基于MIKE11的山丘區小流域洪水演進模擬與分析

劉 晗，王 坤，候云寒，徐征和，于 瀟，張珊珊

(1. 濟南大學 水利與環境學院，山東 濟南 250022；2. 山東省濟南市章丘黃河河務局，山東 濟南 250200；3. 山東省高唐縣水務局，山東 聊城 252800)

0 引 言

近年來，受極端天氣的影響，洪水災害在世界各地發生的消息屢見不鮮。其波及范圍之廣，使之成為備受各國政府以及科研人員關注的焦點。為了提高城市應對暴雨洪澇災害的能力，國內外關于城市暴雨洪澇災害的研究逐漸從關注災害成因機理和災情數理統計方法轉向注重災情實時動態變化、高精度的基于情景模擬的分析方法[2]。

山丘區小流域洪水具有與江河洪水顯著不同的特性,在洪水風險分析、監測預警等技術方面也存在顯著不同[3],因此,加強山區小流域洪水風險管理及相關技術研究,對于提高我國山區小流域洪水風險管理水平、切實減輕山洪災害造成的人員傷亡和經濟損失，具有十分重要的現實意義。MIKE 11模型是一款比較成熟的模型，通過耦合降雨徑流模塊和水動力模塊實現徑流模擬，廣泛應用于防洪、水資源保護及水利工程設計管理等方面[4]。本研究基于外業測量數據及內業搜集到的資料，利用MIKE11模擬軟件建立了研究區數學模型，其中主要包括NAM坡面降雨徑流模型和HD水動力模型，同時，將兩者進行耦合，并對其中的參數進行了率定和驗證，形成一維河道洪水演進模型，對不同計算方案下的洪水淹沒過程進行了模擬。

1 研究區概況

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

主要對濟南市歷城區柳埠鎮鎮駐地以上3個小流域進行詳細研究，所在河流為錦陽川部分河段，即包括部分長峪(干流)之水、桃科之水以及亓城之水，以下分別稱之為干流、桃科河以及亓城河，小流域名稱與之對應。干流研究范圍為源頭至柳埠鎮柳埠中村下游斷面處，河流長度為18.57 km，流域面積為53.42 km2；桃科河全長10.7 km，流域面積為44.94 km2；亓城河溝道長度為8.72 km，流域面積為22.03 km2。

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

2 產匯流模型的構建

2.1 NAM模型構建

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，是一個集中式、概念模型，主要用于模擬自然流域內的降雨徑流過程[6]。在NAM模塊中，通過植物土壤根區儲水層、地表儲水層等4個相互影響的儲水層的水量模擬產匯流過程[7]。NAM模型的建立包括以下幾步：流域信息屬性頁，NAM模型屬性頁，時間序列文件頁。

(1)流域信息屬性頁。流域信息屬性頁主要是對研究區所涉及流域的信息特征進行定義以及展示。分為流域定義和流域列表兩個區域。為研究方便，將研究區劃分為3個流域，流域面積如圖2所示。并從歷城區山洪災害調查評價數據采集終端提取各流域信息特征，如表1所示。

圖2 研究區流域面積示意圖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。NAM模型屬性頁是對模型涉及的所有參數進行設置的頁面。主要包括地表-根區參數頁、地下水參數頁、融雪參數頁、灌溉參數頁、初始條件參數頁以及自動率定參數頁。其中，融雪和灌溉參數頁為可選選項，由于模擬過程中沒有考慮，因此不需要設置。參照研究區自然概況及相關文獻，各參數頁所需設置的主要參數如表2所示。

2.2 HD模型的建立

MIKE11 HD模塊建模時需要4個文件，包括：河網文件、斷面文件、邊界文件以及HD參數文件[8]，模型結構圖如圖3所示。

(1)河網文件。河網概化的原則是能基本反映天然河網的水力特性，即概化后河網輸水能力和調蓄能力與實際河網相近或基本一致[9]。山丘區小流域天然河道結構較復雜，為減少工作量和提高模型效率，往往需要對河網進行合理概化。在河網文件建立時，通過搜集到的歷城區數字線劃圖(DLG)和數字正射影像圖(DOM)，對河網各溝道位置及其之間的水力聯系進行繪制和設置。模型中河網文件如圖4所示。

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

圖3 HD模型結構圖Fig.3 Structure diagram of HD model

圖4 研究區河網文件Fig.4 River network file of the study area

(2)斷面文件。斷面數據來源于歷城區山洪災害調查項目中的實測斷面數據，為滿足模型精度以及運行穩定性要求，在研究區共設置了48處斷面，其中干流設置了18處，桃科河設置22處，亓城河設置了8處。本文在各流域分別選取一個典型村對斷面特征進行展示，如圖5所示。

圖5 各流域典型斷面剖面圖及照片Fig.5 Typical sections and photos of each basin

(3)邊界文件。MIKE11 HD中邊界條件設置包括內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置為流量邊界，下游設置為流量水位關系邊界[10]。由于研究區內沒有水文監測站點，缺乏流量時間序列文件，因此設置流量邊界數據類型為定流量邊界。并且由于各上游邊界均位于河流的源頭，無其他小支流匯入，故研究將各流量邊界數值設置為0。

(4)參數文件。HD參數文件包含眾多屬性頁，常見的需要設置的屬性頁主要有兩項：初始條件屬性頁和河床糙率屬性頁。據實踐經驗，本研究初始流量設置為0，初始水深根據汛期河道內平均水深，設為0.5 m。河床糙率是HD模型所要率定的參數，研究區糙率根據外業調查情況，參照天然河道典型類型和特征情況下的糙率，參考《水工建筑物與堰槽測流規范》(SL537-2011)以及水利電力部東北勘測設計院《洪水調查》成果中有關天然糙率的取值。

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過程，從而為河道洪水演進模擬提供模型基礎，MIKE11可以實現降雨徑流(NAM)模型和水動力模型(HD)的耦合[11]。在河網文件的列表視窗(Tabular)下的Runoff/groundwater中點擊添加一個Rainfall-Runoff link，并在右側添加流域的信息以及與HD連接的河流名稱和位置，可定義連接的河道上下游的里程點。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力模型的河網中，并在Mike11界面勾選帶入RR模塊進行模擬計算。

流域的產匯流可以以點源和線源兩種方式匯入到河網中，可以通過設置所連接河道得上下游里程數來控制，若上下游里程數一樣，說明產匯流以點源的形式匯入河網，反之，以線源的形式匯入河網。本研究中涉及的三個小流域均以線源的形式匯入河網，具體的設置情況如表3所示。

表3 NAM與HD耦合設置Tab.3 NAM and HD coupling Settings

3 模型的率定及驗證

3.1 率定方法

本文在進行參數率定時主要利用模型自動率定功能結合人工微調的方式。根據搜集到的柳埠和窩鋪兩個雨量站1976年以來的汛期降雨資料，選取柳埠鎮受山洪災害影響較為嚴重的19940629場、20000809場、20130723場3個暴雨場次資料轉化為時間序列，用于模型參數的率定。受區域實測資料限制，流域缺乏徑流系列資料，因此，對于流域出口流量過程線的獲得，利用水文計算公式法推求，其中，各流域產流和匯流過程分別利用降雨-徑流相關法和單位線法計算。

3.2 率定結果及分析

利用上述參數率定方法，將19940629、20000809、20130723三場洪水場次的暴雨資料作為模型的輸入，并以推求所得的與各場暴雨相對應的洪水過程線作為實測資料運用到模型的輸出，經過模型自動率定以及人工反復調整，使得模型模擬結果與流域出口流量過程實現吻合。各小流域洪水模擬值與實測值對比結果(19940629場次)如圖6-8所示。各主要參數最終取值如表4和5所示。

在湖北省實行夏制，抽穗揚花期安排在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場次洪水NAM模擬結果圖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場次洪水NAM模擬結果圖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場次洪水NAM模擬結果圖Fig.8 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the Tao Ke river

研究選用洪峰相對誤差REp、洪量相對誤差REv、峰現時差ΔT、擬合系數R2四個指標對模型模擬精度進行評價。其中REp、REv、ΔT的絕對值越小表示模擬結果越好，洪峰相對誤差REp、洪量相對誤差REv的許可誤差為 20.0%，峰現時差的許可誤差為 3 h[12]；R2值越趨近于1，表示模擬結果越好。場次洪水率定結果及誤差分析如表6所示。

表4 各流域NAM參數取值表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模型率定結果及誤差分析Tab.6 calibration results and error analysis of NAM model

由表6可知，三場暴雨作用下流域產匯流模擬過程中，3個小流域內模擬洪峰及洪量均比實測情況偏小，但兩者相差不大，相對誤差也較小，基本控制在10%以內。干流小流域與桃科小流域模擬流量及洪量過程線與實測情況吻合較好，峰現時間稍有滯后，但在允許誤差范圍以內。亓城河小流域模擬結果較其他兩個小流域稍差，洪水滯后時間稍長，但各流域擬合系數基本在0.8以上，總體模擬結果較好，滿足精度要求。

3.3 模型驗證

為提高模型精度，同時也為檢驗各模型參數的合理性，本文采用《歷城區山洪災害預警指標檢驗與復核》項目中對20160722場次洪水河道洪痕現場調查及測量的結果來驗證耦合模型的模擬精度。河道具體測量成果如表7所示，各典型村模擬結果與實測數據對比圖如圖9-11所示，驗證結果如表8所示。

表7 河道測量成果Tab.7 river survey results

圖9 干流小流域模擬和實測水位的對比圖—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測水位的對比圖—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測水位的對比圖—亓城村河道Fig.11 Comparison of simulated and measured water level in the small watershed of Qi Cheng river

由小流域模擬和實測水位對比圖以及耦合模型模擬驗證結果可以看出，各小流域河道模擬最高洪水位從上游到下游變化趨勢與河道縱斷面下降趨勢相符，模擬水面線形態及高程與實際測量情況相似，且模擬最高洪水位與實測水位相差不大，因此，認為耦合模型滿足驗證精度，模型整體模擬效果可信[13]。

表8 耦合模型模擬驗證結果 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過程的模擬提供了模型基礎，為了預測不同量級洪水對小流域的影響，研究通過對洪水來源、洪水量級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算方案，如表9所示。通過設置相應的時間序列文件以及各河段不同的上、下邊界條件，利用MIKE11水文-水動力耦合模型進行不同計算方案下的河道沿程洪水演進模擬，并完成了相應運行結果的分析，從而為小流域防洪評價提供理論依據和數據支撐。

表9 洪水模擬方案設計Tab.9 flood simulation scheme design

(1)不同河段沿程100 a一遇洪水量級模擬水面線動態結果如圖12-14所示。由模擬結果可知，干流及各支流100 a一遇量級洪水淹沒水面線形態隨河道地形變化下降，無明顯忽高忽低等不合理現象，符合河道洪水演進規律。研究對不同量級洪水模擬結果也進行了對比分析，可知洪水淹沒水面線隨洪水量級的增大而逐漸升高，但漲幅動態變化不明顯，因此，其他量級洪水淹沒水面線動態圖不再進行逐個展示。

圖12 干流100 a一遇洪水量級模擬水面線圖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)不同計算方案各流域典型村洪峰流量及最高洪水位計算結果如表10所示。由表11可知，隨著洪水量級的增大，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)不同計算方案下各流域典型村淹沒水深如表11所示。由表11可知，隨洪水量級的增大，各斷面淹沒水深逐漸升高，部分河段淹沒水深達4.5 m以上。干流及各支流淹沒水深從上游至下游沒有呈現明顯規律，這與山丘區地形起伏較大以及河道斷面的自然形態有關。

5 結 論

研究利用MIKE11模型軟件構建了流域產匯流模型以及河道水動力模型，同時將兩者耦合形成一維河道沿程洪水演進模型。利用耦合模型對5種不同計算方案下的洪水演進過程進行了模擬，得出了不同量級洪水淹沒水面線動態結果、各斷面洪峰流量及淹沒水位結果和各斷面淹沒水深結果。主要完成的工作及結論如下：

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

(1)利用MIKE11水動力模塊(HD)構建研究區河道內水動力模型，并且與降雨徑流模塊(NAM)耦合，實現了流域產匯流過程及河道內洪水演進過程的耦合，經過參數的率定，最終確定模型中各主要參數的取值。同時由模型的率定及驗證結果可知，模型整體模擬效果可信。模型在模擬缺乏資料的山丘區小流域的降雨洪水過程中具有良好的適用性，而且可應用于實際山丘區小流域的預警指標的計算分析中。

(2)由模型模擬結果可知：干流及支流各量級洪水淹沒水面線形態隨河道地形變化下降，無明顯忽高忽低等不合理現象。隨著洪水量級的增大，各斷面最高洪水位隨之升高，洪峰流量也逐漸增大。各斷面淹沒水深隨洪水量級的增大逐漸升高。以上結論均符合河道洪水演進規律，可為該地區防洪評價及預警工作提供一定的數據支撐和參考依據。