MIKE SHE模型在河道治理工程中的应用

姜钧耀，饶亚兰，周 冉

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

2018—2019年山东省小清河流域受台风暴雨“温比亚”、“利奇马”影响，连续两年遭受严重洪涝灾害，小清河防洪综合治理工程已被山东省委、省政府确定为重点水利工程的“头号工程”，科学地计算设计洪水是解决防洪问题的关键[1]。现阶段，对该流域的洪水计算仍停留在传统的降雨径流相关方法上，该方法能够较为准确地反映流域洪水变化情况，但在很大程度上依赖人为设定参数，复杂的下垫面条件会给设计洪水的推求带来较大的影响。采用MIKE SHE分布式水文模型模拟流域暴雨洪水，无需分计算单元，能够科学地体现流域内地势低洼地带的滞水作用，充分表明河道水与坡面水的交互作用。本文将模拟的河道洪水过程与工程水文学成果对比，以期为河道治理工程提供更为合理的设计洪水成果。另外，通过模型对现状及规划工况下的流域暴雨洪水过程进行模拟，可为治理工程实施决策提供一种新的方法和思路。

1 研究区域概况

小清河流域面积10433km2，约占山东省总面积的1/15[2]。流域地势南高北低，胶济铁路是山丘区和平原区的分界线[3]。铁路以南多为山丘区，平均坡降约1/50，面积占比35.4%；铁路以北多为平原和洼地，是典型的平原河道；共有一级支流48条，几乎全部由南岸注入干流，呈典型的单侧梳齿状分布，其中流域面积200km2以上的较大支流有7条，分别为巨野河、绣江河、杏花河、孝妇河、预备河、淄河和塌河。除预备河外，其余6条均系山洪河道。

由于小清河所处的自然地理等特性，支流上游山区山高坡陡流急，洪水期间洪峰陡涨陡落，洪峰持续时间较短；支流穿过胶济铁路后，河道多变为宽浅漫滩型，比降变缓，河道对洪水的槽蓄调节作用明显加大，反映到实测洪水的洪峰流量的变化方面是上游大于下游。如1966年7月15日洪水，支流淄河上游镇后站(控制流域面积518km2)实测洪峰流量3180m3/s，而下游白兔丘站(控制面积1386km2)实测洪峰流量仅为2030m3/s。

2 模型模拟分析

采用MIKE SHE水文水动力耦合模型，考虑流域地形地貌、水文气象、土壤植被、流域产汇流特点，进行小清河流域产汇流分析计算。统计小清河流域内历年实测大暴雨及大洪水资料，并侧重考虑近期发生过较大暴雨洪水的年份，选取1998年8月、2005年8月实测暴雨洪水资料进行参数率定。本次保持原模型率定的参数不变，对可能因场次洪水不同而不同的地表初始水深等实时参数进行了微调，并采用2019年超强台风“利奇马”实测暴雨过程进行流域现状工况模拟，对模型参数进一步验证。

2.1 模型简介

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[4- 6]。本文研究的小清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。

MIKE SHE模型由一系列用户界面模型程序组成，包括模型建立、模型预处理和模型结果输出，并可以和多种数据格式进行转换，增加了软件的可操作性。MIKE SHE模型在应用时，主要通过划分单元格网的方法构建分布式水文模型，水平方向通过一系列规则格网来离散，垂直方向通过多个水平层处理不同土壤剖面的垂直差异性，不同格网之间采用数值分析模拟水分运动的时空关系[7- 10]。

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：气候模块(ET)、坡面流模块(OL)、明渠流模块(OC)、不饱和带模块(UZ)、饱和带模块(SZ)和融雪模块(SM)[11- 13]。每个子模块针对一个水文过程，小清河流域汛期大洪水过程不涉及融雪，地下饱和带水流相对稳定，对饱和带模块、融雪模块不进行模拟研究。

2.2 基本资料收集与处理

2.2.1地形资料

采用1∶10000DEM，地形精度为5m，地图坐标系为CGCS2000坐标系。受限于流域面积较大，将DEM转换为50m精度的栅格，进行填洼处理后导入MIKE SHE地形模块中。

2.2.2水文资料

水文资料主要包括流域内降水量、蒸发量以及水文站实测流量系列。收集小清河流域历年实测大暴雨及前十场大洪水资料，并侧重考虑近期发生过较大暴雨洪水的年份，选取2005年8月、1998年8月两场实测暴雨洪水资料进行参数率定及验证，对降雨量的处理方式为将流域内场次洪水对应的雨量站实测雨量时间序列，输入至根据雨量站点位置建立的泰森多边形内。蒸发量取4mm/d。

2.2.3主要河道断面资料

河网文件中包括小清河流域的46条一级支流、二级支流、三级支流共计110条河道。46条一级支流采用实测/规划断面，其他部分平原河道采用概化断面。

2.2.4土地类型资料

采用《国家地球系统科学数据中心共享服务平台》中山东省2010年土地利用数据，不同土地利用类型的坡面糙率查阅用户手册及相关文献取值。

2.2.5边界条件

所有河道的上游边界条件均设为0m3/s，小清河入海口处下游水位边界根据羊角沟站潮位观测站实测潮位观测资料输入至模型中。

2.3 参数率定

综合分析小清河流域历年实测大暴雨及大洪水资料，并侧重考虑近期发生过较大暴雨洪水的年份，本次选取2005年8月、1998年8月两场实测暴雨洪水资料进行参数率定，其中，2005、1998年石村水文站相应实测洪峰流量分别为339、344m3/s。以最大3d洪量为控制条件，采用“试错法”，对参数进行调整。经多次试错，使得流域出口处模拟洪峰及最大3d洪量均相差5%以内，小清河流域模型参数取值见表1。

表1 小清河流域模型参数取值

2.4 模拟分析

2.4.1设计洪水模拟分析

小清河流域历次设计洪水计算依据对工程较为不利的设计洪水地区组成原则，采用下控制段与上控制段同频率控制，区间相应的方法推求设计暴雨。鉴于流域内地形差异较大，水库、滞洪区、分洪控制节点多，因此在5个控制段内又分了41个计算单元。产流计算采用降雨径流关系法，汇流计算采用瞬时单位线法，洪水组合时考虑水库、滞洪区、分洪控制工程的调度。

为与传统方法及成果进行对比，运用已建立的小清河流域模型，将50年一遇设计暴雨时间序列输入至模型中，两种方法的降雨量相同，经模拟，设计洪水成果对比表见表2。

表2 设计洪水成果对比表 单位：m3/s

流域出口处，模拟洪水总量与工程水文学法计算设计洪水总量分别为117682万、122024万m3，误差为3.6%。模型模拟流域内坡面水存储总量与河道洪水总量与工程水文学法计算设计洪量相对差控制在5%以内，基本说明，两种方法扣除蒸发、下渗等损失后，水量基本平衡。

模拟的洪水过程线与工程水文学方法计算洪水过程在各个断面的趋势基本一致，以胜利河入清口下断面为例，对比两种方法成果，如图1所示。模型模拟峰现时间较工程水文学法计算过程偏后，主要为模型考虑地形、坡面水与河流水交互等因素，致使峰现时间偏后，而在河道治理工程中水文成果主要关注洪峰流量，模型模拟成果较工程水文学方法计算成果略有偏小，可为设计洪水成果的采用提供参考。

图1 胜利河入清口处断面流量过程对比图

2.4.2不同工况模拟分析

利用模型模拟现状工况下2019年流域暴雨洪水过程，根据模拟结果结合现场调研，为涝水较为严重的重点地区规划治理工程内容提供依据，再模拟规划工况下的暴雨洪水过程，对比现状工况和规划工况两种工况的模拟结果，分析治理工程实施后的效果。

将收集到的流域内26个雨量站2019年8月实测降雨量数据输入至模型，将模拟结果提取至ArcGIS中，对淹没范围、淹没水深等数据进行分析。

参考模型模拟结果，规划小清河治理工程建设内容主要包括干流及主要支流治理、涝水严重地区新建杏花河等11座排涝泵站等。进行规划规划工况模拟时，在现状工况模型的基础上将干支流规划断面替换现状断面、以点源方式在模型中布设泵站将涝水汇入干流，模拟规划工况下小清河2019年8月暴雨洪水过程，统计两种工况最大涝水时刻及主要退水时刻，见表3。

表3 最大涝水时刻及主要退水时刻对比表

对比两种工况模拟结果，模拟至13日2时，两种工况坡面均为积水最大时刻，规划工况下至14日22时大量积水退去，个别低洼地带存在涝水，同时刻现状工况坡面仍存在20cm左右的积水，至16日4时坡面积水才基本退去，通过对比两种工况模拟结果，两种工况下坡面积水分布基本相同，但规划工况坡面退水时间较现状工况提前了30h，排水效果有明显的改善。通过模型模拟规划工况、现状工况两种工况下的流域内涝水分布，可实时定量分析河道治理工程的建设对流域涝情的改善情况。

3 结论

以山东省小清河流域为研究对象，构建基于MIKE SHE的数学模型，采用流域内实测洪水资料进行参数率定，运用建立的模型模拟了暴雨洪水过程，为此类地形复杂、流域面积较大的流域设计洪水成果的采用提供了参考和依据。同时也可运用现状工况及规划工况的模型模拟结果，定量对比分析工程的建设对流域涝情的改善，对河道治理工程类项目的实施有一定的指导意义。目前模型的研究仅对已发生的大洪水及设计洪水进行模拟，尚未实现流域内实时暴雨及洪水的模拟，因此需联合水文气象部门对模型进一步改进和完善。