MIKE耦合模型模拟淤地坝对小流域暴雨洪水过程的影响

袁水龙，李占斌,2，李 鹏，高海东，王 丹，张泽宇



MIKE耦合模型模拟淤地坝对小流域暴雨洪水过程的影响

袁水龙1，李占斌1,2※，李 鹏1，高海东1，王 丹1，张泽宇1

（1. 西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，西安 710048；2. 中国科学院水利部水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100）

为科学认识淤地坝建设对黄土高原小流域暴雨洪水过程的影响，该文通过分布式水文模型MIKE SHE和一维水动力模型MIKE 11耦合模拟了不同坝型组合和坝系级联方式下的小流域暴雨洪水过程，研究表明：1）淤地坝系建成后会使小流域洪水的洪峰和洪水总量明显减少，其中骨干坝减幅最小，中型坝次之，小型坝减幅最大；串联、并联、混联3种坝系级联方式均使洪峰流量和洪水总量明显减小，其中混联坝系减幅最大，并联坝系次之，串联坝系最小。2）淤地坝建设改变了洪水历时，其中骨干坝和中型坝增加了洪水历时，而小型坝缩短洪水历时。3）沟道连通性指数与洪峰流量、洪水总量均有很好的相关关系，淤地坝建设明显降低了沟道连通性，通过改变沟道连通性调控了小流域的暴雨洪水过程。可为黄土高原淤地坝安全运行提供科学依据。

暴雨；洪水控制；淤地坝； MIKE模型；黄土高原

0 引 言

淤地坝作为控制沟道侵蚀、拦泥淤地、减少洪水和泥沙灾害的沟道治理工程措施，在中国黄土高原地区大量建设。国内外学者关于淤地坝建设对径流过程的影响进行了较多研究，研究地区主要集中在黄土高原河口-龙门镇区间以及泾河、渭河、北洛河、汾河等黄河泥沙主要来源区[1-5]。研究表明：淤地坝建设明显削弱了径流洪峰，减小了洪水总量，对径流过程具有显著的调节作用[6-9]。目前的研究主要集中在淤地坝建设对流域年径流过程的影响，而对次暴雨洪水过程的影响研究鲜有报道，研究手段以实测对比为主，缺乏定量模拟。2009年水利部淤地坝安全大检查统计结果表明，截止2008年底，黄土高原地区共建成淤地坝9.1万座[10]。根据水利部《黄土高原地区水土保持淤地坝规划》，到2020年黄土高原地区将建成淤地坝16万座。由于早期修建的淤地坝设计标准低，施工质量较差，加之经过几十年的运行之后已逐渐淤满，丧失滞洪拦沙能力，在暴雨洪水的袭击下，溃坝情况时有发生。如2012年陕北地区遭遇特大暴雨，榆林绥德县韭园沟流域内45座淤地坝中有24座受到不同程度水毁[11]。如此数量巨大的淤地坝建设导致淤地坝防汛形势异常严峻，如有不慎，将会影响淤地坝的安全运行和效益发挥。本文通过分布式水文模型MIKE SHE和一维水动力模型MIKE 11耦合，建立了王茂沟流域暴雨洪水模型，并利用实测的降雨径流数据对模型进行率定和验证。通过模拟不同结构淤地坝和坝系布局对小流域暴雨洪水过程的影响，揭示淤地坝建设对小流域暴雨洪水过程的调控机理，能够为优化黄土高原小流域淤地坝系布局、黄土高原淤地坝建设和安全运行提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

王茂沟流域地处陕西省榆林市绥德县境内，位于东经110°20′26″～110°22′46″，北纬37°34′13″～37°36′03″，属于无定河流域韭园沟中游左岸的一条支沟。流域面积5.97 km2，主沟道长度3.80 km，流域海拔940～1 188 m，沟床平均比降2.70%，沟壑密度4.30 km/km2。气候为温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，温差较大。根据绥德水土保持试验站多年实测资料统计，王茂沟流域多年平均气温8 ℃，最高温度39 ℃，最低温度−27 ℃，多年平均无霜期175 d左右，水面年蒸发量为1 519 mm，最大1 600 mm，干旱冰雹等自然灾害频发。多年平均降水量475.10 mm，年最大降水量735.30 mm（1964年），最小年降水量232 mm（1956年），年降水量极值比为3.17；年际变化大且年内分布不均，每年7～9月降雨量占全年降水量65%左右。王茂沟流域从20世纪50年代开展水土保持工作，截至2016年底，王茂沟正常运行的淤地坝共有17座，其中骨干坝2座，中型坝6座，小型坝9座（图1）。

图1 王茂沟流域淤地坝布置图

1.2 数据来源

径流泥沙数据和气象数据均来源于黄河水土保持绥德治理监督局。绥德站在王茂沟流域设有气象站和把口站，把口站监测了王茂沟流域1962～1966年的径流泥沙数据，主要包括水位、流量、含沙量和输沙量。地形数据来源于国家测绘局，大地基准为1980西安坐标系，等高距为5 m，纸质地图扫描后经空间配准、拼接、手动跟踪数字化生成shape文件，然后使用Hutchinson法生成分辨率为5 m的DEM。流域土地利用由Quick Bird影像目视解译而来，影像分辨率为0.61 m，UTM投影，云量覆盖为0，并通过绥德站60年代土地利用资料进行调整，基本符合当时的土地利用情况。沟道断面数据利用ArcGIS10.1中的3D Analyst工具从5 m分辨率DEM提取，并结合实地测量对提取的断面数据进行修正。淤地坝的几何特征数据来源于实地测量，主要包括坝长、坝高、坝宽及泄水建筑物的几何尺寸。

1.3 沟道连通性指标

连通性是评价河流生态系统的重要指标，水利工程设施对河流纵向连续性具有较大影响[12-15]，通常采用纵向连续性指标对河网连通性进行评估。纵向连续性指标能够在一定程度上反映坝、闸等障碍物对河道过流能力、生物迁移、能量传递过程的影响[16-18]。纵向连续性指标计算见公式（1）：

式中为纵向连续性指标；为水系长度，m；为水利工程等障碍物的数量。

淤地坝建设对沟道纵向连续性产生了重大影响，而且淤地坝系布局不同，对沟道连续性的影响也不同。参考河流连续性指标计算公式（式1），本文提出了沟道连通度指标计算公式：

式中为沟道连通性指数；为水系长度，m；S为第条支沟长度，m；n为第条支沟上淤地坝的数量；的取值范围为0~1，值越接近于1，沟道的连通性越好。

1.4 模型构建

由于本文研究的重点为沟道的水动力过程，因此MIKE SHE模型只调用了坡面流模块。首先在MIKE SHE模型中定义流域的范围，研究区面积5.97 km2，以20 m´20 m的网格对流域进行空间离散，共计29 700个网格。地形文件通过ArcGIS10.1将栅格大小为5 m分辨率的DEM处理生成shape点文件，将处理好的矢量格式数字高程数据文件直接导入模型，并采用三角形内插法进行插值，依据单元格大小设置搜索半径为20 m。在次暴雨洪水过程中，流域的蒸散发量很小，因此忽略不计。利用MIKE软件自带工具将降水数据转化为dfs0文件并导入模型。考虑模型的网格相对较大，同时根据研究区的地貌特点，将土地利用类型重新划分为耕地、草地、林地、园地、居民用地和交通用地6类。坡面流模块主要包含3个参数：曼宁系数（manning number）、滞蓄洪量（detention storage）和地表初始水深（initial water depth）。模型采用在降水数据中减去土壤入渗量作为模型的降水输入。下渗量取值主要参考土壤类型估计（经验取值2～20 mm/h），并考虑植被影响[19]。

通过MIKE SHE模拟坡面产汇流，MIKE 11模拟沟道汇流过程。利用ArcGIS10.1软件从栅格大小为5 m分辨率的DEM提取流域的河网矢量文件（*.shp），将河网矢量文件导入MIKE 11模型，模型将自动生成河网，并根据实际情况手动修改河道里程。研究区共定义6条河道，通过河网文件中的水工建筑物来表达沟道中的淤地坝。将建好的MIKE 11模型和MIKE SHE耦合，建立王茂沟流域暴雨洪水模型。

1.5 模型率定与验证

采用试错法对王茂沟流域暴雨洪水模型进行率定。选择流域出口实测的径流过程作为率定参量，选取观测年限内（1961－1964年）2场典型暴雨洪水过程对模型进行率定，选取观测年限内其他2场次暴雨洪水资料对模型进行验证。理论上分布式流域水文模型可以通过实验测定获得参数，但由于观测尺度和模拟尺度的差异以及试验测定的误差等原因使得模型模拟时的单元格参数仍然需要率定[20-21]。同时分布式水文模型在参数率定时应尽可能选取较少的参数，过多的参数不一定提高模型的精度，而且会使参数率定过程变得极为复杂[22-24]。因此本文选取较少的参数采用人工试错法对模型参数进行率定，需要率定的参数有：滞蓄洪量、曼宁系数、渗漏系数、各地类土壤入渗率。以决定系数2（式3）、Nash-Sutcliffe效率系数NSE（式4）判断模型模拟效果[25-27]。

1.6 模型效果评价

黄土高原小流域降水的主要特点表现为历时短、雨强大，本研究选取的4场降雨是王茂沟小流域1962－1966年期间出现频率很高的雨型，具有较好的代表性。将率定期和验证期的实测洪水过程和模拟值进行对比验证（图2）。

图2 王茂沟流域暴雨洪水模型率定和验证结果

结果表明，率定期和验证期模拟径流和观测径流过程的吻合程度很高，模型很好地模拟了洪水过程的动态变化，可以用来工况分析。模型率定期的Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）均高于0.8，决定系数分别为0.90、0.88，洪峰流量的相对误差仅为1.72%、3.33%。验证期Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.60、0.71，决定系数均为0.72，洪峰流量相对误差分别为11.05%、12.05%（表1）。对模型结构的简化是造成模型误差的原因之一[28]，模型在验证期的精度低于率定期，可能是由于模型仅调用MIKE SHE坡面流模块和MIKE 11进行耦合，对降雨的入渗过程进行概化造成的。

1.7 工况设计

淤地坝分为骨干坝、中型坝和小型坝3类，其中骨干坝由三大件构成，包括：坝体、溢洪道、放水建筑物；中型坝由两大件构成，包括：坝体、放水建筑物；小型坝由一大件构成，只包括坝体。为了探究淤地坝系建设对黄土高原小流域暴雨洪水过程的影响，本文对淤地坝不同坝型组合以及不同级联方式下小流域暴雨洪水过程进行了模拟。为了说明不同类型淤地坝及其不同组合对小流域洪水过程作用的大小，设计了8种不同坝型组合工况（表2）；不同坝系级联方式工况设计时，选择了同一集水区域，保证了进入区域水量相同的条件下，坝系级联方式对洪水过程的影响，不同级联方式设计了4种工况（表3）。图3为4种不同级联方式下的淤地坝系布置图。

表2 不同坝型组合的工况设计

表3 不同坝系级联方式工况设计

图3 不同级联方式坝系布置图

2 结果与分析

2.1 坝型组合对小流域暴雨洪水过程的影响

沟道建坝之前，小流域的洪水过程陡涨陡落；建坝之后洪水过程明显变缓，尤其是退水段更为明显，退水时间延长。对比流域未建坝、只建骨干坝、只建中型坝和只建小型坝的洪水过程线可以看出，骨干坝、中型坝和小型坝的建设均使小流域暴雨洪水的洪峰流量、洪水总量明显减少。流域建设不同坝型组合工况下，小流域洪水过程明显改变，但是不同的坝型对洪水的调节效果不同，不同坝型组合对洪水的调控作用也不同（图4）。

注：W表示未建坝；G表示只建骨干坝；Z表示只建中型坝；X表示只建小型坝；GZ表示建设骨干坝和中型坝；GX表示建设骨干坝和小型坝；ZX表示建设中型坝和小型坝；GZX表示建设骨干坝、中型坝和小型坝，下同。

为了定量说明不同坝型组合对小流域暴雨洪水过程的影响，表4对不同工况下的洪水特征参数进行了统计。由表4可得：流域不建坝（W）、只建骨干坝（G）、只建中型坝（Z）、只建小型坝（X）的洪峰流量分别为1.26、0.92、0.84、0.76 m3/s，3种坝型的修建分别使洪峰流量减少27.28%、33.39%、40.13%，其中小型坝的修建使洪峰削减最大；工况GZ、GX、ZX和工况GZX分别使洪峰减小38.07%、59.71%、60.75%、65.34%，不同的坝型组合对流域洪水的洪峰调节作用不同，流域坝系（GZX）建成后削峰作用最强。淤地坝建设不仅削减了流域洪水的洪峰流量，而且明显减小了洪水总量。流域不建坝时，洪水总量为4 853.93 m3，沟道中基本不蓄水，这是由于沟道建坝之前，沟道比降较大，除了局部低洼处的积水，洪水基本可以快速流出流域。当流域只建骨干坝时，淤地坝会拦蓄洪水105.63 m3，出沟洪水总量减小2.18%；只建中型坝时，拦蓄洪水1 314.50 m3，减小出沟洪水27.08%；只建小型坝时，会拦蓄洪水2 178.79 m3，减小出沟洪水44.89%，说明在沟道中修建小型坝能够拦蓄大部分洪水，出沟洪水最少。这是由于小型坝基本为没有放水建筑物的“闷葫芦”坝，对上游来水全拦全蓄，而且流域中小型坝数量最多，因此小型坝修建使出沟洪水的减幅最大。工况GZ、GX、ZX和工况GZX分别使小流域洪水总量分别减小27.37%、45.15%、58.42%、58.67%，其中当坝系（GZX）建成后洪水总量减幅最大。对比流域洪水历时可以看出，工况G、工况Z和工况GZ均为骨干坝和中型坝组合，增加了流域洪水历时；工况X、工况GX、工况ZX和工况GZX均建有小型坝，减小了流域洪水历时，说明淤地坝建设改变了小流域的洪水历时，其中骨干坝和中型坝增加了洪水历时，小型坝缩短了洪水历时。

表4 不同工况条件下洪水特征参数统计

2.2 坝系级联方式对小流域暴雨洪水过程的影响

为了对比不同坝系级联方式对小流域暴雨洪水过程的影响，选择同一集水区域，设置未建坝、串联坝系、并联坝系、混联坝系4种工况进行工况模拟，3种坝系级联方式均使洪水过程明显坦化，洪峰、洪量急剧减小，其中混联坝系减幅最大，并联坝系次之，串联坝系最小（图5）。

注：W表示未建坝；CL表示串联坝系；BL并联坝系；HL混联坝系。下同。

为了定量分析坝系级联方式对小流域洪水过程的影响，统计了4种工况下的小流域暴雨洪水特征值（表5）。由表5可得：未建坝（W）、串联（CL）、并联（BL）、混联（HL）四种工况下的洪峰流量分别为0.73、0.26、0.18、0.12 m3/s，串联、并联和混联坝系分别使洪峰减小64.30%、75.38%、83.31%，其中混联坝系的减幅最大。不同坝系级联方式不但减小了小流域暴雨洪水的洪峰，而且大幅减小了洪水总量。串联、并联和混联坝系分别使洪水总量减小37.52%、50.88%、52.68%，与对洪峰的调控作用类似，仍然是混联方式的减小幅度最大、并联次之、串联最小。对比坝系级联方式对洪峰出现时间的影响，可以得出并联坝系并未改变洪峰出现的时间，串联坝系和混联坝系使洪峰出现时间滞后。

表5 不同工况条件下洪水特征参数统计

3 讨 论

淤地坝通过拦蓄洪水，显著改变了流域次暴雨洪水过程。前人大多采用对比流域法研究淤地坝建设对小流域次洪过程的影响，有学者研究表明，建坝流域相比未建坝流域，洪峰流量、径流系数明显减小，洪水滞时显著增加[29-30]。这些方法只能整体上研究已建成坝系对次洪过程的影响，而不能区分不同类型淤地坝或者不同坝系布局在这种影响中占多大的比例。本文通过模拟不同坝型组合和坝系布局下小流域暴雨洪水过程，识别了不同坝型及不同坝系级联方式在调节洪水过程中发挥的作用。上文分析得出，小流域坝系中骨干坝、中型坝和小型坝的建设分别使洪峰减小27.28%、33.39%、40.13%，洪量减少2.18%、27.08%、44.89%，小型坝建设对洪水过程影响最大，中型坝次之，骨干坝最小。主要是由这3种坝型的结构特点决定的，小型坝没有放水建筑物，对区间及上游来水几乎是全拦全蓄，只要不发生溃坝洪水基本不会出沟，因此洪峰和洪量的减幅最大；中型坝一般设有卧管或竖井等放水建筑物，洪水会通过放水建筑排出；骨干坝不但设有放水建筑物而且设有溢洪道，当洪水到达时会及时通过放水建筑物和溢洪道排出，因此洪峰和洪量的减幅最小，但是骨干坝作为流域坝系中的控制性工程，对中型和小型坝起到保护作用。为了进一步分析，坝系布局分析坝系布局对暴雨洪水过程的作用机理，通过式2计算了8种不同坝型组合下沟道的连通性指数（表6），淤地坝建设明显降低了沟道的连通性，坝系建成后会使沟道连通性降低79.0%。图6和图7分别建立了沟道连通性指数与洪峰流量、洪水总量的相关关系。由图可以看出，沟道连通性指数与洪峰流量的相关系数高达0.97，与洪水总量的相关系数为0.89。沟道连通性指数与洪峰流量和洪水总量均有很好的相关关系，说明坝系布局通过改变沟道连通度调节流域的暴雨洪水过程。

表6 不同工况下沟道连通性指数

图6 沟道连通度与洪峰流量的关系

图7 沟道连通度与洪水总量的关系

4 结 论

1）通过MIKE SHE和MIKE 11耦合建立的王茂沟流域暴雨洪水模型，率定期Nash-Sutcliffe效率系数高于0.8，决定系数2高于0.85；验证期Nash-Sutcliffe效率系数高于0.6，决定系数R高于0.7，说明模型可以用来模拟黄土高原小流域次暴雨洪水过程，并且具有较好的精度。

2）淤地坝建设会明显削减洪峰，减小洪水总量，坦化洪水过程。小流域坝系建成后会使洪峰减小65.34%，洪水总量减少58.67%；单独建设骨干坝、中型坝和小型坝分别使洪峰减小27.28%、33.39%、40.13%，洪量减少2.18%、27.08%、44.89%，其中小型坝的削峰滞洪作用最强；淤地坝建设改变了小流域的洪水历时，其中骨干坝和中型坝增加了洪水历时，小型坝缩短了洪水历时。

3）串联、并联、混联3种坝系级联方式均会使流域暴雨洪水过程坦化，洪峰、洪量减小，其中混联方式减幅最大，并联次之，串联最小；3种坝系级联方式会使洪峰分别减小64.30%、75.38%、83.31%，洪水总量减少37.52%、50.88%、52.68%；并联坝系不会改变洪峰出现时间，串联和混联坝系使洪峰出现时间滞后。

4）淤地坝建设明显降低了沟道连通性，坝系建成后会使沟道的连通性降低79.0%。沟道连通性指数与洪峰流量、洪水总量均有很好的相关关系，决定系数分别为0.97和0.89，淤地坝系通过改变沟道连通性调节了小流域的暴雨洪水过程。

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MIKE coupling model simulating effect of check dam construction on storm flood process in small watershed

Yuan Shuilong1, Li Zhanbin1,2※, Li Peng1, Gao Haidong1, Wang Dan1, Zhang Zeyu1

(1.710048,; 2.712100,)

Check dam is a kind of channel management engineering measure for channel erosion control, sediment retention, reduction of flood and sediment disasters. According to the “Check Dam Planning of Soil and Water Conservation on the Loess Plateau” of the Ministry of Water Resources, 160 thousand check dams will be built on the Loess Plateau region by 2020. The construction of such a large number of check dams leads to so extremely severe a flood control situation of check dam that if there is any carelessness, the safe operation and benefit of check dam will be affected. Based on the coupling of distributed hydrological model MIKE SHE and one dimensional hydrodynamic model MIKE 11, a torrential rain flood model in Wangmaogou watershed was established in this paper and the runoff process measured at the outlet of the basin was selected as the calibration parameter. At the same time, 2 typical rainstorm and flood processes in the observed years were used to calibrate the model, and the other 2 single storms were used to verify. The results showed that the model had high precision and could be used to analyze the working conditions. By simulating the rainstorm flood process of small watershed under different combinations of dam types and different dam system cascade modes, the results were obtained as follows: 1) The torrential rain flood model of Wangmaogou watershed based on the coupling of MIKE SHE and MIKE 11 had a Nash-Sutcliffe efficiency coefficient of higher than 0.8 and a determination coefficient (2) of higher than 0.85 during the calibration period, while higher than 0.6 and 0.7 respectively during the verification period, which indicated that the model could be used to simulate the single rainstorm flood process in small watershed on the Loess Plateau. 2) The construction of check dam system would obviously cut the flood peak and flood volume of the watershed, among which the amplitude reduction of the key dam was the least, the medium dam was the second and the small dam was the largest. The flood peak and flood volume were significantly reduced under 3 cascading modes, i.e. series, parallel and hybrid connection of check dam system, in which the hybrid connection of dam system had the largest decrease amplitude, the parallel dam system took the second place and the series dam system was the last. 3) The dam construction changed the flood duration. The key dam and the medium dam made it increased while the small dam decreased. 4) Check dam construction obviously reduced the channel connectivity. There was a good correlation between the channel connectivity index and the flood peak as well as the flood volume with the correlation coefficient of 0.97 and 0.89 respectively, which meant that check dam system regulated the rainstorm and flood process of small watershed by changing the channel connectivity. The research results are expected to optimize the dam system layout of the check dam in small watershed and provide scientific basis for the construction and safe operation of check dam on the Loess Plateau.

storms; flood control; check dam; MIKE model; loess plateau

袁水龙，李占斌，李 鹏，高海东，王 丹，张泽宇. MIKE耦合模型模拟淤地坝对小流域暴雨洪水过程的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：152－159. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.018 http://www.tcsae.org

Yuan Shuilong, Li Zhanbin, Li Peng, Gao Haidong, Wang Dan, Zhang Zeyu. MIKE coupling model simulating effect of check dam construction on storm flood process in small watershed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 152－159. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.018 http://www.tcsae.org

2018-01-29

2018-05-31

国家重点研发计划（2016YFC0402404）；国家自然科学基金重点项目（41330858）

袁水龙，博士生。主要研究方向：流域水文模拟与水土保持。Email：yuanshuilong@163.com

李占斌，，博士，教授，博导，主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。Email：zhanbinli@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.018

S157

A

1002-6819(2018)-13-0152-08