劉 晗，王 坤，候云寒，徐征和，于 瀟，張珊珊

(1. 濟南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250022；2. 山東省濟南市章丘黃河河務(wù)局，山東 濟南 250200；3. 山東省高唐縣水務(wù)局，山東 聊城 252800)

0 引 言

近年來，受極端天氣的影響，洪水災(zāi)害在世界各地發(fā)生的消息屢見不鮮。其波及范圍之廣，使之成為備受各國政府以及科研人員關(guān)注的焦點。為了提高城市應(yīng)對暴雨洪澇災(zāi)害的能力，國內(nèi)外關(guān)于城市暴雨洪澇災(zāi)害的研究逐漸從關(guān)注災(zāi)害成因機理和災(zāi)情數(shù)理統(tǒng)計方法轉(zhuǎn)向注重災(zāi)情實時動態(tài)變化、高精度的基于情景模擬的分析方法[2]。

山丘區(qū)小流域洪水具有與江河洪水顯著不同的特性,在洪水風(fēng)險分析、監(jiān)測預(yù)警等技術(shù)方面也存在顯著不同[3],因此,加強山區(qū)小流域洪水風(fēng)險管理及相關(guān)技術(shù)研究,對于提高我國山區(qū)小流域洪水風(fēng)險管理水平、切實減輕山洪災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失，具有十分重要的現(xiàn)實意義。MIKE 11模型是一款比較成熟的模型，通過耦合降雨徑流模塊和水動力模塊實現(xiàn)徑流模擬，廣泛應(yīng)用于防洪、水資源保護及水利工程設(shè)計管理等方面[4]。本研究基于外業(yè)測量數(shù)據(jù)及內(nèi)業(yè)搜集到的資料，利用MIKE11模擬軟件建立了研究區(qū)數(shù)學(xué)模型，其中主要包括NAM坡面降雨徑流模型和HD水動力模型，同時，將兩者進行耦合，并對其中的參數(shù)進行了率定和驗證，形成一維河道洪水演進模型，對不同計算方案下的洪水淹沒過程進行了模擬。

1 研究區(qū)概況

歷城區(qū)地處36°19′51″N～36°53′45″N，116°55′24″E～117°22′15″E，位于濟南市區(qū)東、南部。地處魯中南低山丘陵與魯西平原交接地帶。研究區(qū)位于歷城區(qū)的南部山區(qū)，隸屬歷城區(qū)柳埠鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)位于歷城區(qū)東南部。屬暖溫帶半濕潤區(qū)的大陸性季風(fēng)氣候。春季干燥少雨，多西南、偏南風(fēng)；夏季炎熱多雨；秋季天高氣爽，秋溫高于春溫；冬季長而寒冷干燥，多東北風(fēng)[5]。多年平均降水量665.7 mm。

主要對濟南市歷城區(qū)柳埠鎮(zhèn)鎮(zhèn)駐地以上3個小流域進行詳細研究，所在河流為錦陽川部分河段，即包括部分長峪(干流)之水、桃科之水以及亓城之水，以下分別稱之為干流、桃科河以及亓城河，小流域名稱與之對應(yīng)。干流研究范圍為源頭至柳埠鎮(zhèn)柳埠中村下游斷面處，河流長度為18.57 km，流域面積為53.42 km2；桃科河全長10.7 km，流域面積為44.94 km2；亓城河溝道長度為8.72 km，流域面積為22.03 km2。

圖1 研究區(qū)水系及流域分布圖Fig.1 Distribution map of water system and watershed in the study area

2 產(chǎn)匯流模型的構(gòu)建

2.1 NAM模型構(gòu)建

NAM模型是MIKE11 RR(Rainfall-Runoff)模塊包含的多種降雨徑流模擬方法中的一種，是一個集中式、概念模型，主要用于模擬自然流域內(nèi)的降雨徑流過程[6]。在NAM模塊中，通過植物土壤根區(qū)儲水層、地表儲水層等4個相互影響的儲水層的水量模擬產(chǎn)匯流過程[7]。NAM模型的建立包括以下幾步：流域信息屬性頁，NAM模型屬性頁，時間序列文件頁。

(1)流域信息屬性頁。流域信息屬性頁主要是對研究區(qū)所涉及流域的信息特征進行定義以及展示。分為流域定義和流域列表兩個區(qū)域。為研究方便，將研究區(qū)劃分為3個流域，流域面積如圖2所示。并從歷城區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查評價數(shù)據(jù)采集終端提取各流域信息特征，如表1所示。

圖2 研究區(qū)流域面積示意圖Fig.2 Schematic diagram of basin area of the study area

表1 各流域信息特征表Tab.1 Information characteristics of each watershed

(2)NAM模型屬性頁。NAM模型屬性頁是對模型涉及的所有參數(shù)進行設(shè)置的頁面。主要包括地表-根區(qū)參數(shù)頁、地下水參數(shù)頁、融雪參數(shù)頁、灌溉參數(shù)頁、初始條件參數(shù)頁以及自動率定參數(shù)頁。其中，融雪和灌溉參數(shù)頁為可選選項，由于模擬過程中沒有考慮，因此不需要設(shè)置。參照研究區(qū)自然概況及相關(guān)文獻，各參數(shù)頁所需設(shè)置的主要參數(shù)如表2所示。

2.2 HD模型的建立

MIKE11 HD模塊建模時需要4個文件，包括：河網(wǎng)文件、斷面文件、邊界文件以及HD參數(shù)文件[8]，模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

(1)河網(wǎng)文件。河網(wǎng)概化的原則是能基本反映天然河網(wǎng)的水力特性，即概化后河網(wǎng)輸水能力和調(diào)蓄能力與實際河網(wǎng)相近或基本一致[9]。山丘區(qū)小流域天然河道結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為減少工作量和提高模型效率，往往需要對河網(wǎng)進行合理概化。在河網(wǎng)文件建立時，通過搜集到的歷城區(qū)數(shù)字線劃圖(DLG)和數(shù)字正射影像圖(DOM)，對河網(wǎng)各溝道位置及其之間的水力聯(lián)系進行繪制和設(shè)置。模型中河網(wǎng)文件如圖4所示。

表2 NAM模型主要參數(shù)及取值情況Tab.2 Main parameters and values of NAM model

圖3 HD模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of HD model

圖4 研究區(qū)河網(wǎng)文件Fig.4 River network file of the study area

(2)斷面文件。斷面數(shù)據(jù)來源于歷城區(qū)山洪災(zāi)害調(diào)查項目中的實測斷面數(shù)據(jù)，為滿足模型精度以及運行穩(wěn)定性要求，在研究區(qū)共設(shè)置了48處斷面，其中干流設(shè)置了18處，桃科河設(shè)置22處，亓城河設(shè)置了8處。本文在各流域分別選取一個典型村對斷面特征進行展示，如圖5所示。

圖5 各流域典型斷面剖面圖及照片F(xiàn)ig.5 Typical sections and photos of each basin

(3)邊界文件。MIKE11 HD中邊界條件設(shè)置包括內(nèi)部邊界條件和外部邊界條件兩種。本次研究考慮河流的外部邊界條件。干流及各支流上游邊界條件設(shè)置為流量邊界，下游設(shè)置為流量水位關(guān)系邊界[10]。由于研究區(qū)內(nèi)沒有水文監(jiān)測站點，缺乏流量時間序列文件，因此設(shè)置流量邊界數(shù)據(jù)類型為定流量邊界。并且由于各上游邊界均位于河流的源頭，無其他小支流匯入，故研究將各流量邊界數(shù)值設(shè)置為0。

(4)參數(shù)文件。HD參數(shù)文件包含眾多屬性頁，常見的需要設(shè)置的屬性頁主要有兩項：初始條件屬性頁和河床糙率屬性頁。據(jù)實踐經(jīng)驗，本研究初始流量設(shè)置為0，初始水深根據(jù)汛期河道內(nèi)平均水深，設(shè)為0.5 m。河床糙率是HD模型所要率定的參數(shù)，研究區(qū)糙率根據(jù)外業(yè)調(diào)查情況，參照天然河道典型類型和特征情況下的糙率，參考《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》(SL537-2011)以及水利電力部東北勘測設(shè)計院《洪水調(diào)查》成果中有關(guān)天然糙率的取值。

2.3 NAM模型與HD模型耦合

為了更好地模擬小流域暴雨洪水的演進過程，從而為河道洪水演進模擬提供模型基礎(chǔ)，MIKE11可以實現(xiàn)降雨徑流(NAM)模型和水動力模型(HD)的耦合[11]。在河網(wǎng)文件的列表視窗(Tabular)下的Runoff/groundwater中點擊添加一個Rainfall-Runoff link，并在右側(cè)添加流域的信息以及與HD連接的河流名稱和位置，可定義連接的河道上下游的里程點。將桃科河小流域、亓城河小流域和干流小流域的NAM坡面降雨模型以線源的形式匯入水動力模型的河網(wǎng)中，并在Mike11界面勾選帶入RR模塊進行模擬計算。

流域的產(chǎn)匯流可以以點源和線源兩種方式匯入到河網(wǎng)中，可以通過設(shè)置所連接河道得上下游里程數(shù)來控制，若上下游里程數(shù)一樣，說明產(chǎn)匯流以點源的形式匯入河網(wǎng)，反之，以線源的形式匯入河網(wǎng)。本研究中涉及的三個小流域均以線源的形式匯入河網(wǎng)，具體的設(shè)置情況如表3所示。

表3 NAM與HD耦合設(shè)置Tab.3 NAM and HD coupling Settings

3 模型的率定及驗證

3.1 率定方法

本文在進行參數(shù)率定時主要利用模型自動率定功能結(jié)合人工微調(diào)的方式。根據(jù)搜集到的柳埠和窩鋪兩個雨量站1976年以來的汛期降雨資料，選取柳埠鎮(zhèn)受山洪災(zāi)害影響較為嚴(yán)重的19940629場、20000809場、20130723場3個暴雨場次資料轉(zhuǎn)化為時間序列，用于模型參數(shù)的率定。受區(qū)域?qū)崪y資料限制，流域缺乏徑流系列資料，因此，對于流域出口流量過程線的獲得，利用水文計算公式法推求，其中，各流域產(chǎn)流和匯流過程分別利用降雨-徑流相關(guān)法和單位線法計算。

3.2 率定結(jié)果及分析

利用上述參數(shù)率定方法，將19940629、20000809、20130723三場洪水場次的暴雨資料作為模型的輸入，并以推求所得的與各場暴雨相對應(yīng)的洪水過程線作為實測資料運用到模型的輸出，經(jīng)過模型自動率定以及人工反復(fù)調(diào)整，使得模型模擬結(jié)果與流域出口流量過程實現(xiàn)吻合。各小流域洪水模擬值與實測值對比結(jié)果(19940629場次)如圖6-8所示。各主要參數(shù)最終取值如表4和5所示。

在湖北省實行夏制，抽穗揚花期安排在8月中下旬較為理想。第一期父本5月上旬播種，與母本的播期宜相差在30～35 d。

圖6 干流小流域19940629場次洪水NAM模擬結(jié)果圖Fig.6 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the main stream

圖7 亓城河小流域19940629場次洪水NAM模擬結(jié)果圖Fig.7 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the Qi Cheng river

圖8 桃科河小流域19940629場次洪水NAM模擬結(jié)果圖Fig.8 NAM simulation results of 19940629 subfield flood in a small watershed of the Tao Ke river

研究選用洪峰相對誤差REp、洪量相對誤差REv、峰現(xiàn)時差ΔT、擬合系數(shù)R2四個指標(biāo)對模型模擬精度進行評價。其中REp、REv、ΔT的絕對值越小表示模擬結(jié)果越好，洪峰相對誤差REp、洪量相對誤差REv的許可誤差為 20.0%，峰現(xiàn)時差的許可誤差為 3 h[12]；R2值越趨近于1，表示模擬結(jié)果越好。場次洪水率定結(jié)果及誤差分析如表6所示。

表4 各流域NAM參數(shù)取值表Tab.4 NAM parameter values of each watershed

表5 各河段特征及糙率取值情況Tab.5 Characteristics and roughness values of each river section

表6 NAM模型率定結(jié)果及誤差分析Tab.6 calibration results and error analysis of NAM model

由表6可知，三場暴雨作用下流域產(chǎn)匯流模擬過程中，3個小流域內(nèi)模擬洪峰及洪量均比實測情況偏小，但兩者相差不大，相對誤差也較小，基本控制在10%以內(nèi)。干流小流域與桃科小流域模擬流量及洪量過程線與實測情況吻合較好，峰現(xiàn)時間稍有滯后，但在允許誤差范圍以內(nèi)。亓城河小流域模擬結(jié)果較其他兩個小流域稍差，洪水滯后時間稍長，但各流域擬合系數(shù)基本在0.8以上，總體模擬結(jié)果較好，滿足精度要求。

3.3 模型驗證

為提高模型精度，同時也為檢驗各模型參數(shù)的合理性，本文采用《歷城區(qū)山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)檢驗與復(fù)核》項目中對20160722場次洪水河道洪痕現(xiàn)場調(diào)查及測量的結(jié)果來驗證耦合模型的模擬精度。河道具體測量成果如表7所示，各典型村模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比圖如圖9-11所示，驗證結(jié)果如表8所示。

表7 河道測量成果Tab.7 river survey results

圖9 干流小流域模擬和實測水位的對比圖—岱密庵村河道Fig.9 Comparison of simulated and measured water level in small watershed of dry stream

圖10 桃科河小流域模擬和實測水位的對比圖—桃科莊村河道Fig.10 Comparison of simulated and measured water level in the small watershed of Tao Ke river

圖11 亓城河小流域模擬和實測水位的對比圖—亓城村河道Fig.11 Comparison of simulated and measured water level in the small watershed of Qi Cheng river

由小流域模擬和實測水位對比圖以及耦合模型模擬驗證結(jié)果可以看出，各小流域河道模擬最高洪水位從上游到下游變化趨勢與河道縱斷面下降趨勢相符，模擬水面線形態(tài)及高程與實際測量情況相似，且模擬最高洪水位與實測水位相差不大，因此，認為耦合模型滿足驗證精度，模型整體模擬效果可信[13]。

表8 耦合模型模擬驗證結(jié)果 mTab.8 simulation and verification results of coupling model

4 模擬與分析

耦合模型的建立為小流域洪水演進過程的模擬提供了模型基礎(chǔ)，為了預(yù)測不同量級洪水對小流域的影響，研究通過對洪水來源、洪水量級以及洪水組合方式的綜合考慮，擬定了5種不同的洪水模擬計算方案，如表9所示。通過設(shè)置相應(yīng)的時間序列文件以及各河段不同的上、下邊界條件，利用MIKE11水文-水動力耦合模型進行不同計算方案下的河道沿程洪水演進模擬，并完成了相應(yīng)運行結(jié)果的分析，從而為小流域防洪評價提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

表9 洪水模擬方案設(shè)計Tab.9 flood simulation scheme design

(1)不同河段沿程100 a一遇洪水量級模擬水面線動態(tài)結(jié)果如圖12-14所示。由模擬結(jié)果可知，干流及各支流100 a一遇量級洪水淹沒水面線形態(tài)隨河道地形變化下降，無明顯忽高忽低等不合理現(xiàn)象，符合河道洪水演進規(guī)律。研究對不同量級洪水模擬結(jié)果也進行了對比分析，可知洪水淹沒水面線隨洪水量級的增大而逐漸升高，但漲幅動態(tài)變化不明顯，因此，其他量級洪水淹沒水面線動態(tài)圖不再進行逐個展示。

圖12 干流100 a一遇洪水量級模擬水面線圖Fig.12 Simulated surface diagram of dry flow at the order of magnitude of once-in-a-century flood

圖13 亓城河100 a一遇洪水量級模擬水面線圖Fig.13 Simulated surface diagram of Qi Cheng river at the order of magnitude of once-in-a-century flood

(2)不同計算方案各流域典型村洪峰流量及最高洪水位計算結(jié)果如表10所示。由表11可知，隨著洪水量級的增大，各斷面最高水位隨之升高，洪峰流量也逐漸增大，在河流交匯處的柳埠中村典型斷面百年一遇洪水洪峰流量達1 000 m3/s以上，且流量越大，水位越高。

圖14 桃科河100 a一遇洪水量級模擬水面線圖Fig.14 Simulated surface diagram of Tao Ke river at the order of magnitude of once-in-a-century flood

(3)不同計算方案下各流域典型村淹沒水深如表11所示。由表11可知，隨洪水量級的增大，各斷面淹沒水深逐漸升高，部分河段淹沒水深達4.5 m以上。干流及各支流淹沒水深從上游至下游沒有呈現(xiàn)明顯規(guī)律，這與山丘區(qū)地形起伏較大以及河道斷面的自然形態(tài)有關(guān)。

5 結(jié) 論

研究利用MIKE11模型軟件構(gòu)建了流域產(chǎn)匯流模型以及河道水動力模型，同時將兩者耦合形成一維河道沿程洪水演進模型。利用耦合模型對5種不同計算方案下的洪水演進過程進行了模擬，得出了不同量級洪水淹沒水面線動態(tài)結(jié)果、各斷面洪峰流量及淹沒水位結(jié)果和各斷面淹沒水深結(jié)果。主要完成的工作及結(jié)論如下：

表10 不同方案下各典型斷面洪峰流量及最高水位計算成果表Tab.10 Results of calculating flood peak flow and maximum water level of each typical section under different schemes

表11 不同計算方案下各典型斷面淹沒水深計算成果表Tab.11 Results of calculation of flood depth of each typical section under different calculation schemes

(1)利用MIKE11水動力模塊(HD)構(gòu)建研究區(qū)河道內(nèi)水動力模型，并且與降雨徑流模塊(NAM)耦合，實現(xiàn)了流域產(chǎn)匯流過程及河道內(nèi)洪水演進過程的耦合，經(jīng)過參數(shù)的率定，最終確定模型中各主要參數(shù)的取值。同時由模型的率定及驗證結(jié)果可知，模型整體模擬效果可信。模型在模擬缺乏資料的山丘區(qū)小流域的降雨洪水過程中具有良好的適用性，而且可應(yīng)用于實際山丘區(qū)小流域的預(yù)警指標(biāo)的計算分析中。

(2)由模型模擬結(jié)果可知：干流及支流各量級洪水淹沒水面線形態(tài)隨河道地形變化下降，無明顯忽高忽低等不合理現(xiàn)象。隨著洪水量級的增大，各斷面最高洪水位隨之升高，洪峰流量也逐漸增大。各斷面淹沒水深隨洪水量級的增大逐漸升高。以上結(jié)論均符合河道洪水演進規(guī)律，可為該地區(qū)防洪評價及預(yù)警工作提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。