基于MIKE耦合模型的平原區流域洪澇過程模擬

趙華青，周 璐，趙然杭，李占華，齊 真

（1.山東大學土建與水利學院，濟南 250061；2.北京水務咨詢有限公司，北京 100038；3.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，濟南 250000）

0 引 言

我國平原流域多屬于溫帶季風區，汛期降雨強度較大，加之河流比降較低，過流能力有限，常因行洪不暢，引發洪澇災害，容易造成嚴重的財產損失甚至人員傷亡，對一、二產業及生態環境造成了難以計量的損失［1］。洪澇災害防治是目前我國水利建設的薄弱環節之一，需同時采用洪澇災害防治工程措施與非工程措施，減少災害損失［2］。其中，基于水文模型的洪澇過程模擬的預報預警，是洪澇災害防治重要非工程措施之一。因此，實現平原區流域洪澇過程的精準模擬，對于防洪減災和洪水管理十分必要。

水文模型是以水文學、流體力學及水動力學等理論為基礎，依托數學及物理模型，模擬洪水過程。國內外水文模擬大部分使用概念模型與集總模型［3］，分布式水文模型因考慮了氣象及下墊面的空間分布，相較于概念模型及集總式模型，能更精確地模擬流域水文變化及分布過程［4］，從而能更好地分析流域洪澇災害分布情況。在我國應用較為廣泛的具有代表性的分布式水文模型主要有SWAT 模型、VIC 模型、SHE 模型等，其中丹麥水利科學研究所研制的MIKE SHE 模型以標準化網格為輸入單元，多模塊耦合的方式來表達水文循環過程［5］，在模擬坡面洪水流速、水深等方面具有顯著優勢。

暴雨導致的超出流域承載力極限的洪水量是導致平原區洪澇災害的主要因素，洪澇過程模擬是進行洪澇災害評價工作的基礎［6］。相較于集總式水文模型，分布式水文模型充分考慮了流域內降水與下墊面要素的空間變化，對下墊面復雜的平原流域具有很好的適用性。因此，建立適合平原區特點的洪澇模型，對平原區流域洪澇過程進行分布式模擬，對于流域防洪減災和洪水管理十分必要。

本文以海河流域的徒駭河流域宮家攔河閘上游為研究區域，利用水文站監測數據，以GIS技術為支撐，建立分布式水文-水動力耦合模型，模擬洪澇過程，包括河流外流域水深、流速分布及河流徑流過程，探討耦合模型在平原區洪澇模擬中的適用性，試圖為研究平原流域洪水模擬、洪澇災害評估等提供科學的方法。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

山東省海河流域位于華北平原，山東省西北方，流域內有徒駭河、馬頰河、德惠新河三條主干河流，流域面積約為2.97 萬km2，流域地勢低平，洪澇災害頻繁，防洪非工程措施不完善，洪澇災害形勢較為嚴峻。研究區域位于山東省海河流域西南部，面積約為6 700 km2，主要河流為徒駭河上游段，河流方向為西南-東北［7］，有新金線河、趙牛新河等八條主要支流（見圖1）。流域形狀狹長，坡度較小。流域降水具有顯著的季節性，豐水年與枯水年周期性交替，旱澇急轉與連旱連澇現象發生頻繁。研究區域內河流均屬季節性河流，具有坡度小，匯流時間長，洪水持續時間長，水量年內變化大等特點。

圖1 徒駭河宮家攔河閘上游流域圖Fig.1 Upper reaches of Gongjia Sluice of Tuhai River

1.2 數據來源

洪澇模擬需要的基礎數據包括DEM、歷史雨水情數據、土地利用類型數據、土壤類型數據、河流斷面數據等多種類型數據。其描述和來源如表1所示。

表1 徒駭河宮家攔河閘上游流域MIKE耦合模型數據Tab.1 MIKE-A-R model data of Gongjia Sluice of Tuhai River

2 MIKE-A-R耦合模型構建

2.1 MIKE耦合模型

（1）MIKE SHE 模型。MIKE SHE 是一種具有確定性以及基于物理機制的流域分布式水文模型。通過劃分流域網格并建立相鄰網格間的拓撲關系，表達參數的空間差異性：平面網格劃分形式為矩形網格，每個網格獨立作為一個輸入單元，表達流域下墊面的空間差異性；在豎直方向劃分水平層，模擬不同土層的洪水運移過程［8］。MIKE SHE 模型通過蒸散發、坡面流、河流與湖泊、非飽和帶以及飽和帶6個模塊相互耦合，模擬完整的流域產匯流過程。

（2）MIKE 11 模型。MIKE 11 采用一維圣維南方程組，模擬河流洪水演進過程：

式中：A為過水斷面面積；Q為過水斷面流量；t為時刻坐標；x為沿河流的距離；q為河流旁側入流流量；h為水位；C為謝才系數；R為過水斷面流量與面積的比值；α為動量修正系數。

2.2 研究區域柵格與邊界提取

根據目前DEM 分辨率，基于GIS 技術提取河網的方法僅適用于地表比降較大，河網層級清晰的流域，針對地勢平緩、地貌起伏不顯著的研究區域，流域響應單元劃分較為困難［9］。為與流域實際相一致，需在研究區官方水系圖的基礎上進行地理比對，進而確定流域范圍。

在確定流域范圍過程中，為保證流域所有區域洪水均能匯入河流，對DEM采取以下處理：

降低河流對應的DEM 柵格高程值，使其顯著低于兩岸高程，同時河流外柵格高程保持不變，然后通過ArcGIS 水文分析工具確定流域邊界，最后通過對比實際地形地貌及地圖影像做人工修正。

2.3 MIKE-A-R耦合模型

（1）河流外洪澇模型（MIKE-A）的構建。根據流域的特點與資料情況，選擇MIKE SHE 模型各子模塊的計算方法（詳見表2）。結合DEM、流域邊界、土地利用類型、土壤類型及雨水情等數據，構建河流外洪澇模型（MIKE-A）。

表2 子模塊計算方法Tab.2 Submodule calculation method

（2）河流水文模型（MIKE-R）構建。將河流數據、斷面數據、流域邊界、模型參數導入MIKE 11 水動力模型，構建河流水文模型（MIKE-R）。

（3）流域洪澇模型（MIKE-A-R）的構建。在MIKE 11 的MIKE SHE LINKS 依次構建干流與支流模型，完善相關信息，并設定河床透水系數，在MIKE SHE 的河流與湖泊模塊添加MIKE-R 模型文件，調整模擬時段使兩者保持一致。通過模塊設定完成MIKE-A 模型與MIKE-R 模型的耦合［12］，建立流域洪澇MIKE-A-R耦合模擬模型。

（4）模型邊界條件與初始條件確定。確定模型上、下游邊界條件分別為聊城水文站的實測洪水過程以及宮家攔河閘水文站的實測洪水過程。

以初始水深作為模型初始條件。由于降雨之前，流域未發生洪澇災害，因此，河流外初始水深設置為0。河流水深根據河流水文站（包括上游聊城水文站、中游劉橋攔河閘水文站以及下游宮家攔河閘水文站）實測水深確定。

2.4 模型參數敏感性及率定

在模擬過程中，可將模型參數劃分為兩類：

（1）由實測數據或遙感數據推算得到的參數。是基于實際情況的真實描述，無需率定，主要包括：降雨量、蒸散發量、土地利用類型、土壤類型、植被參數等，模擬過程中直接采用實測值或通過遙感數據提取值。

（2）通過非測量和計算得到的參數。需根據模型給出的理論參考范圍和經驗進行率定，主要包括土壤水動力學參數、坡面流參數、飽和帶參數、河流參數等。

對第2類參數進行敏感性分析，即在參數取值范圍內，通過分析單個參數及其相應組合的變化對輸出結果的影響，根據敏感性對第2類參數進一步分類，敏感性較低的參數為：土壤水動力學參數及坡面匯流參數，敏感性較高的參數為：河流曼寧系數、河床透水系數及壤中流水庫模塊的相關各項參數。

（1）土壤水動力學參數確定。通過SPAW（土壤水文特性）軟件計算流域土壤水動力學參數，主要包括田間含水率、飽和導水率、飽和含水率以及凋零含水率，詳見表3。

表3 土壤類型及其水動力學參數表Tab.3 Soil types and hydrodynamic parameters

（2）坡面流參數確定。用曼寧系數表示坡面流參數有效糙率，根據流域下墊面土地利用類型以及參考相關文獻［13］進行取值，詳見表4。

表4 坡面流有效糙率參數表Tab.4 Effective roughness of slope flow

將敏感性較高的參數作為“自由”參數，進行參數率定，率定洪水場次為2010-08-10、2010-08-14、2010-08-22 及2010-08-25。

參數率定目標為洪峰流量、洪量誤差盡可能小，流量過程與觀測流量過程盡可能吻合。因此，選取洪峰流量、時段洪水總量的相對誤差、相關性系數以及納什效率系數，共同檢驗模型精度。

（1）相關性系數。

（2）納什效率系數。

式中：Qobs，i為第i斷面處的實測流量值；Qsim，i為第i斷面處的模擬流量值；為實測流量平均值；為模擬流量平均值。

率定參數結果詳見表5。

表5 率定參數結果表Tab.5 Calibration parameter results

3 流域洪澇過程分布式模擬結果分析與討論

3.1 河流徑流模擬結果

將率定期（2010年8月）與驗證期（2013年7-8月、2020年8月）的河流洪水徑流過程模擬值與實測值進行對比驗證，實測值取自劉橋攔河閘水文站。如表6與圖2所示。

圖2 劉橋攔河閘水文站處場次洪水模擬值與實測值對比圖Fig.2 Comparison between simulated and measured flood values at Luqiao Sluice hydrological station

表6 模型模擬結果分析Tab.6 Analysis of model results

模擬結果與實測值的對比分析表明，模擬流量過程線與實測流量過程線趨勢基本一致，二者擬合程度較高，確定性系數介于0.803～0.936，效率系數介于在0.666～0.866，洪峰流量、洪水總量的模擬值與實測值較為一致，其相對誤差分別為-6.72%～8.10%、-17.8%～18.82%，均保持在允許誤差范圍內（20%以下）。

3.2 淹沒水深模擬結果

調查并收集研究區域內山東省聊城市2010-08-09 場次暴雨和2013-07-26 場次暴雨的洪澇相關資料（見表5），對模型淹沒水深進行驗證。模型淹沒水深模擬結果如圖3、4 及表7所示。

圖3 研究區域2010-08-09場次暴雨不同時刻的淹沒水深Fig.3 Inundation depth at different times of 2010-08-09 rainstorms in the study area

圖4 研究區域2013-07-26場次暴雨不同時刻的淹沒水深Fig.4 Inundation depth at different times of 2013-07-26 rainstorms in the study area

表7中調查情況摘錄資料為實地調研的最大或較大水深，模擬水深為流域1 km×1 km 柵格的平均水深。同時，經向熟悉情況的相關技術人員查證，模擬水深與實際水深較為吻合。

表7 研究區域2010-08-09與2013-07-26場次暴雨洪澇淹沒情況模擬結果對比分析表Tab.7 Comparison between simulation and survey data of 20130726 rainstorm in the study area

3.3 討 論

（1）數據來源分析。MIKE-A-R 耦合模型DEM 為2017年谷歌高程，土地利用數據為國家地球系統科學數據中心2015年土地利用數據，土壤類型數據為世界統一土壤數據庫1995年土壤類型數據，雨水情數據為研究區域2010-2020年實測雨水情數據。其中，研究區域內建筑用地面積僅占流域總面積的10%，近年流域城鎮化對土地利用變化的影響較??；土壤類型數據隨時間變化極小，年份對數據的準確性影響不大。綜上，DEM、土地利用類型、土壤類型數據與雨水情數據統一。

（2）MIKE-A-R 耦合模型適用于平原流域的洪澇過程模擬。平原區流域坡面情況較為復雜，比降較小，在遭遇暴雨時坡面流在較短時間內不能全部匯入河流，部分會滯蓄在河流之外形成內澇。河流外洪澇模型MIKE-A能結合分布式下墊面條件，基于圣維南方程的擴散波逼近法，模擬平原地區的地表徑流及淹沒過程；河流水文模型MIKE-R，基于一維非恒定流圣維南方程組，能夠快速、準確地模擬河流內洪水運動過程。MIKE-A 模型作為MIKE-R 模型旁側入流的邊界條件，構建的MIKE-A-R 耦合模型，能實現平原流域河流內、外的洪澇過程耦合模擬。

（3）MIKE-A-R 耦合模型的適用性分析。模型構建時，首先根據流域的特點與資料情況，在建模過程中，根據流域的特點與資料情況，基于流域柵格與邊界的正確提取，選擇MIKE SHE 中子模塊的計算方法，利用DEM 及流域相關數據，形成河網數據文件，在MIKE 11 中添加干支流相關信息，在MIKE SHE的河流與湖泊模塊添加MIKE11 模型文件，實現流域洪澇MIKE-A-R 耦合分布式模擬。因此，結合流域特點，MIKE-A-R耦合模型可適用于其他平原區流域。

4 結 論

基于MIKE SHE 與MIKE 11，構建了平原區流域洪澇過程的MIKE-A-R 耦合模型，并對徒駭河宮家攔河閘上游流域的洪澇過程進行模擬與分析，主要結論如下。

（1）采取改進提取流域柵格與邊界的方法，使其空間集水能力加強，修正水流流向，河網得到優化，坡面匯流與實際更相符合，從而提取出較為準確的流域范圍。

（2）建立的MIKE-A-R 耦合模型，既保證了河流在流域出口處洪水過程的精準度，也通過考慮流域氣候、下墊面以及模型計算參數的空間分布不均勻等影響因素對流域河流外產匯流過程的影響，較好地模擬平原流域的洪澇過程。

（3）建立的MIKE-A-R 耦合模型應用于徒駭河宮家攔河閘上游流域的洪澇過程模擬，其結果具有較好的精度，作為率定與驗證的模擬流量過程線與實測流量過程線趨勢基本一致，確定性系數介于0.803～0.936，效率系數介于0.666～0.866，洪峰流量、洪水總量的模擬值與實測值較為一致，相對誤差均在20%以下。水深分布模擬值與調查結果較一致，洪澇過程的模擬打破了行政區劃的限制，在空間分布格局上更加精細化、精準化。MIKE-A-R 耦合模型能較好地模擬平原流域河流外各地區水深分布、時變過程以及河流洪水演進過程，模擬結果可為流域洪澇災害風險評估、預報及預警提供全面數據支撐。結合流域特點，MIKE-A-R耦合模型可適用于其他平原區流域。