基于MIKE SHE模型的沙河水库流域水文模拟研究

李 明，黄炳彬

（1.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434；2.北京市水科学技术研究院，北京 100048）

0 引言

北运河流域地处京津冀一体化发展核心区，是联结京、津、冀的天然纽带，沙河水库流域作为北运河上游集水区的关键节点，起到对上游污染物纳污消减，对下游清洁补水的重要作用。但当前流域水资源匮乏，水环境污染问题日益严重，流域主要河道依靠再生水补给，河水流动性差，河道生态功能普遍退化。径流的变化会对流域水环境及水生生态系统造成综合影响[1]。为了推进沙河水库流域水环境综合治理工作，迫切需要对流域水文循环及河道水动力变化规律进行模拟，为后续流域层面的水环境模拟评估提供必要基础。

作为水文学定量化研究工具，分布式水文模型自20世纪60年代以来迅速发展，MIKE SHE在欧洲水文模型 SHE（System Hydrological European）的基础上开发而来[2]，作为分布式水文模型的代表，其涵盖了陆地水文循环的所有过程，界面友好，易于操作，完整耦合地表和地下水模型，与MIKE11一维河道耦合可进行流域尺度的水文模拟。当前，MIKE SHE模型已广泛应用于国内外流域规划、水资源管理、水质污染模拟、农业活动的影响研究和与地表地下水有关的生态环境问题研究中。赖冬蓉等[3]利用MIKE SHE模型对华北平原地区水资源状况进行了模拟及预测；肖金强[4]通过假设不同土地利用及气候变化场景，建立了北京土门、帽石沟两个小流域水文响应模型，研究表明MIKE SHE模型在华北土石山区森林小流域中具有较好的适用性；ZHENG等[5]以北京妫水河流域为研究区，建立MIKE SHE水文综合模型，将地表水和地下水耦合，探讨妫水河流域的水文响应，并提出应用MIKE SHE与MIKE11耦合模拟陆地流域水质变化过程。

1 流域概况

沙河水库流域位于北运河上游，地处北纬40°00′～40°26′、东经 115°53′～116°20′之间，海拔高程为 30～1 300m，流域面积为1 136km2，主要涉及海淀北部四镇、昌平中西部及延庆、门头沟小部分区域。流域共有一、二、三级沟道30余条，大小水库8个，3条主要支流北沙河、东沙河、南沙河于沙河闸处汇入温榆河，后经北关拦河闸入北运河。流域水资源短缺严重，多年平均径流总量仅为1.8亿m3，平均地下水埋深达30m，加之降雨集中，水资源难以得到回补，除3条主要支流靠再生水补给外，其他沟道几无基流，仅降雨期间产生径流汇入沙河水库。研究区概况如图1所示。

图1 研究区域示意图

2 模型与方法

2.1 MIKE SHE模型原理

MIKE SHE水流运动（WM）模块主要包括：蒸散发（ET）、坡面流（OL）、河道汇流（OC）、非饱和带下渗（UZ）和饱和带水流运动（SZ）等模块及各部分之间的相互过程。各子模块可选不同的计算方法，在建模时可以根据不同的需求耦合不同的模块进行模拟，以提高模型计算效率。在计算方法上，MIKE SHE坡面汇流采用超渗产流机制[6]，将水平方向上输入的模型范围、地形等数据离散为多个矩形网格（Grid Cells），垂直方向根据用户定义或者自动进行土壤和地质分层，采用有限差分法进行解算[7]。河道流模拟通过耦合MIKE11模型，求解一维非恒定圣维南（Saint-Venant）方程组，计算得到河道的水位、流量等数据。

2.2 MIKE SHE模型建立

2.2.1 模型基础数据输入与设置

本研究建模数据包括流域DEM、土地利用、土壤、降雨、蒸发、河网断面及实测流量过程数据。其中地形数据采用10m分辨率DEM。模型网格划分为30m×30m。降雨数据根据水文站网和气象站网分布情况，选用昌平、居庸关长城、菩萨鹿、沙河、王家园水库、温泉、响潭水库、阳坊、碓臼峪9个雨量站的2018年时段降雨数据，时间间隔为1h，采用泰森多边形进行站点控制面积划分。河网及断面数据来自研究区实测成果，无实测资料的河道采用基于地形的沟道断面提取法[8-10]，共概化河道17条。

模型中对于坡面流采用隐式线性差分法求解二维圣维南扩散波方程，非饱和带模块采用重力流计算方式；饱和带模块采用三维有限差分方程求解。耦合MIKE SHE与MIKE11模型，模拟时段为2018年全年，设置MIKE11时间步长为20s，MIKE SHE为6h，并取模型运行时段的前15d作为预热期。

2.2.2 模型物理参数确定

2.2.2.1 参考蒸散发

参考蒸散发定义为大尺度空间内，供水充足、株高一致、完全覆盖的参考作物在生长期内的蒸散发率，其中，参考作物是一种理想作物，常用的有苜蓿、黑麦草等[11-13]。蒸发与植被类型、土壤含水状况和气象等密切相关，极大影响水量平衡。考虑流域无实测蒸发数据，并且用于参考蒸散发计算的气象辐射等数据难以获得，本研究根据段永红[14]等利用北京市20个气象站点的20年长期观测资料，采用FAO Penman-Monteith公式计算得到的北京地区月平均作物参考蒸散发分布图，选用覆盖流域的昌平和海淀两站，通过ArcGIS矢量化后进行线性插值计算得到沙河水库流域各月参考作物蒸散发（见图2），最终得到流域年参考作物蒸发总量约为1 184.5mm。

图2 沙河水库流域逐月参考蒸散发

2.2.2.2 土地利用数据

MIKE SHE土地利用数据主要体现在植物生长周期计算方面。研究区土地利用分为旱地、园地、林地、草地、裸地、交通运输、水域、城市用地和农村用地共9类。蒸发截留计算所需植被参数为植物生长周期内的叶面积指数LAI和根系深度RD变化值。本研究叶面积指数参考谢军飞等[15]对北京植被 LAI的月际变化与空间分布特征研究成果，并结合MIKE自带的植被数据库及不同植被生长周期进行调整，得到沙河水库流域不同土地利用的ETV文件。

2.2.2.3 坡面糙率系数

坡面曼宁糙率（Manning’s n）是影响产汇流的重要参数，参考Edwin T.Engman[16]不同土地利用推荐值和吴敬东等[17]对赵家台小流域水土保持措施防洪效果评价研究成果给出研究区各不同土地利用的坡面曼宁系数如表1所示。

表1 研究区不同土地利用类型及其曼宁系数

2.2.2.4 非饱和带土壤参数

非饱和带是指从地表至地下饱和含水层之间的不饱和土壤层，是包括SHE在内的一般水文模型的核心组成部分。MIKE SHE只考虑重力下的土壤水垂向运动，非饱和带土壤质地参数直接影响蒸发和下渗过程，进而决定地表径流、地下径流和壤中流的产生比例。

非饱和带土壤数据主要参数包括土壤饱和导水率Ks、饱和含水量θs及Van Genuehten模型所需的其他参数，包括θr、α、l、n等系数。土壤质地数据根据世界土壤数据库HWSD进行裁剪，分类合并得到流域9种土壤质地类型，并对土壤进行分层，分别为表层0～30cm、中间层30～100cm、100cm以下至饱和含水层。使用土壤水力学参数计算软件SPAW Soil Water Characteristics计算得到各层土壤质地的饱和导水率Ks和饱和含水量θs如表2所示。

表2 沙河水库流域土壤质地参数

3 模型的参数及率定

根据2018年沙河闸实测日流量过程对水文水动力模型进行率定。各模块参数率定结果见表3。以Nash-Sutcliffe效率系数Ens、确定性系数R2和相对误差RE对模拟精度进行评价，一般而言，Ens≥0.5且R2≥0.6表示径流模拟结果达到良好水平[18]，模型可较真实地反映流域水文水动力状况。

表3 MIKE SHE/MIKE 11模型参数率定结果

沙河水库流域入库流量模拟过程见图4、图5，由图可以看出基于MIKE SHE建立的沙河水库流域水文水动力模型精度较高，能够合理的描述流域降雨-产汇流过程。径流模拟期分汛期（6～9月）和全年，其中2018年全年径流过程Ens达到0.75，R2为0.77，径流总量RE为1.3%；汛期（6-9月）径流过程Ens为0.71，R2为0.73，径流总量RE为7.5%，达到良好水平。

图4 2018年径流过程模拟值与实测值对比

图5 2018年汛期（6～9月）径流过程模拟值与实测值对比

4 结论

本研究基于沙河水库流域降雨蒸发、地形、土地利用、土壤质地、河网等数据，利用分布式水文模型MIKE SHE耦合MIKE11建立流域水文水动力模拟系统，采用2018年沙河闸实测流量过程对水文水动力模型进行率定验证。研究确定了模型的各项参数，其中2018年全年径流过程模拟Ens达到0.75，R2为0.77，径流总量RE为1.3%；汛期（6～9月）径流过程模拟Ens为0.71，R2为0.73，径流总量RE为7.5%，模拟效果良好。

MIKE SHE水文模型在沙河水库流域具有良好的适应性，模型模拟精度高，能够合理的描述流域降雨-产汇流过程，可为流域水环境综合修复、水质污染模拟等提供前置基础支撑，也可为其他相似地区提供参考。