MIKE模型在國(guó)內(nèi)洪水模擬中的應(yīng)用研究進(jìn)展

尚建杰，楊 光

(1.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.河北省大氣污染成因與影響重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038)

引 言

洪水作為典型的自然事件，與人類生存發(fā)展息息相關(guān)。城市內(nèi)澇、潰壩洪水等給人類生命和財(cái)產(chǎn)安全造成不可估計(jì)的損失[1]。但洪水同時(shí)也是河漫灘濕地等自然生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的水源補(bǔ)給，河漫灘地區(qū)依靠洪水周期性沖刷保持生態(tài)系統(tǒng)健康，維持生物棲息地、水源調(diào)度、防洪等生態(tài)服務(wù)功能[2]。因此人們一直在積極探索研究洪水的有效方法。學(xué)者建立物理模型和數(shù)學(xué)模型模擬水流運(yùn)動(dòng)來(lái)研究洪水，相比周期長(zhǎng)、成本高的物理模型，擁有易操作、造價(jià)低、精度高等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型在不斷發(fā)展中逐漸成為主要研究工具[3]。

數(shù)學(xué)模型通過(guò)求解數(shù)學(xué)公式來(lái)描述分析水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程。1871年圣維南方程的建立奠定洪水?dāng)?shù)值計(jì)算的理論基礎(chǔ)，之后淺水波方程的提出進(jìn)一步發(fā)展相關(guān)理論[4]。20世紀(jì)60年代隨計(jì)算機(jī)發(fā)明和信息技術(shù)發(fā)展，這些理論被再次重視并逐漸實(shí)用到水利工程中[5]。近年來(lái)被相關(guān)研究者使用較多的洪水模擬模型有Delft-3D[6-7]、HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center River Analysis System)[8-9]、MIKE[10～12]、SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)[13-14]等，模型各有優(yōu)劣，主要對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 洪水模擬數(shù)學(xué)模型對(duì)比Tab.1 Comparison of flood simulation mathematical models

MIKE模型具備功能強(qiáng)大、界面友好、計(jì)算精度高、網(wǎng)格靈活等優(yōu)點(diǎn)，模擬范圍覆蓋一維、二維和三維。MIKE模型自帶的操作平臺(tái)MIKE Zero可以給各模型提供處理工具，十分方便[15]。自開(kāi)發(fā)以來(lái)被廣泛運(yùn)用于河口模擬[16]、流域降雨[17]、城市內(nèi)澇[18]、洪水演進(jìn)[19]等諸多領(lǐng)域。隨著MIKE模型在洪水相關(guān)水利工程中普及，文獻(xiàn)分析逐漸增多。此前已有學(xué)者對(duì)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析模型進(jìn)行綜述[20]，也有MIKE模型應(yīng)用研究進(jìn)展的文章出現(xiàn)[21]，但缺少M(fèi)IKE模型在洪水模擬應(yīng)用方面的總結(jié)和深入分析。因此本文總結(jié)MIKE模型主要模塊和使用范圍，重點(diǎn)探討MIKE模型在國(guó)內(nèi)洪水模擬上的應(yīng)用進(jìn)展和研究趨勢(shì)，借助可視化軟件分析研究熱點(diǎn)。最后探討目前我國(guó)在洪水模擬數(shù)學(xué)模型應(yīng)用領(lǐng)域存在的不足，基于此對(duì)未來(lái)MIKE模型模擬洪水提出展望，為應(yīng)用數(shù)值模型模擬洪水提供參考。

1 MIKE模型基本介紹

MIKE模型是丹麥水資源及水環(huán)境研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研發(fā)的水工程模擬應(yīng)用軟件，用于模擬計(jì)算水相關(guān)實(shí)例問(wèn)題。MIKE系列模型主要有一維模型MIKE11[22]、二維模型MIKE21[23-24]、耦合模型MIKE FLOOD[25-26]、三維模型MIKE3[27-28]、流域管理模型MIKE BASIN[29-30]、城市給排水管網(wǎng)MIKE URBAN[31-32]、污水處理模型WEST[33]、海岸線動(dòng)力模型LITPACK[34]、水文水質(zhì)模型MIKE SHE[35-36]等。模型對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 MIKE系列主要模型對(duì)比Tab.2 Comparison of main models of MIKE series

續(xù)表2

其中用于洪水模擬的模型主要是MIKE11、MIKE21和MIKE FLOOD。在平坦地區(qū)MIKE11可以進(jìn)行地形簡(jiǎn)單的河道洪水影響分析[37]。而河道之外的河漫灘地區(qū)水流運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，可采用二維水動(dòng)力模型MIKE21模擬洪水過(guò)程[38]。MIKE FLOOD通過(guò)耦合一維二維模型，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，使得水流交換更加精確，計(jì)算效率也更高[39]。

MIKE模型自開(kāi)發(fā)以來(lái)被多個(gè)國(guó)家應(yīng)用，精確度和合理性也得到諸多實(shí)例驗(yàn)證，表明其在洪水模擬上的優(yōu)越性[40～42]。下面以我國(guó)為例，論述MIKE模型在洪水模擬上的應(yīng)用研究進(jìn)展。

2 MIKE在我國(guó)洪水模擬上的應(yīng)用研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)對(duì)MIKE模型模擬洪水研究相對(duì)國(guó)外起步較晚，二十世紀(jì)后期被引入到國(guó)內(nèi)。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和探索，MIKE模型在洪水模擬這一領(lǐng)域已積累不少成功經(jīng)驗(yàn)。綜述前人研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)應(yīng)用研究大部分集中在洪水風(fēng)險(xiǎn)分析、水量調(diào)度設(shè)計(jì)以及生態(tài)影響評(píng)價(jià)這三個(gè)方面，下面對(duì)這些應(yīng)用研究進(jìn)行梳理總結(jié)。

2.1 洪水風(fēng)險(xiǎn)分析

MIKE模型可以結(jié)合地形地貌模擬洪水淹沒(méi)情況，通過(guò)分析模擬所得的洪水危險(xiǎn)性因子為洪水風(fēng)險(xiǎn)分析工作提供科學(xué)支持。2013～2016年，全國(guó)重點(diǎn)地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制項(xiàng)目軟件名錄將MIKE系列軟件列入其中[43]，MIKE模型應(yīng)用研究增多。郭鳳清等[44]在MIKE21平臺(tái)建立潖江蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)模型，模擬100年、300年一遇洪水演進(jìn)過(guò)程，統(tǒng)計(jì)分析淹沒(méi)因子預(yù)測(cè)該地區(qū)洪水危險(xiǎn)性；葉愛(ài)民等[45]以全國(guó)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制試點(diǎn)項(xiàng)目為依托，利用MIKE11、MIKE21在浙江嘉興模擬河道水位和洪水演進(jìn)，同時(shí)利用MIKE FLOOD模擬不同設(shè)計(jì)暴雨情況下潰堤洪水演進(jìn)過(guò)程，分析淹沒(méi)狀況繼而繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；陳平等[46]基于MIKE21模擬大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區(qū)50年一遇洪水演進(jìn)并繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。隨著洪水風(fēng)險(xiǎn)分析不斷深入，部分學(xué)者開(kāi)始探索洪水風(fēng)險(xiǎn)影響因素。姚斯洋等[47]考慮降水差異，利用MIKE FLOOD耦合MIKE11、MIKE21構(gòu)建基于干、支流不同頻率暴雨組合下洪水淹沒(méi)水動(dòng)力模型，多樣性反映洪水漫堤情景；和宛琳等[48]考慮風(fēng)潮影響，基于MIKE21在萬(wàn)泉河河口模擬洪澇風(fēng)潮共同作用下洪水演進(jìn)過(guò)程和淹沒(méi)特征并分析淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)。

MIKE模型可以較精確地模擬洪水演進(jìn)過(guò)程，通過(guò)分析洪水流量、淹沒(méi)范圍、水位、歷時(shí)等洪水危險(xiǎn)性分子，給洪水風(fēng)險(xiǎn)分析提供科學(xué)有效的技術(shù)支持。盡管如此，由于MIKE模型對(duì)地形數(shù)據(jù)要求較高，數(shù)據(jù)來(lái)源不全面時(shí)模擬精度可能會(huì)受到影響[49]。

2.2 水量調(diào)度設(shè)計(jì)

水資源日益短缺背景下，防洪不再是單一目標(biāo)，科學(xué)規(guī)劃防洪排洪工作、管理利用洪水資源成為當(dāng)今工作要點(diǎn)，應(yīng)用MIKE模擬比對(duì)洪水方案可以為水庫(kù)和河道聯(lián)合調(diào)度方案提供技術(shù)支撐。劉兆坤等[50]探索水庫(kù)調(diào)度和潮位等因素影響，將不同入流量、潮位和糙率等工況組合，在碧流河水庫(kù)下游流域運(yùn)用MIKE21模擬分析20年一遇洪水情況下淹沒(méi)區(qū)的淹沒(méi)情況和經(jīng)濟(jì)損失；李玲玲等[51]將現(xiàn)狀和規(guī)劃、20年一遇和50年一遇洪水及防浪墻是否存在三種工況組合，在盛莊洼蓄滯洪區(qū)構(gòu)建MIKE21模擬洪水淹沒(méi)過(guò)程，提出在現(xiàn)狀防洪工程上適當(dāng)擴(kuò)建排洪工程減少蓄滯洪區(qū)淹沒(méi)歷時(shí)的建議。河道上設(shè)多級(jí)閘壩在調(diào)節(jié)流域水資源平衡的同時(shí)也改變河流自然連通性。張世鑫等[52]探索多閘壩聯(lián)合調(diào)度方法，建立MIKE11模型模擬蒲河棋盤(pán)山水庫(kù)到團(tuán)結(jié)大閘段河道流量演進(jìn)和傳播規(guī)律。結(jié)果表明流量衰減與河道特性、河道兩岸植被相關(guān)，流量衰減率不同進(jìn)而影響流量演進(jìn)過(guò)程。

分析不同情景下洪水淹沒(méi)情況，可以給水量調(diào)度提供最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)以最小水資源消耗達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

2.3 生態(tài)效益研究

生態(tài)文明建設(shè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲覈?guó)建設(shè)工作重心，研究表明防洪工程及涉河生態(tài)項(xiàng)目建設(shè)均會(huì)對(duì)生態(tài)造成一定影響[53]，因此洪水的生態(tài)效益也逐漸受到重視。相關(guān)研究主要集中于兩個(gè)方向。一是研究洪水過(guò)程對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)影響作用。余曉等[54]通過(guò)MIKE11模擬額爾古納河2000～2009年洪水淹沒(méi)范圍，分析植被和洪水淹沒(méi)面積的關(guān)系發(fā)現(xiàn)洪水是影響植被生長(zhǎng)的主要因素之一，適當(dāng)?shù)暮樗疀_刷對(duì)河道灘區(qū)植被生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。二是探索與洪水過(guò)程相適應(yīng)的河流生態(tài)廊道，從而有效發(fā)揮洪水生態(tài)效益。生態(tài)廊道是生態(tài)文明建設(shè)的重要組成部分，河流廊道水生態(tài)修復(fù)工作被重視[55]。洪水脈沖影響河流生態(tài)廊道寬度，研究洪水過(guò)程是確定河流生態(tài)廊道寬度的重要手段。韓琪等[56]以永定河泛區(qū)廊坊段為例，利用MIKE21模擬分析不同工況下廊道演變趨勢(shì)，分析各截面處河道形態(tài)和水深確定河流生態(tài)廊道動(dòng)態(tài)寬度范圍，為該河段河流生態(tài)廊道寬度范圍界定提供實(shí)用方法。

3 研究趨勢(shì)

3.1 MIKE模型洪水模擬研究趨勢(shì)

MIKE模型基于工程應(yīng)用不斷發(fā)展，在洪水模擬領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例諸多，具有很好的應(yīng)用前景，且研究具有明顯變化趨勢(shì)。在模擬范圍方面，MIKE模型模擬洪水整體上顯示為從河道內(nèi)到河道外的趨勢(shì)。初期只關(guān)注河道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)，模擬分析河道內(nèi)淹沒(méi)水位等要素，之后潰壩、漫堤洪水研究增多。隨著生態(tài)文明建設(shè)及濕地水動(dòng)力學(xué)發(fā)展，漫灘洪水的生態(tài)效益逐漸引起學(xué)者關(guān)注，部分研究逐漸從河道行洪轉(zhuǎn)向?yàn)﹨^(qū)行洪。

在模擬模型方面逐漸從單一模型轉(zhuǎn)變?yōu)轳詈夏Ｐ汀IKE11具有高精度和穩(wěn)定性，但只能模擬簡(jiǎn)單地形；MIKE21可以模擬復(fù)雜地形，但速度慢；耦合模型MIKE FLOOD結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，在連接處交換水量，提升計(jì)算速度，逐漸成為主要手段。

3.2 MIKE洪水模擬研究前沿分析

為進(jìn)一步探究MIKE模型在洪水模擬研究的前沿領(lǐng)域，借助可視化分析軟件Citespace進(jìn)行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析。在Web of science(Wos)上以“MIKE &FLOOD”為主題詞檢索，文獻(xiàn)來(lái)源選擇核心合集，文獻(xiàn)類型選擇“Article”，時(shí)間范圍為1990.01.01～2022.9.26，共檢索到229篇文獻(xiàn)。在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)上以“MIKE”和“洪水”為主題詞，檢索到426篇期刊文獻(xiàn)。時(shí)間切片選擇2年，節(jié)點(diǎn)類型選擇Keyword，其余參數(shù)默認(rèn)。分別導(dǎo)入軟件運(yùn)行，得到國(guó)外變化頻次最高的15個(gè)和國(guó)內(nèi)變化頻次最高的25個(gè)突現(xiàn)詞，整理結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 15個(gè)突發(fā)權(quán)重最高的最新突發(fā)詞(Wos)Tab.3 The 15 latest burst words with the highest burst weight (Wos)

表4 25個(gè)突發(fā)權(quán)重最高的最新突發(fā)詞(CNKI)Tab.4 The 25 latest burst words with the highest burst weight(CNKI)

觀察表3、表4的關(guān)鍵詞突現(xiàn)權(quán)重，綜合來(lái)看淹沒(méi)的權(quán)重最高，表明洪水淹沒(méi)是洪水模擬的關(guān)鍵要素。MIKE通過(guò)模擬洪水的淹沒(méi)情況，包括淹沒(méi)歷時(shí)、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)范圍等獲得洪水的各要素。由表3可見(jiàn)，國(guó)外的洪水管理在21世紀(jì)初就已經(jīng)起步，關(guān)于洪水淹沒(méi)的研究從2009年開(kāi)始，一直持續(xù)到2017年突現(xiàn)期結(jié)束后被迭代。之后隨著氣候變化，關(guān)于洪水風(fēng)險(xiǎn)的分析開(kāi)始突現(xiàn)并仍在持續(xù)。表4可見(jiàn)國(guó)內(nèi)采用MIKE進(jìn)行洪水模擬的研究在21世紀(jì)初起步。洪澇災(zāi)害頻發(fā)使得人身安全和財(cái)產(chǎn)受到威脅，因此城市內(nèi)澇和雨洪管理及洪水風(fēng)險(xiǎn)的研究持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間。隨著國(guó)家防洪策略轉(zhuǎn)變，洪水分析在2016年再次成為研究熱點(diǎn)，采用MIKE21模擬洪水演進(jìn)為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作提供技術(shù)支撐的研究增多。2020年耦合模型開(kāi)始保持強(qiáng)勢(shì)，并在未來(lái)一段時(shí)間在洪水模擬領(lǐng)域施加影響力，這表明之后耦合模型將會(huì)是模型模擬洪水研究的前沿領(lǐng)域。

4 不足與展望

MIKE模型在洪水模擬應(yīng)用方面已有諸多研究，但目前仍存在一定探索空間，主要有：

(1)參數(shù)確定方法有待改進(jìn)。模型運(yùn)行所需參數(shù)沒(méi)有普遍適用性，我國(guó)在應(yīng)用MIKE模型模擬洪水時(shí)，缺乏結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)的改進(jìn)。今后的研究可以結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)及實(shí)測(cè)地形對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，以提高模型模擬精度和應(yīng)用范圍。

(2)數(shù)據(jù)精度有待提高。地形數(shù)據(jù)精度對(duì)洪水淹沒(méi)深度和預(yù)測(cè)有較大影響，目前基礎(chǔ)數(shù)據(jù)大多存在地形數(shù)據(jù)精度較低問(wèn)題。采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取高精度地形信息是提升模擬精度的可靠辦法，然而由于無(wú)人機(jī)技術(shù)成本較高，且地形復(fù)雜地區(qū)實(shí)測(cè)困難，因此基于實(shí)測(cè)高精度地形的洪水模擬有待進(jìn)一步研究。

(3)數(shù)據(jù)來(lái)源有限。MIKE模型模擬洪水時(shí)需地形圖、水文監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)支撐，而我國(guó)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)目前尚不完整，數(shù)據(jù)獲取途徑有限，需加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享。

(4)耦合模型求解。如何在計(jì)算模塊中加入反映產(chǎn)匯流的源項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)匯流、河道洪水、漫灘洪水等之間數(shù)據(jù)交換，更有效地計(jì)算洪水淹沒(méi)情況也是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。