袁水龍，李占斌,2，李 鵬，高海東，王 丹，張澤宇

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MIKE耦合模型模擬淤地壩對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的影響

袁水龍1，李占斌1,2※，李 鵬1，高海東1，王 丹1，張澤宇1

（1. 西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

為科學(xué)認(rèn)識(shí)淤地壩建設(shè)對(duì)黃土高原小流域暴雨洪水過(guò)程的影響，該文通過(guò)分布式水文模型MIKE SHE和一維水動(dòng)力模型MIKE 11耦合模擬了不同壩型組合和壩系級(jí)聯(lián)方式下的小流域暴雨洪水過(guò)程，研究表明：1）淤地壩系建成后會(huì)使小流域洪水的洪峰和洪水總量明顯減少，其中骨干壩減幅最小，中型壩次之，小型壩減幅最大；串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種壩系級(jí)聯(lián)方式均使洪峰流量和洪水總量明顯減小，其中混聯(lián)壩系減幅最大，并聯(lián)壩系次之，串聯(lián)壩系最小。2）淤地壩建設(shè)改變了洪水歷時(shí)，其中骨干壩和中型壩增加了洪水歷時(shí)，而小型壩縮短洪水歷時(shí)。3）溝道連通性指數(shù)與洪峰流量、洪水總量均有很好的相關(guān)關(guān)系，淤地壩建設(shè)明顯降低了溝道連通性，通過(guò)改變溝道連通性調(diào)控了小流域的暴雨洪水過(guò)程?？蔀辄S土高原淤地壩安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

暴雨；洪水控制；淤地壩； MIKE模型；黃土高原

0 引 言

淤地壩作為控制溝道侵蝕、攔泥淤地、減少洪水和泥沙災(zāi)害的溝道治理工程措施，在中國(guó)黃土高原地區(qū)大量建設(shè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于淤地壩建設(shè)對(duì)徑流過(guò)程的影響進(jìn)行了較多研究，研究地區(qū)主要集中在黃土高原河口-龍門鎮(zhèn)區(qū)間以及涇河、渭河、北洛河、汾河等黃河泥沙主要來(lái)源區(qū)[1-5]。研究表明：淤地壩建設(shè)明顯削弱了徑流洪峰，減小了洪水總量，對(duì)徑流過(guò)程具有顯著的調(diào)節(jié)作用[6-9]。目前的研究主要集中在淤地壩建設(shè)對(duì)流域年徑流過(guò)程的影響，而對(duì)次暴雨洪水過(guò)程的影響研究鮮有報(bào)道，研究手段以實(shí)測(cè)對(duì)比為主，缺乏定量模擬。2009年水利部淤地壩安全大檢查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，截止2008年底，黃土高原地區(qū)共建成淤地壩9.1萬(wàn)座[10]。根據(jù)水利部《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》，到2020年黃土高原地區(qū)將建成淤地壩16萬(wàn)座。由于早期修建的淤地壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，施工質(zhì)量較差，加之經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行之后已逐漸淤滿，喪失滯洪攔沙能力，在暴雨洪水的襲擊下，潰壩情況時(shí)有發(fā)生。如2012年陜北地區(qū)遭遇特大暴雨，榆林綏德縣韭園溝流域內(nèi)45座淤地壩中有24座受到不同程度水毀[11]。如此數(shù)量巨大的淤地壩建設(shè)導(dǎo)致淤地壩防汛形勢(shì)異常嚴(yán)峻，如有不慎，將會(huì)影響淤地壩的安全運(yùn)行和效益發(fā)揮。本文通過(guò)分布式水文模型MIKE SHE和一維水動(dòng)力模型MIKE 11耦合，建立了王茂溝流域暴雨洪水模型，并利用實(shí)測(cè)的降雨徑流數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。通過(guò)模擬不同結(jié)構(gòu)淤地壩和壩系布局對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的影響，揭示淤地壩建設(shè)對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的調(diào)控機(jī)理，能夠?yàn)閮?yōu)化黃土高原小流域淤地壩系布局、黃土高原淤地壩建設(shè)和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

王茂溝流域地處陜西省榆林市綏德縣境內(nèi)，位于東經(jīng)110°20′26″～110°22′46″，北緯37°34′13″～37°36′03″，屬于無(wú)定河流域韭園溝中游左岸的一條支溝。流域面積5.97 km2，主溝道長(zhǎng)度3.80 km，流域海拔940～1 188 m，溝床平均比降2.70%，溝壑密度4.30 km/km2。氣候?yàn)闇貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，四季分明，溫差較大。根據(jù)綏德水土保持試驗(yàn)站多年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，王茂溝流域多年平均氣溫8 ℃，最高溫度39 ℃，最低溫度?27 ℃，多年平均無(wú)霜期175 d左右，水面年蒸發(fā)量為1 519 mm，最大1 600 mm，干旱冰雹等自然災(zāi)害頻發(fā)。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），年降水量極值比為3.17；年際變化大且年內(nèi)分布不均，每年7～9月降雨量占全年降水量65%左右。王茂溝流域從20世紀(jì)50年代開(kāi)展水土保持工作，截至2016年底，王茂溝正常運(yùn)行的淤地壩共有17座，其中骨干壩2座，中型壩6座，小型壩9座（圖1）。

圖1 王茂溝流域淤地壩布置圖

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

徑流泥沙數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)均來(lái)源于黃河水土保持綏德治理監(jiān)督局。綏德站在王茂溝流域設(shè)有氣象站和把口站，把口站監(jiān)測(cè)了王茂溝流域1962～1966年的徑流泥沙數(shù)據(jù)，主要包括水位、流量、含沙量和輸沙量。地形數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪局，大地基準(zhǔn)為1980西安坐標(biāo)系，等高距為5 m，紙質(zhì)地圖掃描后經(jīng)空間配準(zhǔn)、拼接、手動(dòng)跟蹤數(shù)字化生成shape文件，然后使用Hutchinson法生成分辨率為5 m的DEM。流域土地利用由Quick Bird影像目視解譯而來(lái)，影像分辨率為0.61 m，UTM投影，云量覆蓋為0，并通過(guò)綏德站60年代土地利用資料進(jìn)行調(diào)整，基本符合當(dāng)時(shí)的土地利用情況。溝道斷面數(shù)據(jù)利用ArcGIS10.1中的3D Analyst工具從5 m分辨率DEM提取，并結(jié)合實(shí)地測(cè)量對(duì)提取的斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。淤地壩的幾何特征數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)地測(cè)量，主要包括壩長(zhǎng)、壩高、壩寬及泄水建筑物的幾何尺寸。

1.3 溝道連通性指標(biāo)

連通性是評(píng)價(jià)河流生態(tài)系統(tǒng)的重要指標(biāo)，水利工程設(shè)施對(duì)河流縱向連續(xù)性具有較大影響[12-15]，通常采用縱向連續(xù)性指標(biāo)對(duì)河網(wǎng)連通性進(jìn)行評(píng)估?？v向連續(xù)性指標(biāo)能夠在一定程度上反映壩、閘等障礙物對(duì)河道過(guò)流能力、生物遷移、能量傳遞過(guò)程的影響[16-18]?？v向連續(xù)性指標(biāo)計(jì)算見(jiàn)公式（1）：

式中為縱向連續(xù)性指標(biāo)；為水系長(zhǎng)度，m；為水利工程等障礙物的數(shù)量。

淤地壩建設(shè)對(duì)溝道縱向連續(xù)性產(chǎn)生了重大影響，而且淤地壩系布局不同，對(duì)溝道連續(xù)性的影響也不同。參考河流連續(xù)性指標(biāo)計(jì)算公式（式1），本文提出了溝道連通度指標(biāo)計(jì)算公式：

式中為溝道連通性指數(shù)；為水系長(zhǎng)度，m；S為第條支溝長(zhǎng)度，m；n為第條支溝上淤地壩的數(shù)量；的取值范圍為0~1，值越接近于1，溝道的連通性越好。

1.4 模型構(gòu)建

由于本文研究的重點(diǎn)為溝道的水動(dòng)力過(guò)程，因此MIKE SHE模型只調(diào)用了坡面流模塊。首先在MIKE SHE模型中定義流域的范圍，研究區(qū)面積5.97 km2，以20 m′20 m的網(wǎng)格對(duì)流域進(jìn)行空間離散，共計(jì)29 700個(gè)網(wǎng)格。地形文件通過(guò)ArcGIS10.1將柵格大小為5 m分辨率的DEM處理生成shape點(diǎn)文件，將處理好的矢量格式數(shù)字高程數(shù)據(jù)文件直接導(dǎo)入模型，并采用三角形內(nèi)插法進(jìn)行插值，依據(jù)單元格大小設(shè)置搜索半徑為20 m。在次暴雨洪水過(guò)程中，流域的蒸散發(fā)量很小，因此忽略不計(jì)。利用MIKE軟件自帶工具將降水?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為dfs0文件并導(dǎo)入模型?？紤]模型的網(wǎng)格相對(duì)較大，同時(shí)根據(jù)研究區(qū)的地貌特點(diǎn)，將土地利用類型重新劃分為耕地、草地、林地、園地、居民用地和交通用地6類。坡面流模塊主要包含3個(gè)參數(shù)：曼寧系數(shù)（manning number）、滯蓄洪量（detention storage）和地表初始水深（initial water depth）。模型采用在降水?dāng)?shù)據(jù)中減去土壤入滲量作為模型的降水輸入。下滲量取值主要參考土壤類型估計(jì)（經(jīng)驗(yàn)取值2～20 mm/h），并考慮植被影響[19]。

通過(guò)MIKE SHE模擬坡面產(chǎn)匯流，MIKE 11模擬溝道匯流過(guò)程。利用ArcGIS10.1軟件從柵格大小為5 m分辨率的DEM提取流域的河網(wǎng)矢量文件（*.shp），將河網(wǎng)矢量文件導(dǎo)入MIKE 11模型，模型將自動(dòng)生成河網(wǎng)，并根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)修改河道里程。研究區(qū)共定義6條河道，通過(guò)河網(wǎng)文件中的水工建筑物來(lái)表達(dá)溝道中的淤地壩。將建好的MIKE 11模型和MIKE SHE耦合，建立王茂溝流域暴雨洪水模型。

1.5 模型率定與驗(yàn)證

采用試錯(cuò)法對(duì)王茂溝流域暴雨洪水模型進(jìn)行率定。選擇流域出口實(shí)測(cè)的徑流過(guò)程作為率定參量，選取觀測(cè)年限內(nèi)（1961－1964年）2場(chǎng)典型暴雨洪水過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行率定，選取觀測(cè)年限內(nèi)其他2場(chǎng)次暴雨洪水資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。理論上分布式流域水文模型可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定獲得參數(shù)，但由于觀測(cè)尺度和模擬尺度的差異以及試驗(yàn)測(cè)定的誤差等原因使得模型模擬時(shí)的單元格參數(shù)仍然需要率定[20-21]。同時(shí)分布式水文模型在參數(shù)率定時(shí)應(yīng)盡可能選取較少的參數(shù)，過(guò)多的參數(shù)不一定提高模型的精度，而且會(huì)使參數(shù)率定過(guò)程變得極為復(fù)雜[22-24]。因此本文選取較少的參數(shù)采用人工試錯(cuò)法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，需要率定的參數(shù)有：滯蓄洪量、曼寧系數(shù)、滲漏系數(shù)、各地類土壤入滲率。以決定系數(shù)2（式3）、Nash-Sutcliffe效率系數(shù)NSE（式4）判斷模型模擬效果[25-27]。

1.6 模型效果評(píng)價(jià)

黃土高原小流域降水的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為歷時(shí)短、雨強(qiáng)大，本研究選取的4場(chǎng)降雨是王茂溝小流域1962－1966年期間出現(xiàn)頻率很高的雨型，具有較好的代表性。將率定期和驗(yàn)證期的實(shí)測(cè)洪水過(guò)程和模擬值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證（圖2）。

圖2 王茂溝流域暴雨洪水模型率定和驗(yàn)證結(jié)果

結(jié)果表明，率定期和驗(yàn)證期模擬徑流和觀測(cè)徑流過(guò)程的吻合程度很高，模型很好地模擬了洪水過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，可以用來(lái)工況分析。模型率定期的Nash-Sutcliffe效率系數(shù)（NSE）均高于0.8，決定系數(shù)分別為0.90、0.88，洪峰流量的相對(duì)誤差僅為1.72%、3.33%。驗(yàn)證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)分別為0.60、0.71，決定系數(shù)均為0.72，洪峰流量相對(duì)誤差分別為11.05%、12.05%（表1）。對(duì)模型結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化是造成模型誤差的原因之一[28]，模型在驗(yàn)證期的精度低于率定期，可能是由于模型僅調(diào)用MIKE SHE坡面流模塊和MIKE 11進(jìn)行耦合，對(duì)降雨的入滲過(guò)程進(jìn)行概化造成的。

1.7 工況設(shè)計(jì)

淤地壩分為骨干壩、中型壩和小型壩3類，其中骨干壩由三大件構(gòu)成，包括：壩體、溢洪道、放水建筑物；中型壩由兩大件構(gòu)成，包括：壩體、放水建筑物；小型壩由一大件構(gòu)成，只包括壩體。為了探究淤地壩系建設(shè)對(duì)黃土高原小流域暴雨洪水過(guò)程的影響，本文對(duì)淤地壩不同壩型組合以及不同級(jí)聯(lián)方式下小流域暴雨洪水過(guò)程進(jìn)行了模擬。為了說(shuō)明不同類型淤地壩及其不同組合對(duì)小流域洪水過(guò)程作用的大小，設(shè)計(jì)了8種不同壩型組合工況（表2）；不同壩系級(jí)聯(lián)方式工況設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了同一集水區(qū)域，保證了進(jìn)入?yún)^(qū)域水量相同的條件下，壩系級(jí)聯(lián)方式對(duì)洪水過(guò)程的影響，不同級(jí)聯(lián)方式設(shè)計(jì)了4種工況（表3）。圖3為4種不同級(jí)聯(lián)方式下的淤地壩系布置圖。

表2 不同壩型組合的工況設(shè)計(jì)

表3 不同壩系級(jí)聯(lián)方式工況設(shè)計(jì)

圖3 不同級(jí)聯(lián)方式壩系布置圖

2 結(jié)果與分析

2.1 壩型組合對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的影響

溝道建壩之前，小流域的洪水過(guò)程陡漲陡落；建壩之后洪水過(guò)程明顯變緩，尤其是退水段更為明顯，退水時(shí)間延長(zhǎng)。對(duì)比流域未建壩、只建骨干壩、只建中型壩和只建小型壩的洪水過(guò)程線可以看出，骨干壩、中型壩和小型壩的建設(shè)均使小流域暴雨洪水的洪峰流量、洪水總量明顯減少。流域建設(shè)不同壩型組合工況下，小流域洪水過(guò)程明顯改變，但是不同的壩型對(duì)洪水的調(diào)節(jié)效果不同，不同壩型組合對(duì)洪水的調(diào)控作用也不同（圖4）。

注：W表示未建壩；G表示只建骨干壩；Z表示只建中型壩；X表示只建小型壩；GZ表示建設(shè)骨干壩和中型壩；GX表示建設(shè)骨干壩和小型壩；ZX表示建設(shè)中型壩和小型壩；GZX表示建設(shè)骨干壩、中型壩和小型壩，下同。

為了定量說(shuō)明不同壩型組合對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的影響，表4對(duì)不同工況下的洪水特征參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。由表4可得：流域不建壩（W）、只建骨干壩（G）、只建中型壩（Z）、只建小型壩（X）的洪峰流量分別為1.26、0.92、0.84、0.76 m3/s，3種壩型的修建分別使洪峰流量減少27.28%、33.39%、40.13%，其中小型壩的修建使洪峰削減最大；工況GZ、GX、ZX和工況GZX分別使洪峰減小38.07%、59.71%、60.75%、65.34%，不同的壩型組合對(duì)流域洪水的洪峰調(diào)節(jié)作用不同，流域壩系（GZX）建成后削峰作用最強(qiáng)。淤地壩建設(shè)不僅削減了流域洪水的洪峰流量，而且明顯減小了洪水總量。流域不建壩時(shí)，洪水總量為4 853.93 m3，溝道中基本不蓄水，這是由于溝道建壩之前，溝道比降較大，除了局部低洼處的積水，洪水基本可以快速流出流域。當(dāng)流域只建骨干壩時(shí)，淤地壩會(huì)攔蓄洪水105.63 m3，出溝洪水總量減小2.18%；只建中型壩時(shí)，攔蓄洪水1 314.50 m3，減小出溝洪水27.08%；只建小型壩時(shí)，會(huì)攔蓄洪水2 178.79 m3，減小出溝洪水44.89%，說(shuō)明在溝道中修建小型壩能夠攔蓄大部分洪水，出溝洪水最少。這是由于小型壩基本為沒(méi)有放水建筑物的“悶葫蘆”壩，對(duì)上游來(lái)水全攔全蓄，而且流域中小型壩數(shù)量最多，因此小型壩修建使出溝洪水的減幅最大。工況GZ、GX、ZX和工況GZX分別使小流域洪水總量分別減小27.37%、45.15%、58.42%、58.67%，其中當(dāng)壩系（GZX）建成后洪水總量減幅最大。對(duì)比流域洪水歷時(shí)可以看出，工況G、工況Z和工況GZ均為骨干壩和中型壩組合，增加了流域洪水歷時(shí)；工況X、工況GX、工況ZX和工況GZX均建有小型壩，減小了流域洪水歷時(shí)，說(shuō)明淤地壩建設(shè)改變了小流域的洪水歷時(shí)，其中骨干壩和中型壩增加了洪水歷時(shí)，小型壩縮短了洪水歷時(shí)。

表4 不同工況條件下洪水特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.2 壩系級(jí)聯(lián)方式對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的影響

為了對(duì)比不同壩系級(jí)聯(lián)方式對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的影響，選擇同一集水區(qū)域，設(shè)置未建壩、串聯(lián)壩系、并聯(lián)壩系、混聯(lián)壩系4種工況進(jìn)行工況模擬，3種壩系級(jí)聯(lián)方式均使洪水過(guò)程明顯坦化，洪峰、洪量急劇減小，其中混聯(lián)壩系減幅最大，并聯(lián)壩系次之，串聯(lián)壩系最?。▓D5）。

注：W表示未建壩；CL表示串聯(lián)壩系；BL并聯(lián)壩系；HL混聯(lián)壩系。下同。

為了定量分析壩系級(jí)聯(lián)方式對(duì)小流域洪水過(guò)程的影響，統(tǒng)計(jì)了4種工況下的小流域暴雨洪水特征值（表5）。由表5可得：未建壩（W）、串聯(lián)（CL）、并聯(lián)（BL）、混聯(lián)（HL）四種工況下的洪峰流量分別為0.73、0.26、0.18、0.12 m3/s，串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)壩系分別使洪峰減小64.30%、75.38%、83.31%，其中混聯(lián)壩系的減幅最大。不同壩系級(jí)聯(lián)方式不但減小了小流域暴雨洪水的洪峰，而且大幅減小了洪水總量。串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)壩系分別使洪水總量減小37.52%、50.88%、52.68%，與對(duì)洪峰的調(diào)控作用類似，仍然是混聯(lián)方式的減小幅度最大、并聯(lián)次之、串聯(lián)最小。對(duì)比壩系級(jí)聯(lián)方式對(duì)洪峰出現(xiàn)時(shí)間的影響，可以得出并聯(lián)壩系并未改變洪峰出現(xiàn)的時(shí)間，串聯(lián)壩系和混聯(lián)壩系使洪峰出現(xiàn)時(shí)間滯后。

表5 不同工況條件下洪水特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 討 論

淤地壩通過(guò)攔蓄洪水，顯著改變了流域次暴雨洪水過(guò)程。前人大多采用對(duì)比流域法研究淤地壩建設(shè)對(duì)小流域次洪過(guò)程的影響，有學(xué)者研究表明，建壩流域相比未建壩流域，洪峰流量、徑流系數(shù)明顯減小，洪水滯時(shí)顯著增加[29-30]。這些方法只能整體上研究已建成壩系對(duì)次洪過(guò)程的影響，而不能區(qū)分不同類型淤地壩或者不同壩系布局在這種影響中占多大的比例。本文通過(guò)模擬不同壩型組合和壩系布局下小流域暴雨洪水過(guò)程，識(shí)別了不同壩型及不同壩系級(jí)聯(lián)方式在調(diào)節(jié)洪水過(guò)程中發(fā)揮的作用。上文分析得出，小流域壩系中骨干壩、中型壩和小型壩的建設(shè)分別使洪峰減小27.28%、33.39%、40.13%，洪量減少2.18%、27.08%、44.89%，小型壩建設(shè)對(duì)洪水過(guò)程影響最大，中型壩次之，骨干壩最小。主要是由這3種壩型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，小型壩沒(méi)有放水建筑物，對(duì)區(qū)間及上游來(lái)水幾乎是全攔全蓄，只要不發(fā)生潰壩洪水基本不會(huì)出溝，因此洪峰和洪量的減幅最大；中型壩一般設(shè)有臥管或豎井等放水建筑物，洪水會(huì)通過(guò)放水建筑排出；骨干壩不但設(shè)有放水建筑物而且設(shè)有溢洪道，當(dāng)洪水到達(dá)時(shí)會(huì)及時(shí)通過(guò)放水建筑物和溢洪道排出，因此洪峰和洪量的減幅最小，但是骨干壩作為流域壩系中的控制性工程，對(duì)中型和小型壩起到保護(hù)作用。為了進(jìn)一步分析，壩系布局分析壩系布局對(duì)暴雨洪水過(guò)程的作用機(jī)理，通過(guò)式2計(jì)算了8種不同壩型組合下溝道的連通性指數(shù)（表6），淤地壩建設(shè)明顯降低了溝道的連通性，壩系建成后會(huì)使溝道連通性降低79.0%。圖6和圖7分別建立了溝道連通性指數(shù)與洪峰流量、洪水總量的相關(guān)關(guān)系。由圖可以看出，溝道連通性指數(shù)與洪峰流量的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97，與洪水總量的相關(guān)系數(shù)為0.89。溝道連通性指數(shù)與洪峰流量和洪水總量均有很好的相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明壩系布局通過(guò)改變溝道連通度調(diào)節(jié)流域的暴雨洪水過(guò)程。

表6 不同工況下溝道連通性指數(shù)

圖6 溝道連通度與洪峰流量的關(guān)系

圖7 溝道連通度與洪水總量的關(guān)系

4 結(jié) 論

1）通過(guò)MIKE SHE和MIKE 11耦合建立的王茂溝流域暴雨洪水模型，率定期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)高于0.8，決定系數(shù)2高于0.85；驗(yàn)證期Nash-Sutcliffe效率系數(shù)高于0.6，決定系數(shù)R高于0.7，說(shuō)明模型可以用來(lái)模擬黃土高原小流域次暴雨洪水過(guò)程，并且具有較好的精度。

2）淤地壩建設(shè)會(huì)明顯削減洪峰，減小洪水總量，坦化洪水過(guò)程。小流域壩系建成后會(huì)使洪峰減小65.34%，洪水總量減少58.67%；單獨(dú)建設(shè)骨干壩、中型壩和小型壩分別使洪峰減小27.28%、33.39%、40.13%，洪量減少2.18%、27.08%、44.89%，其中小型壩的削峰滯洪作用最強(qiáng)；淤地壩建設(shè)改變了小流域的洪水歷時(shí)，其中骨干壩和中型壩增加了洪水歷時(shí)，小型壩縮短了洪水歷時(shí)。

3）串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種壩系級(jí)聯(lián)方式均會(huì)使流域暴雨洪水過(guò)程坦化，洪峰、洪量減小，其中混聯(lián)方式減幅最大，并聯(lián)次之，串聯(lián)最??；3種壩系級(jí)聯(lián)方式會(huì)使洪峰分別減小64.30%、75.38%、83.31%，洪水總量減少37.52%、50.88%、52.68%；并聯(lián)壩系不會(huì)改變洪峰出現(xiàn)時(shí)間，串聯(lián)和混聯(lián)壩系使洪峰出現(xiàn)時(shí)間滯后。

4）淤地壩建設(shè)明顯降低了溝道連通性，壩系建成后會(huì)使溝道的連通性降低79.0%。溝道連通性指數(shù)與洪峰流量、洪水總量均有很好的相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.97和0.89，淤地壩系通過(guò)改變溝道連通性調(diào)節(jié)了小流域的暴雨洪水過(guò)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

袁水龍，李占斌，李 鵬，高海東，王 丹，張澤宇. MIKE耦合模型模擬淤地壩對(duì)小流域暴雨洪水過(guò)程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，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

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0402404）；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41330858）

袁水龍，博士生。主要研究方向：流域水文模擬與水土保持。Email：yuanshuilong@163.com

李占斌，，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。Email：zhanbinli@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.018

S157

A

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