基于MIKE SHE模型的平原區流域暴雨內澇模擬

姜鈞耀 劉 璐 彭 慧 王翊人

（山東省水利勘測設計院 濟南 250013）

1 引言

平原區暴雨內澇是平原區主要威脅之一。隨著洪澇災害造成社會經濟損失的持續增長，單靠工程防洪措施控制洪水的理念是不現實、不可行、不經濟的，因此，應用流域水文模型模擬暴雨內澇過程，是解決防洪問題的關鍵，也是防洪減災的重要依據。

目前，國內對平原區內澇模擬研究成果較少。本文以洙趙新河流域為例，將MIKE SHE 模型應用到平原流域暴雨內澇模擬，科學準確地對流域內可能發生的洪水演進過程、到達時間、淹沒水深、淹沒范圍等過程特征進行預測分析評估，旨在提高洪水預報預警服務能力和服務水平。

2 研究區域概況

洙趙新河位于山東省西南部，是跨菏澤、濟寧兩市的大型防洪排澇骨干河道。該河全長145.05km，流域面積4206km2，地勢低洼，流域內發生大洪水時一方面受南四湖湖水位頂托影響，干流洪水消退時間較長；另一方面平原地區凈雨產生的坡面流將一部分滯蓄在干流堤外形成內澇，剩余水量在較短時間內不能全部匯入干流，因此該流域洪水具有歷時時間長、匯流速度慢等特點；流域內有15 個雨量站、3 個水文站，水文資料較為豐富，

因此本文選取該流域作為平原區典型研究區域。

3 構建內澇模型

3.1 模型適應性研究

本文首次將MIKE SHE 模型應用到平原流域暴雨內澇模擬。MIKE SHE 模型是在20 世紀90年代初，由丹麥水力學研究所在SHE 基礎上進一步發展研制的一個綜合性且具有物理意義的分布式水文模型，主要適用于濕潤半濕潤蓄滿產流地區。本文研究的洙趙新河流域屬于半濕潤地區，且主要應用MIKE SHE 模型模擬汛期大量級降雨洪水過程，汛期發生大量級洪水前期一般會有多場小量級降水發生，小量級降水能增加土壤含水量，加快產流，可認為汛期土壤是飽和的，暴雨發生時為蓄滿產流，這就保證了模型在該流域開展研究的一個必要條件。此外，模型能夠根據氣候、地形、河網、下墊面等眾多因素模擬流域暴雨產匯流過程，模擬結果文件可根據模擬步長定量分析不同時刻流域內坡面內澇量及河道水量，使得該模型更加適應本項目研究。

MIKE SHE 模型的水流運動模塊是一個模塊化結構，主要由6 個獨立并且相互聯系的子模塊組成：蒸散發、坡面漫流、明渠流、不飽和帶流、飽和帶流、融雪。考慮到該流域汛期地下水水位較高且土壤屬黏性土壤下滲率小，地表水與地下水的交換水量較少，因此在產流計算時未使用飽和帶流模塊，而該流域融雪基本不會補給河流水量，本次應用蒸散發、坡面漫流、明渠流、不飽和帶流4 個模塊進行流域產匯流分析研究。

3.2 內澇模型建立與驗證

MIKE SHE 模型構建的內容包括模型范圍與網格設置、地形插值、氣候（降水和蒸發）資料輸入、坡面糙率文件的錄入、不飽和帶參數的設置以及明渠流模塊建立。MIKE 11 模型通過明渠流模塊與MIKE SHE 耦合，MIKE 11 模型搭建主要包括河網、斷面、邊界條件、河道參數等內容。

構建模型過程中，由于平原區河網分布密集、支溝較多的特殊性，為模擬與實際接近，本文在河網及斷面等處理上積累了一定的經驗：平原區流域內中小河流眾多，構建河網文件時，除主要的干支流，需對部分小河溝眾多處做概化處理；收集流域內主要河流斷面資料，補充測量流域內其他河道斷面數據，考慮平原河道斷面較為平緩，部分河道測量河首與河尾，中間河段采用內插的方法進行補充；比對各個支流入干流處支流與干流斷面，以支流斷面河底高程接近干流斷面河底高程進行修正；考慮流域內小支流及小溝數量眾多，對個別支流斷面進行加寬、加深處理；根據流域內居民地、耕地、空地等主要地物設置不同的曼寧系數；考慮流域面積較大且軟件對文件大小的限制，收集流域1 ∶10000精度DEM，運用GIS 技術經填洼、提取后轉化為30m×30m 精度DEM 導入地形模塊。

以梁山閘水文站作為流域出口端面控制站，選取本流域內前兩場大洪水（1978/06/30～1978/07/09、1975/09/17～1975/09/26）實測洪水資料進行模型參數率定。指標采用《MIKE SHE 用戶手冊（DHI，2011d）》中提到的平均誤差ME（Mean error）、均方根誤差RMSE、Nash-Sutcliffe 系數（R2）來評價。經計算，模型性能參數均在接受范圍內（見表1），模型模擬效果較好。

表1 參數率定評價指標表

洙趙新河流域模型率定兩場洪水的平均誤差ME基本為0，Nash-Sutcliffe 系數達到0.9 左右，非常接近1，模型的模擬效果極佳。但RMSE 值較大，考慮到本次模型模擬優先保證洪量及洪水過程線與實測相吻合，在極端值方面會有一定出入。因此總體看來，本次模擬選取的參數可進一步進行參數驗證。

選取該流域1993年實測典型洪水進行模型參數驗證，將實測降雨過程及設計過程輸入模型，應用之前率定得到的參數，根據實際情況微調部分參數（坡面滯蓄水深及下游水位等）得到模擬結果，模擬所得的結果如表2 所示。

表2 梁山閘處洪峰、洪量模擬結果表

通過結果可以看出模擬的峰值和洪量誤差都在5%以內，符合規范要求。從水量平衡的角度考慮，模擬洪量與實測洪量越接近，模型模擬水量分配越準確，本套參數能極好地控制洪量與實測相吻合，故可以應用本次調試完畢的模型進行應用。

4 內澇分析

以1993年洪水模擬為例，根據模型模擬結果，對平原區流域易澇區做相應預警，并闡述平原區內澇水量計算方法。

4.1 預警易澇區

結合模型模擬動態結果做易澇區分析，內澇過程模擬動態圖如圖1 所示。

圖1 內澇過程模擬動態圖

根據內澇動態變化過程，將暴雨內澇分四個階段：第一階段，降雨初期，降雨量較少，坡面水分布較為零散，還未形成內澇；第二階段，坡面水開始積聚，流域出口位置處由于下游湖水位的頂托影響，流域出口處形成一定的澇水；第三階段，隨著降雨天數的增加和降雨強度的變大，坡面澇水嚴重，除流域出口位置的澇水外，受堤防、道路等線狀地物的阻攔及分隔，在支流匯入干流處及低洼處形成大量澇水；第四階段，降雨強度逐漸變小，坡面大量澇水隨河道流出，澇水較為集中。

流域內易澇區域主要為支流匯干流處，地勢低洼處，受下游湖水位頂托流域下游出口處等，符合平原區實際內澇規律，根據澇水位置對相應區域可做易澇區預警。

4.2 內澇水量計算

內澇水量可結合Arcgis 軟件技術進行評估計算，從研究區域偏安全角度考慮，往往關注該區域的最大內澇水量，以定量推求洙趙新河流域1993年最大內澇量為例，對內澇水量計算方法進行說明。

運用MIKE SHE 水量平衡模塊，對模擬結果文件做水量平衡計算分析，根據水量平衡分析結果。模擬第三天，坡面存儲交換量最大，此時即為內澇水量最大時刻，將此刻各個網格內澇水深模擬結果導入Arcgis 軟件中，統計流域內水深值，統計表如表3 所示。

表3 內澇水深統計結果表

根據內澇水深統計表，流域內網格水深平均值為所推求時刻的內澇水深值，與流域面積的乘積為該區域所求的最大內澇水量。

5 結論

（1）本文構建了基于地面高程、下墊面條件及河流水系等要素的暴雨內澇模型，模擬了流域內暴雨內澇演進過程，提出了平原區流域內預警易澇區域及計算內澇水量的新方法，目前已應用于全國多個重點防洪保護區洪水風險圖項目中。

（2）本文未考慮實時暴雨下的內澇預警，今后可與氣象部門合作，進一步開展平原區實時暴雨預警■