MIKE模型在城市及流域水文—環(huán)境模擬中的應(yīng)用進(jìn)展

穆 聰，李家科,鄧朝顯，李亞嬌，張 蓓，鄧陳寧

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.陜西省西咸新區(qū)灃西新城開(kāi)發(fā)建設(shè)(集團(tuán))有限公司海綿城市技術(shù)中心，陜西 西安 712000；3.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

1 研究背景

城市化進(jìn)程的加快使不透水下墊面比重不斷增加[1]，洪澇災(zāi)害及面源污染情況加劇，水環(huán)境治理及水資源調(diào)控面臨巨大挑戰(zhàn)。流域和城市作為整體水文循環(huán)單位，同時(shí)也為人類(lèi)提供主要活動(dòng)場(chǎng)所，對(duì)其進(jìn)行水環(huán)境和水生態(tài)保護(hù)具有重要意義。水文-環(huán)境模擬作為重要手段，可為海綿城市規(guī)劃建設(shè)、流域規(guī)劃管理提供決策依據(jù)和有力支撐[2-3]。

丹麥水資源及水環(huán)境研究所(Danish Hydraulic Institute，簡(jiǎn)稱(chēng)DHI)致力于健康與水環(huán)境領(lǐng)域的多項(xiàng)研究，并具有前沿的技術(shù)和相關(guān)軟件。MIKE軟件是DHI多位專(zhuān)家所共同研發(fā)應(yīng)用于與水相關(guān)的工程實(shí)際問(wèn)題模擬軟件。該系列軟件包括MIKE 11、MIKE 21、MIKE FLOOD、MIKE URBAN、MIKE BAISIN、MIKE SHE等，在城市內(nèi)澇和流域水環(huán)境污染模擬等多個(gè)領(lǐng)域都廣泛應(yīng)用。MIKE 11是一維水模擬軟件，其在水質(zhì)、水流和泥沙的輸運(yùn)等問(wèn)題中都有較多應(yīng)用[4]，能夠?yàn)樗こ痰脑O(shè)計(jì)研究與管理等工作提供幫助。MIKE 21模型是二維水模擬軟件，常被用于模擬河流、河口及海洋的泥沙、水流及環(huán)境場(chǎng)，為工程應(yīng)用及規(guī)劃提供所需的設(shè)計(jì)條件和參數(shù)[5]。MIKE URBAN是城市地表產(chǎn)匯流和管網(wǎng)模擬軟件，有全面的供排水管網(wǎng)模型，可以用來(lái)計(jì)算有壓和無(wú)壓管道水流情況。MIKE FLOOD包括完整的一維及二維洪水模擬引擎，基于FLOOD平臺(tái)可以將MIKE 11或MIKE URBAN與MIKE 21三種模型進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)模擬城區(qū)排水在管網(wǎng)中和在地表可能出現(xiàn)的積水處水流情況[6]，及對(duì)洪水，海洋風(fēng)暴和堤壩決口等問(wèn)題的模擬。MIKE BASIN適用于流域或區(qū)域尺度，基于GIS進(jìn)行水資源規(guī)劃和管理的工具軟件，用以解決地表水產(chǎn)匯流及水質(zhì)模擬等問(wèn)題。MIKE SHE能夠模擬水文循環(huán)的許多過(guò)程，常應(yīng)用于流域管理、洪泛區(qū)研究、環(huán)境評(píng)估、地表水和地下水的相互影響等[7]。本文對(duì)MIKE系列模型的原理及應(yīng)用情況進(jìn)行了較為全面的介紹，并提出了其存在的問(wèn)題以及未來(lái)發(fā)展方向。

2 MIKE系列模型基本介紹及原理

DHI公司成立于1964年，在過(guò)去的幾十年里研發(fā)出了MIKE系列模型，如MIKE 11、MIKE 21、MIKE URBAN、MIKE FLOOD、MIKE BASIN、MIKE SHE等。

MIKE系列軟件在業(yè)界具有較高的應(yīng)用率和認(rèn)可度，該軟件可應(yīng)用于眾多水環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)模擬，維度從一維到三維，如城市和流域降雨產(chǎn)流過(guò)程、河流河口模擬等。同時(shí)兼具功能強(qiáng)大、界面友好、模擬計(jì)算快速準(zhǔn)確等特點(diǎn)[8]，本文就一、二維水環(huán)境、城市管網(wǎng)、洪水模擬、流域水資源規(guī)劃管理以及地下水模擬軟件在城市雨洪和流域水環(huán)境中的應(yīng)用進(jìn)行分析研究。

2.1 MIKE 11模型

MIKE 11是一維水動(dòng)力學(xué)模型，是具有水流、水質(zhì)和泥沙等多功能水環(huán)境數(shù)值模擬的模型軟件[9]，以圣維南(Saint-Venant)方程組為理論基礎(chǔ)，可以與DHI開(kāi)發(fā)的其他軟件進(jìn)行交互運(yùn)用[8]。

MIKE 11的主要模塊有水動(dòng)力(HD)模塊、降雨徑流(RR)模塊、非黏性泥沙輸運(yùn)(ST)模塊、對(duì)流擴(kuò)散(AD)模塊、水質(zhì)(ECO Lab)模塊等[10]。MIKE 11不同模塊的研究范圍、功能和基本原理見(jiàn)表1。HD模塊為其他模塊提供計(jì)算基礎(chǔ)，即HD模塊是MIKE 11軟件中最重要的模塊[11]。

HD模塊基于一維Saint-Venant方程，并利用六點(diǎn)中心隱式差分格式(Abbott)進(jìn)行求解，模擬得到各河道斷面、各個(gè)時(shí)刻的水位和流量等水文要素信息[12]。這樣通過(guò)方程組的求解有利于保證模型穩(wěn)定性和計(jì)算精度。MIKE 11可以與GIS文件數(shù)據(jù)交互，并能夠與MIKE SHE、MIKE21、MIKE URBAN進(jìn)行耦合計(jì)算。

2.2 MIKE 21模型

目前以垂線(xiàn)平均水流作為二維水流模型的研究對(duì)象，模擬計(jì)算平面流場(chǎng)的變化情況[5]。在眾多二維數(shù)學(xué)模型中MIKE 21是應(yīng)用較為普遍的模型之一，該模型可用于多種水環(huán)境模擬，為工程應(yīng)用及海岸規(guī)劃提供確切有效的參考[13]。

多年來(lái)，MIKE 21在世界范圍內(nèi)不斷發(fā)展，其在二維數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大功能[14]，可廣泛應(yīng)用于河流、湖泊、河口和海岸水流及泥沙的仿真模擬。二維表面水流模型MIKE 21基于矩形網(wǎng)格，不考慮水的垂向分層[15]。HD模塊是MIKE 21的核心模塊，為環(huán)境模擬和泥沙傳輸提供了水動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[5]，各模塊的應(yīng)用情況見(jiàn)表2。

2.3 MIKE URBAN一維管網(wǎng)模型

基于MOUSE模型界面，MIKE URBAN與GIS用戶(hù)界面做到了完全的整合[16]。MIKE URBAN模型假設(shè)水流沿管道橫斷面沒(méi)有變化(即隱式有限差分法)來(lái)求解一維水流問(wèn)題[17]。MIKE URBAN模型大致分為3個(gè)模擬過(guò)程階段，分別為地表產(chǎn)流過(guò)程、匯流過(guò)程和地表的漫流過(guò)程[18]。連續(xù)方程和動(dòng)量方程是該模塊理論基礎(chǔ)，采用有限差分法進(jìn)行求解，其模擬結(jié)果可以與一維河道及二維地面漫流進(jìn)行耦合，使其能夠準(zhǔn)確模擬城市內(nèi)暴雨的洪水流速及淹沒(méi)情況[19]。

排水系統(tǒng)模型是進(jìn)行城市雨洪管理分析的重要部分，不同的排水系統(tǒng)模型有著不同的特點(diǎn)[20-21]。MIKE URBAN模型是其中一種，其不同于其他許多模型僅在某一方面表現(xiàn)突出，它在模擬城市管網(wǎng)的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)二維地面洪水的演算[22]。

2.4 MIKE FLOOD一、二維耦合模型

MIKE FLOOD模型不能進(jìn)行一、二維的單獨(dú)模擬，須調(diào)用MIKE 11或MIKE URBAN和MIKE 21模塊，利用MIKE FLOOD建立的耦合模型進(jìn)行耦合計(jì)算，該耦合模型不僅可以發(fā)揮出兩個(gè)模塊的優(yōu)勢(shì)，還能夠有效規(guī)避單獨(dú)模擬時(shí)遇到的精度和步長(zhǎng)等方面的問(wèn)題[23]。

MIKE FLOOD與其他模塊進(jìn)行連接的方式有4種，分別為河道排水管網(wǎng)連接、標(biāo)準(zhǔn)連接、管網(wǎng)與地形耦合連接和側(cè)向連接[24]。標(biāo)準(zhǔn)連接是將MIKE 11中的一端與MIKE 21中的一個(gè)或多個(gè)計(jì)算網(wǎng)格單元進(jìn)行鏈接；側(cè)向連接，即河道與二維模型計(jì)算區(qū)域通過(guò)兩岸進(jìn)行水流交換；河道排水管網(wǎng)連接是用來(lái)模擬河網(wǎng)和城市排水系統(tǒng)的相互作用[24]；地形分布與管網(wǎng)布置耦合連接的關(guān)鍵是地表徑流與地下排水系統(tǒng)進(jìn)行交換的問(wèn)題。

表1 MIKE11模型各模塊原理及功能

表2 MIKE21模型各模塊的應(yīng)用

一維水動(dòng)力模型與二維漫流模型在城市雨洪模擬中具有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，而MIKE FLOOD 對(duì)這兩種模型的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了聯(lián)合。其三者功能對(duì)比如表3所示[19]。

表3 主要模型功能對(duì)比表

2.5 MIKE BASIN模型

MIKE BASIN是基于GIS以Arc View 為平臺(tái)研發(fā)的應(yīng)用于流域或區(qū)域尺度的水資源綜合規(guī)劃和管理工具[25]，該模型由NAM(降雨徑流)和 MIKE BASIN(水資源配置)兩個(gè)子模型組成，其中NAM是用于降雨徑流計(jì)算的集總式水文前置模型[26-27]，MIKE BASIN是解決水資源的優(yōu)化配置及水質(zhì)模擬等問(wèn)題的模型[26]。

MIKE BASIN主要根據(jù)水量平衡及不同調(diào)度方式進(jìn)行水資源平衡分析，有大量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示功能，可用于數(shù)據(jù)信息的分析和共享，可以通過(guò)簡(jiǎn)單編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其他運(yùn)算，在時(shí)間步長(zhǎng)和單位設(shè)置方面具有較高靈活性，能夠解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，并加深對(duì)流域水資源問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和理解，幫助管理規(guī)劃人員進(jìn)行不同預(yù)案的分析，尋求合適的水供需平衡的方案。

2.6 MIKE SHE模型

MIKE SHE是由歐洲水文模型(SHE)發(fā)展而來(lái)的能夠模擬陸表和地下水文循環(huán)過(guò)程[28]，是應(yīng)用較多的分布式水文模型之一。該模型模擬了水循環(huán)中大部分的水文過(guò)程以及水量、水質(zhì)和泥沙運(yùn)輸[3]，并且根據(jù)研究目的和數(shù)據(jù)的可得性確定各模塊的空間離散程度或復(fù)雜程度[29]。

MIKE 11、MIKE 21、MIKE URBAN、MIKE FLOOD、MIKE BASIN和MIKE SHE模型原理、研究領(lǐng)域和功能進(jìn)行總結(jié)，見(jiàn)下表4。

3 MIKE模型應(yīng)用進(jìn)展

3.1 MIKE11的應(yīng)用進(jìn)展

MIKE 11在一維水環(huán)境模擬中有著重要應(yīng)用[30]，目前該模型在國(guó)內(nèi)外被廣泛用于各流域管理，包括防洪、水資源保護(hù)、大壩安全評(píng)估、濕地功能量化以及控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[31]，這些為今后的應(yīng)用與發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)，其應(yīng)用情況見(jiàn)表5。

表4 MIKE系列模型對(duì)比

表5 MIKE11模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用模擬

綜合MIKE 11在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況可見(jiàn)：MIKE 11具有多個(gè)模塊，在多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，進(jìn)行一維模擬所需的時(shí)間短，且模擬精度很高；具有豐富多樣的結(jié)果展示方法，易于理解。但MIKE 11模型不能進(jìn)行二維水流模擬；且難以進(jìn)行不確定流的模擬；同樣海洋水環(huán)境模擬也較為困難；因?yàn)闂l件限制，對(duì)于水流參數(shù)要做很多的概化性工作[35]。

3.2 MIKE21的應(yīng)用進(jìn)展

MIKE 21將使用界面與計(jì)算引擎相結(jié)合，近30年在全球范圍內(nèi)已是很多專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員不可或缺的使用工具，在國(guó)內(nèi)外工程中得到眾多實(shí)際應(yīng)用[5]，見(jiàn)表6。

綜合MIKE 21的實(shí)際應(yīng)用可見(jiàn)：MIKE 21模型在網(wǎng)格劃分上有著高于MIKE11的計(jì)算精度；MIKE 21具有較為穩(wěn)定的算法，從而很好的進(jìn)行水流的演進(jìn)、退水的全過(guò)程模擬；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于漫堤的模擬[42-43]。不足之處有：對(duì)數(shù)據(jù)有較高的要求，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)前處理，且所需時(shí)間較長(zhǎng)；對(duì)于支流和河道，若進(jìn)行較小尺度區(qū)域的模擬，則需要具有詳細(xì)具體的網(wǎng)格[35]。

3.3 MIKE URBAN的應(yīng)用進(jìn)展

近些年來(lái)城市內(nèi)澇頻發(fā)，制定有效的規(guī)劃方案已經(jīng)勢(shì)在必行，在發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用MIKE URBAN進(jìn)行城市排水管網(wǎng)模擬評(píng)估已經(jīng)較為普遍[44]，同樣也適用于模擬數(shù)據(jù)資料相對(duì)不足的發(fā)展中國(guó)家[45-46]，目前國(guó)內(nèi)也獲得了越來(lái)越多的運(yùn)用，見(jiàn)表7。

MIKE URBAN 技術(shù)綜合程度較高，模型的建立與運(yùn)行具有準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，一方面能夠?qū)Τ鞘泄芫W(wǎng)水流情況進(jìn)行模擬，另一方面可進(jìn)行二維洪水的演示[22]。但在水質(zhì)模擬中不如進(jìn)行水流模擬時(shí)細(xì)致，在水源的選取上存在限制，因而其局限性強(qiáng)且存在無(wú)縫集成方面的不足，不易得到單一水流間的運(yùn)行過(guò)程[16]。

3.4 MIKE FLOOD的應(yīng)用進(jìn)展

MIKE FLOOD不能夠單獨(dú)進(jìn)行模擬，在進(jìn)行模擬時(shí)需要與其他軟件組合來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬效果，且在進(jìn)行二維耦合模擬時(shí)所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其結(jié)果可以將所耦合的一維、二維模型的計(jì)算結(jié)果分別進(jìn)行保存。MIKE FLOOD與MIKE 11、MIKE 21和MIKE URBAN等的耦合運(yùn)用實(shí)例見(jiàn)表8。

3.5 MIKE BASIN的應(yīng)用進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)已運(yùn)用MIKE BASIN軟件成功解決了多個(gè)項(xiàng)目的水資源配置問(wèn)題，其在實(shí)際工程中的應(yīng)用見(jiàn)表9。

表6 MIKE21模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用模擬

表7 MIKEURBAN模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用模擬

表8 MIKE系列模型的耦合應(yīng)用模擬

表9 MIKEBASIN模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用模擬

MIKE BASIN進(jìn)行復(fù)雜水庫(kù)水資源配置計(jì)算時(shí)，如果沒(méi)有對(duì)模型進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，無(wú)法考慮水庫(kù)群間補(bǔ)償調(diào)節(jié)及互相錯(cuò)峰的作用，因此計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生偏差[56]，雖然MIKE BASIN設(shè)有VB接口，但使用者一般難以完成[58]。故該軟件大多是用于單一水庫(kù)或單純的串并聯(lián)水庫(kù)計(jì)算上。

3.6 MIKE SHE的應(yīng)用進(jìn)展

MIKE SHE模型可應(yīng)用于多種水文環(huán)境模擬，具有靈活性、通用性高和操作簡(jiǎn)單的特性及優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用見(jiàn)表10。

表10 MIKESHE模型在實(shí)際工程中的應(yīng)用模擬

MIKE SHE已經(jīng)有了成熟的理論研究并仍在繼續(xù)改進(jìn)和完善，但由于對(duì)計(jì)算精度和資料條件有很高要求，故在實(shí)際問(wèn)題應(yīng)用中也存在較多的局限，測(cè)量技術(shù)和資料具備程度與模擬條件之間的差距問(wèn)題，在日后研究中還需要再做改進(jìn)[7]。

4 結(jié)論與展望

MIKE模型發(fā)展至今已經(jīng)是較為成熟的模型，并在城市及流域水資源、水環(huán)境、水生態(tài)及水安全等研究方面有成功應(yīng)用，在實(shí)際工程的應(yīng)用中有相對(duì)成熟的經(jīng)驗(yàn)可供參考借鑒。但在模型運(yùn)用過(guò)程中也存在局限性，有諸多方面需進(jìn)一步優(yōu)化：(1)MIKE模型在我國(guó)的應(yīng)用和研究起步較晚，且模擬應(yīng)用較多，研究開(kāi)發(fā)較少。因此借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模型研發(fā)是目前國(guó)內(nèi)的一個(gè)重點(diǎn)工作；(2)MIKE模型常需要結(jié)合GIS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的前期處理，但其模型自身并不具備此功能，只是將GIS作為分析處理工具，因此將GIS內(nèi)嵌到MIKE模型之中將是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)；(3)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比較缺乏，因此對(duì)參數(shù)的地域適用性還需深入探討，獲取針對(duì)我國(guó)具體情況的實(shí)測(cè)參數(shù)，使參數(shù)得到優(yōu)化，從而推進(jìn)MIKE模型在我國(guó)的應(yīng)用；(4)我國(guó)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料不夠完善，而使用MIKE模型進(jìn)行區(qū)域模擬時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)資料的要求較高，因此無(wú)充足資料或無(wú)資料地區(qū)數(shù)值模擬的研發(fā)是模型進(jìn)一步發(fā)展的方向。