李 明，黃炳彬

（1.上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 引言

北運(yùn)河流域地處京津冀一體化發(fā)展核心區(qū)，是聯(lián)結(jié)京、津、冀的天然紐帶，沙河水庫流域作為北運(yùn)河上游集水區(qū)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，起到對上游污染物納污消減，對下游清潔補(bǔ)水的重要作用。但當(dāng)前流域水資源匱乏，水環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，流域主要河道依靠再生水補(bǔ)給，河水流動性差，河道生態(tài)功能普遍退化。徑流的變化會對流域水環(huán)境及水生生態(tài)系統(tǒng)造成綜合影響[1]。為了推進(jìn)沙河水庫流域水環(huán)境綜合治理工作，迫切需要對流域水文循環(huán)及河道水動力變化規(guī)律進(jìn)行模擬，為后續(xù)流域?qū)用娴乃h(huán)境模擬評估提供必要基礎(chǔ)。

作為水文學(xué)定量化研究工具，分布式水文模型自20世紀(jì)60年代以來迅速發(fā)展，MIKE SHE在歐洲水文模型 SHE（System Hydrological European）的基礎(chǔ)上開發(fā)而來[2]，作為分布式水文模型的代表，其涵蓋了陸地水文循環(huán)的所有過程，界面友好，易于操作，完整耦合地表和地下水模型，與MIKE11一維河道耦合可進(jìn)行流域尺度的水文模擬。當(dāng)前，MIKE SHE模型已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外流域規(guī)劃、水資源管理、水質(zhì)污染模擬、農(nóng)業(yè)活動的影響研究和與地表地下水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題研究中。賴冬蓉等[3]利用MIKE SHE模型對華北平原地區(qū)水資源狀況進(jìn)行了模擬及預(yù)測；肖金強(qiáng)[4]通過假設(shè)不同土地利用及氣候變化場景，建立了北京土門、帽石溝兩個小流域水文響應(yīng)模型，研究表明MIKE SHE模型在華北土石山區(qū)森林小流域中具有較好的適用性；ZHENG等[5]以北京媯水河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，建立MIKE SHE水文綜合模型，將地表水和地下水耦合，探討媯水河流域的水文響應(yīng)，并提出應(yīng)用MIKE SHE與MIKE11耦合模擬陸地流域水質(zhì)變化過程。

1 流域概況

沙河水庫流域位于北運(yùn)河上游，地處北緯40°00′～40°26′、東經(jīng) 115°53′～116°20′之間，海拔高程為 30～1 300m，流域面積為1 136km2，主要涉及海淀北部四鎮(zhèn)、昌平中西部及延慶、門頭溝小部分區(qū)域。流域共有一、二、三級溝道30余條，大小水庫8個，3條主要支流北沙河、東沙河、南沙河于沙河閘處匯入溫榆河，后經(jīng)北關(guān)攔河閘入北運(yùn)河。流域水資源短缺嚴(yán)重，多年平均徑流總量僅為1.8億m3，平均地下水埋深達(dá)30m，加之降雨集中，水資源難以得到回補(bǔ)，除3條主要支流靠再生水補(bǔ)給外，其他溝道幾無基流，僅降雨期間產(chǎn)生徑流匯入沙河水庫。研究區(qū)概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2 模型與方法

2.1 MIKE SHE模型原理

MIKE SHE水流運(yùn)動（WM）模塊主要包括：蒸散發(fā)（ET）、坡面流（OL）、河道匯流（OC）、非飽和帶下滲（UZ）和飽和帶水流運(yùn)動（SZ）等模塊及各部分之間的相互過程。各子模塊可選不同的計算方法，在建模時可以根據(jù)不同的需求耦合不同的模塊進(jìn)行模擬，以提高模型計算效率。在計算方法上，MIKE SHE坡面匯流采用超滲產(chǎn)流機(jī)制[6]，將水平方向上輸入的模型范圍、地形等數(shù)據(jù)離散為多個矩形網(wǎng)格（Grid Cells），垂直方向根據(jù)用戶定義或者自動進(jìn)行土壤和地質(zhì)分層，采用有限差分法進(jìn)行解算[7]。河道流模擬通過耦合MIKE11模型，求解一維非恒定圣維南（Saint-Venant）方程組，計算得到河道的水位、流量等數(shù)據(jù)。

2.2 MIKE SHE模型建立

2.2.1 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入與設(shè)置

本研究建模數(shù)據(jù)包括流域DEM、土地利用、土壤、降雨、蒸發(fā)、河網(wǎng)斷面及實(shí)測流量過程數(shù)據(jù)。其中地形數(shù)據(jù)采用10m分辨率DEM。模型網(wǎng)格劃分為30m×30m。降雨數(shù)據(jù)根據(jù)水文站網(wǎng)和氣象站網(wǎng)分布情況，選用昌平、居庸關(guān)長城、菩薩鹿、沙河、王家園水庫、溫泉、響潭水庫、陽坊、碓臼峪9個雨量站的2018年時段降雨數(shù)據(jù)，時間間隔為1h，采用泰森多邊形進(jìn)行站點(diǎn)控制面積劃分。河網(wǎng)及斷面數(shù)據(jù)來自研究區(qū)實(shí)測成果，無實(shí)測資料的河道采用基于地形的溝道斷面提取法[8-10]，共概化河道17條。

模型中對于坡面流采用隱式線性差分法求解二維圣維南擴(kuò)散波方程，非飽和帶模塊采用重力流計算方式；飽和帶模塊采用三維有限差分方程求解。耦合MIKE SHE與MIKE11模型，模擬時段為2018年全年，設(shè)置MIKE11時間步長為20s，MIKE SHE為6h，并取模型運(yùn)行時段的前15d作為預(yù)熱期。

2.2.2 模型物理參數(shù)確定

2.2.2.1 參考蒸散發(fā)

參考蒸散發(fā)定義為大尺度空間內(nèi)，供水充足、株高一致、完全覆蓋的參考作物在生長期內(nèi)的蒸散發(fā)率，其中，參考作物是一種理想作物，常用的有苜蓿、黑麥草等[11-13]。蒸發(fā)與植被類型、土壤含水狀況和氣象等密切相關(guān)，極大影響水量平衡?？紤]流域無實(shí)測蒸發(fā)數(shù)據(jù)，并且用于參考蒸散發(fā)計算的氣象輻射等數(shù)據(jù)難以獲得，本研究根據(jù)段永紅[14]等利用北京市20個氣象站點(diǎn)的20年長期觀測資料，采用FAO Penman-Monteith公式計算得到的北京地區(qū)月平均作物參考蒸散發(fā)分布圖，選用覆蓋流域的昌平和海淀兩站，通過ArcGIS矢量化后進(jìn)行線性插值計算得到沙河水庫流域各月參考作物蒸散發(fā)（見圖2），最終得到流域年參考作物蒸發(fā)總量約為1 184.5mm。

圖2 沙河水庫流域逐月參考蒸散發(fā)

2.2.2.2 土地利用數(shù)據(jù)

MIKE SHE土地利用數(shù)據(jù)主要體現(xiàn)在植物生長周期計算方面。研究區(qū)土地利用分為旱地、園地、林地、草地、裸地、交通運(yùn)輸、水域、城市用地和農(nóng)村用地共9類。蒸發(fā)截留計算所需植被參數(shù)為植物生長周期內(nèi)的葉面積指數(shù)LAI和根系深度RD變化值。本研究葉面積指數(shù)參考謝軍飛等[15]對北京植被 LAI的月際變化與空間分布特征研究成果，并結(jié)合MIKE自帶的植被數(shù)據(jù)庫及不同植被生長周期進(jìn)行調(diào)整，得到沙河水庫流域不同土地利用的ETV文件。

2.2.2.3 坡面糙率系數(shù)

坡面曼寧糙率（Manning’s n）是影響產(chǎn)匯流的重要參數(shù)，參考Edwin T.Engman[16]不同土地利用推薦值和吳敬東等[17]對趙家臺小流域水土保持措施防洪效果評價研究成果給出研究區(qū)各不同土地利用的坡面曼寧系數(shù)如表1所示。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型及其曼寧系數(shù)

2.2.2.4 非飽和帶土壤參數(shù)

非飽和帶是指從地表至地下飽和含水層之間的不飽和土壤層，是包括SHE在內(nèi)的一般水文模型的核心組成部分。MIKE SHE只考慮重力下的土壤水垂向運(yùn)動，非飽和帶土壤質(zhì)地參數(shù)直接影響蒸發(fā)和下滲過程，進(jìn)而決定地表徑流、地下徑流和壤中流的產(chǎn)生比例。

非飽和帶土壤數(shù)據(jù)主要參數(shù)包括土壤飽和導(dǎo)水率Ks、飽和含水量θs及Van Genuehten模型所需的其他參數(shù)，包括θr、α、l、n等系數(shù)。土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)根據(jù)世界土壤數(shù)據(jù)庫HWSD進(jìn)行裁剪，分類合并得到流域9種土壤質(zhì)地類型，并對土壤進(jìn)行分層，分別為表層0～30cm、中間層30～100cm、100cm以下至飽和含水層。使用土壤水力學(xué)參數(shù)計算軟件SPAW Soil Water Characteristics計算得到各層土壤質(zhì)地的飽和導(dǎo)水率Ks和飽和含水量θs如表2所示。

表2 沙河水庫流域土壤質(zhì)地參數(shù)

3 模型的參數(shù)及率定

根據(jù)2018年沙河閘實(shí)測日流量過程對水文水動力模型進(jìn)行率定。各模塊參數(shù)率定結(jié)果見表3。以Nash-Sutcliffe效率系數(shù)Ens、確定性系數(shù)R2和相對誤差RE對模擬精度進(jìn)行評價，一般而言，Ens≥0.5且R2≥0.6表示徑流模擬結(jié)果達(dá)到良好水平[18]，模型可較真實(shí)地反映流域水文水動力狀況。

表3 MIKE SHE/MIKE 11模型參數(shù)率定結(jié)果

沙河水庫流域入庫流量模擬過程見圖4、圖5，由圖可以看出基于MIKE SHE建立的沙河水庫流域水文水動力模型精度較高，能夠合理的描述流域降雨-產(chǎn)匯流過程。徑流模擬期分汛期（6～9月）和全年，其中2018年全年徑流過程Ens達(dá)到0.75，R2為0.77，徑流總量RE為1.3%；汛期（6-9月）徑流過程Ens為0.71，R2為0.73，徑流總量RE為7.5%，達(dá)到良好水平。

圖4 2018年徑流過程模擬值與實(shí)測值對比

圖5 2018年汛期（6～9月）徑流過程模擬值與實(shí)測值對比

4 結(jié)論

本研究基于沙河水庫流域降雨蒸發(fā)、地形、土地利用、土壤質(zhì)地、河網(wǎng)等數(shù)據(jù)，利用分布式水文模型MIKE SHE耦合MIKE11建立流域水文水動力模擬系統(tǒng)，采用2018年沙河閘實(shí)測流量過程對水文水動力模型進(jìn)行率定驗(yàn)證。研究確定了模型的各項參數(shù)，其中2018年全年徑流過程模擬Ens達(dá)到0.75，R2為0.77，徑流總量RE為1.3%；汛期（6～9月）徑流過程模擬Ens為0.71，R2為0.73，徑流總量RE為7.5%，模擬效果良好。

MIKE SHE水文模型在沙河水庫流域具有良好的適應(yīng)性，模型模擬精度高，能夠合理的描述流域降雨-產(chǎn)匯流過程，可為流域水環(huán)境綜合修復(fù)、水質(zhì)污染模擬等提供前置基礎(chǔ)支撐，也可為其他相似地區(qū)提供參考。