基于MIKE11的山丘区小流域洪水演进模拟与分析

刘 晗，王 坤，候云寒，徐征和，于 潇，张珊珊

(1. 济南大学 水利与环境学院，山东 济南 250022；2. 山东省济南市章丘黄河河务局，山东 济南 250200；3. 山东省高唐县水务局，山东 聊城 252800)

0 引 言

近年来，受极端天气的影响，洪水灾害在世界各地发生的消息屡见不鲜。其波及范围之广，使之成为备受各国政府以及科研人员关注的焦点。为了提高城市应对暴雨洪涝灾害的能力，国内外关于城市暴雨洪涝灾害的研究逐渐从关注灾害成因机理和灾情数理统计方法转向注重灾情实时动态变化、高精度的基于情景模拟的分析方法[2]。

山丘区小流域洪水具有与江河洪水显著不同的特性,在洪水风险分析、监测预警等技术方面也存在显著不同[3],因此,加强山区小流域洪水风险管理及相关技术研究,对于提高我国山区小流域洪水风险管理水平、切实减轻山洪灾害造成的人员伤亡和经济损失，具有十分重要的现实意义。MIKE 11模型是一款比较成熟的模型，通过耦合降雨径流模块和水动力模块实现径流模拟，广泛应用于防洪、水资源保护及水利工程设计管理等方面[4]。本研究基于外业测量数据及内业搜集到的资料，利用MIKE11模拟软件建立了研究区数学模型，其中主要包括NAM坡面降雨径流模型和HD水动力模型，同时，将两者进行耦合，并对其中的参数进行了率定和验证，形成一维河道洪水演进模型，对不同计算方案下的洪水淹没过程进行了模拟。

1 研究区概况

历城区地处36°19′51″N～36°53′45″N，116°55′24″E～117°22′15″E，位于济南市区东、南部。地处鲁中南低山丘陵与鲁西平原交接地带。研究区位于历城区的南部山区，隶属历城区柳埠镇，该镇位于历城区东南部。属暖温带半湿润区的大陆性季风气候。春季干燥少雨，多西南、偏南风；夏季炎热多雨；秋季天高气爽，秋温高于春温；冬季长而寒冷干燥，多东北风[5]。多年平均降水量665.7 mm。

主要对济南市历城区柳埠镇镇驻地以上3个小流域进行详细研究，所在河流为锦阳川部分河段，即包括部分长峪(干流)之水、桃科之水以及亓城之水，以下分别称之为干流、桃科河以及亓城河，小流域名称与之对应。干流研究范围为源头至柳埠镇柳埠中村下游断面处，河流长度为18.57 km，流域面积为53.42 km2；桃科河全长10.7 km，流域面积为44.94 km2；亓城河沟道长度为8.72 km，流域面积为22.03 km2。

图1 研究区水系及流域分布图Fig.1 Distribution map of water system and watershed in the study area

2 产汇流模型的构建

2.1 NAM模型构建

NAM模型是MIKE11 RR(Rainfall-Runoff)模块包含的多种降雨径流模拟方法中的一种，是一个集中式、概念模型，主要用于模拟自然流域内的降雨径流过程[6]。在NAM模块中，通过植物土壤根区储水层、地表储水层等4个相互影响的储水层的水量模拟产汇流过程[7]。NAM模型的建立包括以下几步：流域信息属性页，NAM模型属性页，时间序列文件页。

(1)流域信息属性页。流域信息属性页主要是对研究区所涉及流域的信息特征进行定义以及展示。分为流域定义和流域列表两个区域。为研究方便，将研究区划分为3个流域，流域面积如图2所示。并从历城区山洪灾害调查评价数据采集终端提取各流域信息特征，如表1所示。

图2 研究区流域面积示意图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模型属性页。NAM模型属性页是对模型涉及的所有参数进行设置的页面。主要包括地表-根区参数页、地下水参数页、融雪参数页、灌溉参数页、初始条件参数页以及自动率定参数页。其中，融雪和灌溉参数页为可选选项，由于模拟过程中没有考虑，因此不需要设置。参照研究区自然概况及相关文献，各参数页所需设置的主要参数如表2所示。

2.2 HD模型的建立

MIKE11 HD模块建模时需要4个文件，包括：河网文件、断面文件、边界文件以及HD参数文件[8]，模型结构图如图3所示。

(1)河网文件。河网概化的原则是能基本反映天然河网的水力特性，即概化后河网输水能力和调蓄能力与实际河网相近或基本一致[9]。山丘区小流域天然河道结构较复杂，为减少工作量和提高模型效率，往往需要对河网进行合理概化。在河网文件建立时，通过搜集到的历城区数字线划图(DLG)和数字正射影像图(DOM)，对河网各沟道位置及其之间的水力联系进行绘制和设置。模型中河网文件如图4所示。

表2 NAM模型主要参数及取值情况Tab.2 Main parameters and values of NAM model

图3 HD模型结构图Fig.3 Structure diagram of HD model

图4 研究区河网文件Fig.4 River network file of the study area

(2)断面文件。断面数据来源于历城区山洪灾害调查项目中的实测断面数据，为满足模型精度以及运行稳定性要求，在研究区共设置了48处断面，其中干流设置了18处，桃科河设置22处，亓城河设置了8处。本文在各流域分别选取一个典型村对断面特征进行展示，如图5所示。

图5 各流域典型断面剖面图及照片Fig.5 Typical sections and photos of each basin

(3)边界文件。MIKE11 HD中边界条件设置包括内部边界条件和外部边界条件两种。本次研究考虑河流的外部边界条件。干流及各支流上游边界条件设置为流量边界，下游设置为流量水位关系边界[10]。由于研究区内没有水文监测站点，缺乏流量时间序列文件，因此设置流量边界数据类型为定流量边界。并且由于各上游边界均位于河流的源头，无其他小支流汇入，故研究将各流量边界数值设置为0。

(4)参数文件。HD参数文件包含众多属性页，常见的需要设置的属性页主要有两项：初始条件属性页和河床糙率属性页。据实践经验，本研究初始流量设置为0，初始水深根据汛期河道内平均水深，设为0.5 m。河床糙率是HD模型所要率定的参数，研究区糙率根据外业调查情况，参照天然河道典型类型和特征情况下的糙率，参考《水工建筑物与堰槽测流规范》(SL537-2011)以及水利电力部东北勘测设计院《洪水调查》成果中有关天然糙率的取值。

2.3 NAM模型与HD模型耦合

为了更好地模拟小流域暴雨洪水的演进过程，从而为河道洪水演进模拟提供模型基础，MIKE11可以实现降雨径流(NAM)模型和水动力模型(HD)的耦合[11]。在河网文件的列表视窗(Tabular)下的Runoff/groundwater中点击添加一个Rainfall-Runoff link，并在右侧添加流域的信息以及与HD连接的河流名称和位置，可定义连接的河道上下游的里程点。将桃科河小流域、亓城河小流域和干流小流域的NAM坡面降雨模型以线源的形式汇入水动力模型的河网中，并在Mike11界面勾选带入RR模块进行模拟计算。

流域的产汇流可以以点源和线源两种方式汇入到河网中，可以通过设置所连接河道得上下游里程数来控制，若上下游里程数一样，说明产汇流以点源的形式汇入河网，反之，以线源的形式汇入河网。本研究中涉及的三个小流域均以线源的形式汇入河网，具体的设置情况如表3所示。

表3 NAM与HD耦合设置Tab.3 NAM and HD coupling Settings

3 模型的率定及验证

3.1 率定方法

本文在进行参数率定时主要利用模型自动率定功能结合人工微调的方式。根据搜集到的柳埠和窝铺两个雨量站1976年以来的汛期降雨资料，选取柳埠镇受山洪灾害影响较为严重的19940629场、20000809场、20130723场3个暴雨场次资料转化为时间序列，用于模型参数的率定。受区域实测资料限制，流域缺乏径流系列资料，因此，对于流域出口流量过程线的获得，利用水文计算公式法推求，其中，各流域产流和汇流过程分别利用降雨-径流相关法和单位线法计算。

3.2 率定结果及分析

利用上述参数率定方法，将19940629、20000809、20130723三场洪水场次的暴雨资料作为模型的输入，并以推求所得的与各场暴雨相对应的洪水过程线作为实测资料运用到模型的输出，经过模型自动率定以及人工反复调整，使得模型模拟结果与流域出口流量过程实现吻合。各小流域洪水模拟值与实测值对比结果(19940629场次)如图6-8所示。各主要参数最终取值如表4和5所示。

在湖北省实行夏制，抽穗扬花期安排在8月中下旬较为理想。第一期父本5月上旬播种，与母本的播期宜相差在30～35 d。

图6 干流小流域19940629场次洪水NAM模拟结果图Fig.6 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the main stream

图7 亓城河小流域19940629场次洪水NAM模拟结果图Fig.7 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the Qi Cheng river

图8 桃科河小流域19940629场次洪水NAM模拟结果图Fig.8 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the Tao Ke river

研究选用洪峰相对误差REp、洪量相对误差REv、峰现时差ΔT、拟合系数R2四个指标对模型模拟精度进行评价。其中REp、REv、ΔT的绝对值越小表示模拟结果越好，洪峰相对误差REp、洪量相对误差REv的许可误差为 20.0%，峰现时差的许可误差为 3 h[12]；R2值越趋近于1，表示模拟结果越好。场次洪水率定结果及误差分析如表6所示。

表4 各流域NAM参数取值表Tab.4 NAM parameter values of each watershed

表5 各河段特征及糙率取值情况Tab.5 Characteristics and roughness values of each river section

表6 NAM模型率定结果及误差分析Tab.6 calibration results and error analysis of NAM model

由表6可知，三场暴雨作用下流域产汇流模拟过程中，3个小流域内模拟洪峰及洪量均比实测情况偏小，但两者相差不大，相对误差也较小，基本控制在10%以内。干流小流域与桃科小流域模拟流量及洪量过程线与实测情况吻合较好，峰现时间稍有滞后，但在允许误差范围以内。亓城河小流域模拟结果较其他两个小流域稍差，洪水滞后时间稍长，但各流域拟合系数基本在0.8以上，总体模拟结果较好，满足精度要求。

3.3 模型验证

为提高模型精度，同时也为检验各模型参数的合理性，本文采用《历城区山洪灾害预警指标检验与复核》项目中对20160722场次洪水河道洪痕现场调查及测量的结果来验证耦合模型的模拟精度。河道具体测量成果如表7所示，各典型村模拟结果与实测数据对比图如图9-11所示，验证结果如表8所示。

表7 河道测量成果Tab.7 river survey results

图9 干流小流域模拟和实测水位的对比图—岱密庵村河道Fig.9 Comparison of simulated and measured water level in small watershed of dry stream

图10 桃科河小流域模拟和实测水位的对比图—桃科庄村河道Fig.10 Comparison of simulated and measured water level in the small watershed of Tao Ke river

图11 亓城河小流域模拟和实测水位的对比图—亓城村河道Fig.11 Comparison of simulated and measured water level in the small watershed of Qi Cheng river

由小流域模拟和实测水位对比图以及耦合模型模拟验证结果可以看出，各小流域河道模拟最高洪水位从上游到下游变化趋势与河道纵断面下降趋势相符，模拟水面线形态及高程与实际测量情况相似，且模拟最高洪水位与实测水位相差不大，因此，认为耦合模型满足验证精度，模型整体模拟效果可信[13]。

表8 耦合模型模拟验证结果 mTab.8 simulation and verification results of coupling model

4 模拟与分析

耦合模型的建立为小流域洪水演进过程的模拟提供了模型基础，为了预测不同量级洪水对小流域的影响，研究通过对洪水来源、洪水量级以及洪水组合方式的综合考虑，拟定了5种不同的洪水模拟计算方案，如表9所示。通过设置相应的时间序列文件以及各河段不同的上、下边界条件，利用MIKE11水文-水动力耦合模型进行不同计算方案下的河道沿程洪水演进模拟，并完成了相应运行结果的分析，从而为小流域防洪评价提供理论依据和数据支撑。

表9 洪水模拟方案设计Tab.9 flood simulation scheme design

(1)不同河段沿程100 a一遇洪水量级模拟水面线动态结果如图12-14所示。由模拟结果可知，干流及各支流100 a一遇量级洪水淹没水面线形态随河道地形变化下降，无明显忽高忽低等不合理现象，符合河道洪水演进规律。研究对不同量级洪水模拟结果也进行了对比分析，可知洪水淹没水面线随洪水量级的增大而逐渐升高，但涨幅动态变化不明显，因此，其他量级洪水淹没水面线动态图不再进行逐个展示。

图12 干流100 a一遇洪水量级模拟水面线图Fig.12 Simulated surface diagram of dry flow at the order of magnitude of once-in-a-century flood

图13 亓城河100 a一遇洪水量级模拟水面线图Fig.13 Simulated surface diagram of Qi Cheng river at the order of magnitude of once-in-a-century flood

(2)不同计算方案各流域典型村洪峰流量及最高洪水位计算结果如表10所示。由表11可知，随着洪水量级的增大，各断面最高水位随之升高，洪峰流量也逐渐增大，在河流交汇处的柳埠中村典型断面百年一遇洪水洪峰流量达1 000 m3/s以上，且流量越大，水位越高。

图14 桃科河100 a一遇洪水量级模拟水面线图Fig.14 Simulated surface diagram of Tao Ke river at the order of magnitude of once-in-a-century flood

(3)不同计算方案下各流域典型村淹没水深如表11所示。由表11可知，随洪水量级的增大，各断面淹没水深逐渐升高，部分河段淹没水深达4.5 m以上。干流及各支流淹没水深从上游至下游没有呈现明显规律，这与山丘区地形起伏较大以及河道断面的自然形态有关。

5 结 论

研究利用MIKE11模型软件构建了流域产汇流模型以及河道水动力模型，同时将两者耦合形成一维河道沿程洪水演进模型。利用耦合模型对5种不同计算方案下的洪水演进过程进行了模拟，得出了不同量级洪水淹没水面线动态结果、各断面洪峰流量及淹没水位结果和各断面淹没水深结果。主要完成的工作及结论如下：

表10 不同方案下各典型断面洪峰流量及最高水位计算成果表Tab.10 Results of calculating flood peak flow and maximum water level of each typical section under different schemes

表11 不同计算方案下各典型断面淹没水深计算成果表Tab.11 Results of calculation of flood depth of each typical section under different calculation schemes

(1)利用MIKE11水动力模块(HD)构建研究区河道内水动力模型，并且与降雨径流模块(NAM)耦合，实现了流域产汇流过程及河道内洪水演进过程的耦合，经过参数的率定，最终确定模型中各主要参数的取值。同时由模型的率定及验证结果可知，模型整体模拟效果可信。模型在模拟缺乏资料的山丘区小流域的降雨洪水过程中具有良好的适用性，而且可应用于实际山丘区小流域的预警指标的计算分析中。

(2)由模型模拟结果可知：干流及支流各量级洪水淹没水面线形态随河道地形变化下降，无明显忽高忽低等不合理现象。随着洪水量级的增大，各断面最高洪水位随之升高，洪峰流量也逐渐增大。各断面淹没水深随洪水量级的增大逐渐升高。以上结论均符合河道洪水演进规律，可为该地区防洪评价及预警工作提供一定的数据支撑和参考依据。