基于MIKE SHE模型的平原区流域暴雨内涝模拟

姜钧耀 刘 璐 彭 慧 王翊人

（山东省水利勘测设计院 济南 250013）

1 引言

平原区暴雨内涝是平原区主要威胁之一。随着洪涝灾害造成社会经济损失的持续增长，单靠工程防洪措施控制洪水的理念是不现实、不可行、不经济的，因此，应用流域水文模型模拟暴雨内涝过程，是解决防洪问题的关键，也是防洪减灾的重要依据。

目前，国内对平原区内涝模拟研究成果较少。本文以洙赵新河流域为例，将MIKE SHE 模型应用到平原流域暴雨内涝模拟，科学准确地对流域内可能发生的洪水演进过程、到达时间、淹没水深、淹没范围等过程特征进行预测分析评估，旨在提高洪水预报预警服务能力和服务水平。

2 研究区域概况

洙赵新河位于山东省西南部，是跨菏泽、济宁两市的大型防洪排涝骨干河道。该河全长145.05km，流域面积4206km2，地势低洼，流域内发生大洪水时一方面受南四湖湖水位顶托影响，干流洪水消退时间较长；另一方面平原地区净雨产生的坡面流将一部分滞蓄在干流堤外形成内涝，剩余水量在较短时间内不能全部汇入干流，因此该流域洪水具有历时时间长、汇流速度慢等特点；流域内有15 个雨量站、3 个水文站，水文资料较为丰富，

因此本文选取该流域作为平原区典型研究区域。

3 构建内涝模型

3.1 模型适应性研究

本文首次将MIKE SHE 模型应用到平原流域暴雨内涝模拟。MIKE SHE 模型是在20 世纪90年代初，由丹麦水力学研究所在SHE 基础上进一步发展研制的一个综合性且具有物理意义的分布式水文模型，主要适用于湿润半湿润蓄满产流地区。本文研究的洙赵新河流域属于半湿润地区，且主要应用MIKE SHE 模型模拟汛期大量级降雨洪水过程，汛期发生大量级洪水前期一般会有多场小量级降水发生，小量级降水能增加土壤含水量，加快产流，可认为汛期土壤是饱和的，暴雨发生时为蓄满产流，这就保证了模型在该流域开展研究的一个必要条件。此外，模型能够根据气候、地形、河网、下垫面等众多因素模拟流域暴雨产汇流过程，模拟结果文件可根据模拟步长定量分析不同时刻流域内坡面内涝量及河道水量，使得该模型更加适应本项目研究。

MIKE SHE 模型的水流运动模块是一个模块化结构，主要由6 个独立并且相互联系的子模块组成：蒸散发、坡面漫流、明渠流、不饱和带流、饱和带流、融雪。考虑到该流域汛期地下水水位较高且土壤属黏性土壤下渗率小，地表水与地下水的交换水量较少，因此在产流计算时未使用饱和带流模块，而该流域融雪基本不会补给河流水量，本次应用蒸散发、坡面漫流、明渠流、不饱和带流4 个模块进行流域产汇流分析研究。

3.2 内涝模型建立与验证

MIKE SHE 模型构建的内容包括模型范围与网格设置、地形插值、气候（降水和蒸发）资料输入、坡面糙率文件的录入、不饱和带参数的设置以及明渠流模块建立。MIKE 11 模型通过明渠流模块与MIKE SHE 耦合，MIKE 11 模型搭建主要包括河网、断面、边界条件、河道参数等内容。

构建模型过程中，由于平原区河网分布密集、支沟较多的特殊性，为模拟与实际接近，本文在河网及断面等处理上积累了一定的经验：平原区流域内中小河流众多，构建河网文件时，除主要的干支流，需对部分小河沟众多处做概化处理；收集流域内主要河流断面资料，补充测量流域内其他河道断面数据，考虑平原河道断面较为平缓，部分河道测量河首与河尾，中间河段采用内插的方法进行补充；比对各个支流入干流处支流与干流断面，以支流断面河底高程接近干流断面河底高程进行修正；考虑流域内小支流及小沟数量众多，对个别支流断面进行加宽、加深处理；根据流域内居民地、耕地、空地等主要地物设置不同的曼宁系数；考虑流域面积较大且软件对文件大小的限制，收集流域1 ∶10000精度DEM，运用GIS 技术经填洼、提取后转化为30m×30m 精度DEM 导入地形模块。

以梁山闸水文站作为流域出口端面控制站，选取本流域内前两场大洪水（1978/06/30～1978/07/09、1975/09/17～1975/09/26）实测洪水资料进行模型参数率定。指标采用《MIKE SHE 用户手册（DHI，2011d）》中提到的平均误差ME（Mean error）、均方根误差RMSE、Nash-Sutcliffe 系数（R2）来评价。经计算，模型性能参数均在接受范围内（见表1），模型模拟效果较好。

表1 参数率定评价指标表

洙赵新河流域模型率定两场洪水的平均误差ME基本为0，Nash-Sutcliffe 系数达到0.9 左右，非常接近1，模型的模拟效果极佳。但RMSE 值较大，考虑到本次模型模拟优先保证洪量及洪水过程线与实测相吻合，在极端值方面会有一定出入。因此总体看来，本次模拟选取的参数可进一步进行参数验证。

选取该流域1993年实测典型洪水进行模型参数验证，将实测降雨过程及设计过程输入模型，应用之前率定得到的参数，根据实际情况微调部分参数（坡面滞蓄水深及下游水位等）得到模拟结果，模拟所得的结果如表2 所示。

表2 梁山闸处洪峰、洪量模拟结果表

通过结果可以看出模拟的峰值和洪量误差都在5%以内，符合规范要求。从水量平衡的角度考虑，模拟洪量与实测洪量越接近，模型模拟水量分配越准确，本套参数能极好地控制洪量与实测相吻合，故可以应用本次调试完毕的模型进行应用。

4 内涝分析

以1993年洪水模拟为例，根据模型模拟结果，对平原区流域易涝区做相应预警，并阐述平原区内涝水量计算方法。

4.1 预警易涝区

结合模型模拟动态结果做易涝区分析，内涝过程模拟动态图如图1 所示。

图1 内涝过程模拟动态图

根据内涝动态变化过程，将暴雨内涝分四个阶段：第一阶段，降雨初期，降雨量较少，坡面水分布较为零散，还未形成内涝；第二阶段，坡面水开始积聚，流域出口位置处由于下游湖水位的顶托影响，流域出口处形成一定的涝水；第三阶段，随着降雨天数的增加和降雨强度的变大，坡面涝水严重，除流域出口位置的涝水外，受堤防、道路等线状地物的阻拦及分隔，在支流汇入干流处及低洼处形成大量涝水；第四阶段，降雨强度逐渐变小，坡面大量涝水随河道流出，涝水较为集中。

流域内易涝区域主要为支流汇干流处，地势低洼处，受下游湖水位顶托流域下游出口处等，符合平原区实际内涝规律，根据涝水位置对相应区域可做易涝区预警。

4.2 内涝水量计算

内涝水量可结合Arcgis 软件技术进行评估计算，从研究区域偏安全角度考虑，往往关注该区域的最大内涝水量，以定量推求洙赵新河流域1993年最大内涝量为例，对内涝水量计算方法进行说明。

运用MIKE SHE 水量平衡模块，对模拟结果文件做水量平衡计算分析，根据水量平衡分析结果。模拟第三天，坡面存储交换量最大，此时即为内涝水量最大时刻，将此刻各个网格内涝水深模拟结果导入Arcgis 软件中，统计流域内水深值，统计表如表3 所示。

表3 内涝水深统计结果表

根据内涝水深统计表，流域内网格水深平均值为所推求时刻的内涝水深值，与流域面积的乘积为该区域所求的最大内涝水量。

5 结论

（1）本文构建了基于地面高程、下垫面条件及河流水系等要素的暴雨内涝模型，模拟了流域内暴雨内涝演进过程，提出了平原区流域内预警易涝区域及计算内涝水量的新方法，目前已应用于全国多个重点防洪保护区洪水风险图项目中。

（2）本文未考虑实时暴雨下的内涝预警，今后可与气象部门合作，进一步开展平原区实时暴雨预警■