MIKE模型在国内洪水模拟中的应用研究进展

尚建杰，杨 光

(1.河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038； 2.河北省大气污染成因与影响重点实验室，河北 邯郸 056038)

引 言

洪水作为典型的自然事件，与人类生存发展息息相关。城市内涝、溃坝洪水等给人类生命和财产安全造成不可估计的损失[1]。但洪水同时也是河漫滩湿地等自然生态系统不可或缺的水源补给，河漫滩地区依靠洪水周期性冲刷保持生态系统健康，维持生物栖息地、水源调度、防洪等生态服务功能[2]。因此人们一直在积极探索研究洪水的有效方法。学者建立物理模型和数学模型模拟水流运动来研究洪水，相比周期长、成本高的物理模型，拥有易操作、造价低、精度高等优点的数学模型在不断发展中逐渐成为主要研究工具[3]。

数学模型通过求解数学公式来描述分析水流运动过程。1871年圣维南方程的建立奠定洪水数值计算的理论基础，之后浅水波方程的提出进一步发展相关理论[4]。20世纪60年代随计算机发明和信息技术发展，这些理论被再次重视并逐渐实用到水利工程中[5]。近年来被相关研究者使用较多的洪水模拟模型有Delft-3D[6-7]、HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center River Analysis System)[8-9]、MIKE[10～12]、SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)[13-14]等，模型各有优劣，主要对比见表1。

表1 洪水模拟数学模型对比Tab.1 Comparison of flood simulation mathematical models

MIKE模型具备功能强大、界面友好、计算精度高、网格灵活等优点，模拟范围覆盖一维、二维和三维。MIKE模型自带的操作平台MIKE Zero可以给各模型提供处理工具，十分方便[15]。自开发以来被广泛运用于河口模拟[16]、流域降雨[17]、城市内涝[18]、洪水演进[19]等诸多领域。随着MIKE模型在洪水相关水利工程中普及，文献分析逐渐增多。此前已有学者对洪水风险分析模型进行综述[20]，也有MIKE模型应用研究进展的文章出现[21]，但缺少MIKE模型在洪水模拟应用方面的总结和深入分析。因此本文总结MIKE模型主要模块和使用范围，重点探讨MIKE模型在国内洪水模拟上的应用进展和研究趋势，借助可视化软件分析研究热点。最后探讨目前我国在洪水模拟数学模型应用领域存在的不足，基于此对未来MIKE模型模拟洪水提出展望，为应用数值模型模拟洪水提供参考。

1 MIKE模型基本介绍

MIKE模型是丹麦水资源及水环境研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研发的水工程模拟应用软件，用于模拟计算水相关实例问题。MIKE系列模型主要有一维模型MIKE11[22]、二维模型MIKE21[23-24]、耦合模型MIKE FLOOD[25-26]、三维模型MIKE3[27-28]、流域管理模型MIKE BASIN[29-30]、城市给排水管网MIKE URBAN[31-32]、污水处理模型WEST[33]、海岸线动力模型LITPACK[34]、水文水质模型MIKE SHE[35-36]等。模型对比见表2。

表2 MIKE系列主要模型对比Tab.2 Comparison of main models of MIKE series

续表2

其中用于洪水模拟的模型主要是MIKE11、MIKE21和MIKE FLOOD。在平坦地区MIKE11可以进行地形简单的河道洪水影响分析[37]。而河道之外的河漫滩地区水流运动较为复杂，可采用二维水动力模型MIKE21模拟洪水过程[38]。MIKE FLOOD通过耦合一维二维模型，结合两者优点，使得水流交换更加精确，计算效率也更高[39]。

MIKE模型自开发以来被多个国家应用，精确度和合理性也得到诸多实例验证，表明其在洪水模拟上的优越性[40～42]。下面以我国为例，论述MIKE模型在洪水模拟上的应用研究进展。

2 MIKE在我国洪水模拟上的应用研究进展

国内对MIKE模型模拟洪水研究相对国外起步较晚，二十世纪后期被引入到国内。经过不断发展和探索，MIKE模型在洪水模拟这一领域已积累不少成功经验。综述前人研究发现，我国应用研究大部分集中在洪水风险分析、水量调度设计以及生态影响评价这三个方面，下面对这些应用研究进行梳理总结。

2.1 洪水风险分析

MIKE模型可以结合地形地貌模拟洪水淹没情况，通过分析模拟所得的洪水危险性因子为洪水风险分析工作提供科学支持。2013～2016年，全国重点地区洪水风险图编制项目软件名录将MIKE系列软件列入其中[43]，MIKE模型应用研究增多。郭凤清等[44]在MIKE21平台建立潖江蓄滞洪区洪水演进模型，模拟100年、300年一遇洪水演进过程，统计分析淹没因子预测该地区洪水危险性；叶爱民等[45]以全国洪水风险图编制试点项目为依托，利用MIKE11、MIKE21在浙江嘉兴模拟河道水位和洪水演进，同时利用MIKE FLOOD模拟不同设计暴雨情况下溃堤洪水演进过程，分析淹没状况继而绘制洪水风险图；陈平等[46]基于MIKE21模拟大陆泽及宁晋泊蓄滞洪区50年一遇洪水演进并绘制洪水风险图。随着洪水风险分析不断深入，部分学者开始探索洪水风险影响因素。姚斯洋等[47]考虑降水差异，利用MIKE FLOOD耦合MIKE11、MIKE21构建基于干、支流不同频率暴雨组合下洪水淹没水动力模型，多样性反映洪水漫堤情景；和宛琳等[48]考虑风潮影响，基于MIKE21在万泉河河口模拟洪涝风潮共同作用下洪水演进过程和淹没特征并分析淹没风险。

MIKE模型可以较精确地模拟洪水演进过程，通过分析洪水流量、淹没范围、水位、历时等洪水危险性分子，给洪水风险分析提供科学有效的技术支持。尽管如此，由于MIKE模型对地形数据要求较高，数据来源不全面时模拟精度可能会受到影响[49]。

2.2 水量调度设计

水资源日益短缺背景下，防洪不再是单一目标，科学规划防洪排洪工作、管理利用洪水资源成为当今工作要点，应用MIKE模拟比对洪水方案可以为水库和河道联合调度方案提供技术支撑。刘兆坤等[50]探索水库调度和潮位等因素影响，将不同入流量、潮位和糙率等工况组合，在碧流河水库下游流域运用MIKE21模拟分析20年一遇洪水情况下淹没区的淹没情况和经济损失；李玲玲等[51]将现状和规划、20年一遇和50年一遇洪水及防浪墙是否存在三种工况组合，在盛庄洼蓄滞洪区构建MIKE21模拟洪水淹没过程，提出在现状防洪工程上适当扩建排洪工程减少蓄滞洪区淹没历时的建议。河道上设多级闸坝在调节流域水资源平衡的同时也改变河流自然连通性。张世鑫等[52]探索多闸坝联合调度方法，建立MIKE11模型模拟蒲河棋盘山水库到团结大闸段河道流量演进和传播规律。结果表明流量衰减与河道特性、河道两岸植被相关，流量衰减率不同进而影响流量演进过程。

分析不同情景下洪水淹没情况，可以给水量调度提供最优方案，实现以最小水资源消耗达到最大经济效益的目标。

2.3 生态效益研究

生态文明建设逐渐转变为我国建设工作重心，研究表明防洪工程及涉河生态项目建设均会对生态造成一定影响[53]，因此洪水的生态效益也逐渐受到重视。相关研究主要集中于两个方向。一是研究洪水过程对植被生态系统影响作用。余晓等[54]通过MIKE11模拟额尔古纳河2000～2009年洪水淹没范围，分析植被和洪水淹没面积的关系发现洪水是影响植被生长的主要因素之一，适当的洪水冲刷对河道滩区植被生长有促进作用。二是探索与洪水过程相适应的河流生态廊道，从而有效发挥洪水生态效益。生态廊道是生态文明建设的重要组成部分，河流廊道水生态修复工作被重视[55]。洪水脉冲影响河流生态廊道宽度，研究洪水过程是确定河流生态廊道宽度的重要手段。韩琪等[56]以永定河泛区廊坊段为例，利用MIKE21模拟分析不同工况下廊道演变趋势，分析各截面处河道形态和水深确定河流生态廊道动态宽度范围，为该河段河流生态廊道宽度范围界定提供实用方法。

3 研究趋势

3.1 MIKE模型洪水模拟研究趋势

MIKE模型基于工程应用不断发展，在洪水模拟领域应用实例诸多，具有很好的应用前景，且研究具有明显变化趋势。在模拟范围方面，MIKE模型模拟洪水整体上显示为从河道内到河道外的趋势。初期只关注河道内水流运动，模拟分析河道内淹没水位等要素，之后溃坝、漫堤洪水研究增多。随着生态文明建设及湿地水动力学发展，漫滩洪水的生态效益逐渐引起学者关注，部分研究逐渐从河道行洪转向滩区行洪。

在模拟模型方面逐渐从单一模型转变为耦合模型。MIKE11具有高精度和稳定性，但只能模拟简单地形；MIKE21可以模拟复杂地形，但速度慢；耦合模型MIKE FLOOD结合两者优点，在连接处交换水量，提升计算速度，逐渐成为主要手段。

3.2 MIKE洪水模拟研究前沿分析

为进一步探究MIKE模型在洪水模拟研究的前沿领域，借助可视化分析软件Citespace进行关键词突现分析。在Web of science(Wos)上以“MIKE &FLOOD”为主题词检索，文献来源选择核心合集，文献类型选择“Article”，时间范围为1990.01.01～2022.9.26，共检索到229篇文献。在中国知网(CNKI)上以“MIKE”和“洪水”为主题词，检索到426篇期刊文献。时间切片选择2年，节点类型选择Keyword，其余参数默认。分别导入软件运行，得到国外变化频次最高的15个和国内变化频次最高的25个突现词，整理结果见表3、表4。

表3 15个突发权重最高的最新突发词(Wos)Tab.3 The 15 latest burst words with the highest burst weight (Wos)

表4 25个突发权重最高的最新突发词(CNKI)Tab.4 The 25 latest burst words with the highest burst weight(CNKI)

观察表3、表4的关键词突现权重，综合来看淹没的权重最高，表明洪水淹没是洪水模拟的关键要素。MIKE通过模拟洪水的淹没情况，包括淹没历时、淹没水深、淹没范围等获得洪水的各要素。由表3可见，国外的洪水管理在21世纪初就已经起步，关于洪水淹没的研究从2009年开始，一直持续到2017年突现期结束后被迭代。之后随着气候变化，关于洪水风险的分析开始突现并仍在持续。表4可见国内采用MIKE进行洪水模拟的研究在21世纪初起步。洪涝灾害频发使得人身安全和财产受到威胁，因此城市内涝和雨洪管理及洪水风险的研究持续相当长一段时间。随着国家防洪策略转变，洪水分析在2016年再次成为研究热点，采用MIKE21模拟洪水演进为洪水风险图制作提供技术支撑的研究增多。2020年耦合模型开始保持强势，并在未来一段时间在洪水模拟领域施加影响力，这表明之后耦合模型将会是模型模拟洪水研究的前沿领域。

4 不足与展望

MIKE模型在洪水模拟应用方面已有诸多研究，但目前仍存在一定探索空间，主要有：

(1)参数确定方法有待改进。模型运行所需参数没有普遍适用性，我国在应用MIKE模型模拟洪水时，缺乏结合区域特点的改进。今后的研究可以结合区域特点及实测地形对模型进行改进，以提高模型模拟精度和应用范围。

(2)数据精度有待提高。地形数据精度对洪水淹没深度和预测有较大影响，目前基础数据大多存在地形数据精度较低问题。采用无人机遥感技术获取高精度地形信息是提升模拟精度的可靠办法，然而由于无人机技术成本较高，且地形复杂地区实测困难，因此基于实测高精度地形的洪水模拟有待进一步研究。

(3)数据来源有限。MIKE模型模拟洪水时需地形图、水文监测等数据支撑，而我国相关数据库目前尚不完整，数据获取途径有限，需加强数据共享。

(4)耦合模型求解。如何在计算模块中加入反映产汇流的源项，实现产汇流、河道洪水、漫滩洪水等之间数据交换，更有效地计算洪水淹没情况也是需要解决的关键问题。