪峰流量，模型模擬成果較工程水文學(xué)方法計(jì)算成果略有偏小，可為設(shè)計(jì)洪水成果的采用提供參考。

圖1 勝利河入清口處斷面流量過(guò)程對(duì)比圖

2.4.2不同工況模擬分析

利用模型模擬現(xiàn)狀工況下2019年流域暴雨洪水過(guò)程，根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，為澇水較為嚴(yán)重的重點(diǎn)地區(qū)規(guī)劃治理工程內(nèi)容提供依據(jù)，再模擬規(guī)劃工況下的暴雨洪水過(guò)程，對(duì)比現(xiàn)狀工況和規(guī)劃工況兩種工況的模擬結(jié)果，分析治理工程實(shí)施后的效果。

將收集到的流域內(nèi)26個(gè)雨量站2019年8月實(shí)測(cè)降雨量數(shù)據(jù)輸入至模型，將模擬結(jié)果提取至ArcGIS中，對(duì)淹沒(méi)范圍、淹沒(méi)水深等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

參考模型模擬結(jié)果，規(guī)劃小清河治理工程建設(shè)內(nèi)容主要包括干流及主要支流治理、澇水嚴(yán)重地區(qū)新建杏花河等11座排澇泵站等。進(jìn)行規(guī)劃規(guī)劃工況模擬時(shí)，在現(xiàn)狀工況模型的基礎(chǔ)上將干支流規(guī)劃斷面替換現(xiàn)狀斷面、以點(diǎn)源方式在模型中布設(shè)泵站將澇水匯入干流，模擬規(guī)劃工況下小清河2019年8月暴雨洪水過(guò)程，統(tǒng)計(jì)兩種工況最大澇水時(shí)刻及主要退水時(shí)刻，見(jiàn)表3。

表3 最大澇水時(shí)刻及主要退水時(shí)刻對(duì)比表

對(duì)比兩種工況模擬結(jié)果，模擬至13日2時(shí)，兩種工況坡面均為積水最大時(shí)刻，規(guī)劃工況下至14日22時(shí)大量積水退去，個(gè)別低洼地帶存在澇水，同時(shí)刻現(xiàn)狀工況坡面仍存在20cm左右的積水，至16日4時(shí)坡面積水才基本退去，通過(guò)對(duì)比兩種工況模擬結(jié)果，兩種工況下坡面積水分布基本相同，但規(guī)劃工況坡面退水時(shí)間較現(xiàn)狀工況提前了30h，排水效果有明顯的改善。通過(guò)模型模擬規(guī)劃工況、現(xiàn)狀工況兩種工況下的流域內(nèi)澇水分布，可實(shí)時(shí)定量分析河道治理工程的建設(shè)對(duì)流域澇情的改善情況。

3 結(jié)論

以山東省小清河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建基于MIKE SHE的數(shù)學(xué)模型，采用流域內(nèi)實(shí)測(cè)洪水資料進(jìn)行參數(shù)率定，運(yùn)用建立的模型模擬了暴雨洪水過(guò)程，為此類(lèi)地形復(fù)雜、流域面積較大的流域設(shè)計(jì)洪水成果的采用提供了參考和依據(jù)。同時(shí)也可運(yùn)用現(xiàn)狀工況及規(guī)劃工況的模型模擬結(jié)果，定量對(duì)比分析工程的建設(shè)對(duì)流域澇情的改善，對(duì)河道治理工程類(lèi)項(xiàng)目的實(shí)施有一定的指導(dǎo)意義。目前模型的研究?jī)H對(duì)已發(fā)生的大洪水及設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行模擬，尚未實(shí)現(xiàn)流域內(nèi)實(shí)時(shí)暴雨及洪水的模擬，因此需聯(lián)合水文氣象部門(mén)對(duì)模型進(jìn)一步改進(jìn)和完善。