吳敬東，李京輝，胡曉靜

（1.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院，100048，北京； 2.北京市水務(wù)局，100038，北京）

一、研究背景

2012年7月21日，北京及其周邊地區(qū)遭遇61年來最強(qiáng)場次暴雨，全市平均降雨量170 mm，暴雨導(dǎo)致的山洪災(zāi)害造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。北京山區(qū)開展了多年的流域綜合治理，該區(qū)域作為山洪災(zāi)害的重點區(qū)域，各項治理措施對洪水災(zāi)害的影響需開展研究，以便有效應(yīng)對洪澇災(zāi)害，為提高全市防災(zāi)減災(zāi)能力提供科學(xué)依據(jù)。

二、研究區(qū)域及研究方法

1.研究區(qū)域概況

門頭溝區(qū)位于北京市西部，屬太行山山脈，總面積1 448.84 km2，其中山區(qū)占98.5%，共劃分為85條小流域。趙家臺小流域位于門頭溝區(qū)潭柘寺鎮(zhèn)西北部，總面積15.87 km2，主溝為刺猬河支流，屬大清河水系。流域主要包含草甸水、南辛房等5個村，其中草甸水、南辛房兩村位于流域主溝兩側(cè)。小流域多年平均年降水量529 mm。2012年7月21日10時至7月22日2時的16小時內(nèi)，降雨總量為267.3 mm。根據(jù)《北京市水文手冊第一分冊——暴雨圖集》計算得到10年一遇暴雨24小時降雨總量207 mm。 “7·21”暴雨后，對趙家臺小流域洪水情況進(jìn)行了調(diào)查。

2.研究方法

選用分布式水文模擬軟件MIKE SHE建立數(shù)學(xué)模型模擬降雨—坡面匯流過程，通過一維河網(wǎng)水動力模擬軟件MIKE 11模擬流域內(nèi)主要溝道的水動力特征，并將兩者進(jìn)行耦合計算，完整描述不同降雨、不同工況條件下的降雨匯流入河過程，并分析洪峰流量與徑流過程，由此分析不同水土保持措施的防洪效果。

三、模型構(gòu)建與驗證

1.模型構(gòu)建

分布式水文模型MIKE SHE模型構(gòu)建過程中需完成模型范圍和計算網(wǎng)格、地形土壤、土地利用、降雨、河流湖泊、坡面流等輸入數(shù)據(jù)設(shè)置。河網(wǎng)水動力MIKE 11模型構(gòu)建過程中包含河網(wǎng)設(shè)置、水工建筑物設(shè)置、邊界條件設(shè)置等幾方面。MIKE SHE中的河流湖泊模塊是MIKE SHE與MIKE 11連接的接口，在MIKE 11模型的河網(wǎng)文件中定義需要耦合計算的河道，同時在MIKE SHE模型中引入MIKE 11的模擬文件，實現(xiàn)模型之間的相互連接。

2.模型率定

MIKE SHE模型的率定參數(shù)主要為下滲率和地表曼寧系數(shù)M，率定后最終取值見表1和表2。

參數(shù)率定完成后，根據(jù)“7·21”洪痕調(diào)查結(jié)果推算的斷面最高水位及由謝才公式計算得到流域出口的洪峰流量，進(jìn)行模型驗證。模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)推算的結(jié)果基本吻合（見表3）：草甸水主與南辛房5兩個斷面的最高水位模擬結(jié)果與洪痕水位相差分別為0.57 m和-0.04 m，流域出口南辛房5洪峰流量相差9.9 m3/s，相對百分比為6.9%?！?·21”暴雨時兩處洪痕點的模擬水位和流量過程見圖 1、圖 2。

圖1、圖2表明模型能較好反映暴雨影響下的洪峰流量與河道水位?！?·21”暴雨趙家臺流域出口洪峰流量132.7m3/s，峰現(xiàn)時間為2012年7月21日18：34，最大水深1.76m。徑流總量188萬m3，徑流深118mm，徑流系數(shù)0.44。

表1 不同土地利用類型對應(yīng)的下滲率取值

表2 不同土地利用類型對應(yīng)的曼寧系數(shù)值

表3 “7·21”暴雨趙家臺流域洪痕點水位、流量統(tǒng)計

圖1 “7·21”暴雨趙家臺流域草甸水主洪痕點水位、流量模擬結(jié)果

圖2 “7·21”暴雨趙家臺流域南辛房5洪痕點水位、流量模擬結(jié)果

四、水土保持措施防洪效果

1.“7·2 1”暴雨防洪效果

“7·21”暴雨發(fā)生時趙家臺流域已實施各類坡面治理措施，采用MIKE模型，對各類坡面措施的防洪效果進(jìn)行了分析。

將坡面流簡化為一維明渠均勻流，斷面寬度B遠(yuǎn)大于水深h，根據(jù)謝才公式（1），可以推出坡面流地表水深與曼寧糙率關(guān)系（2）。

根據(jù)流域現(xiàn)狀，已知梯田的相鄰兩級田面高差，由于每一級梯田的田坎底寬取決于地形坡度，坡度越大田坎底寬越小，糙率增大比例越小，反之亦然。運(yùn)用MIKE SHE搭建簡化的梯田坡面徑流模型，計算不同底寬的梯田在相同降雨時的徑流深，再依據(jù)上述關(guān)系式推出對應(yīng)的糙率增長比例，從而計算出實施坡面措施后的地表曼寧系數(shù)。此外，根據(jù)實際情況統(tǒng)一將田坎高度假設(shè)為0.2 m。當(dāng)梯田內(nèi)積蓄水深超過0.2 m時形成地表徑流。

2.計算結(jié)果分析

（1）旱地梯田措施

小流域坡耕地上的梯田措施已于“7·21”暴雨前建成，為量化分析該項措施的防洪效果，假設(shè)其他坡面措施均已實施，在此基礎(chǔ)上通過模擬有無旱地梯田措施的洪水過程來分析其防洪效果。結(jié)果表明，在“7·21”暴雨條件下，該流域有無旱地梯田措施的洪峰流量分別為132.7 m3/s和 148.9 m3/s，因而梯田措施削峰比例為10.9%，起到了削減部分洪峰的作用。

（2）果園水平條措施

“7·21”暴雨過程中趙家臺小流域有無果園水平條措施的模擬結(jié)果如圖3所示，有無果園水平條措施的洪峰流量分別為132.7 m3/s和154.3 m3/s，削減洪峰比例為14%，緩洪效果顯著。此外，小流域內(nèi)果園為旱地面積的2倍，這也是果園水平條較旱地梯田措施削峰效果明顯的主要原因。

（3）坡面綜合措施

對趙家臺小流域在“7·21”暴雨下坡面各項主要措施治理前后的洪水過程進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果如圖4所示。洪峰流量分別為175.9 m3/s和132.7 m3/s，削減洪峰比例達(dá)24.6%，表明流域治理的坡面措施較好地起到了緩解洪峰的作用。該小流域各坡面措施防洪效果的模擬結(jié)果如表4所示。

“7·21”暴雨趙家臺流域在未實施溝道措施的情況下，全部坡面措施治理后洪峰流量為132.7 m3/s。相比之下，分別考慮未實施旱地梯田、果園水平條時洪峰流量分別為148.9 m3/s、154.3 m3/s，而不實施任何坡面措施時洪峰流量達(dá)到175.9 m3/s。對比削峰比例與徑流系數(shù)，可見坡面措施可有效削減洪峰及洪量，防洪效果顯著。

2.不同情景防洪效果

（1）情景設(shè)計

趙家臺小流域的產(chǎn)匯流主要受降雨過程和下墊面條件的影響，考慮山區(qū)流域防洪標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)10年一遇降雨條件下，將坡面措施、溝道措施影響因子進(jìn)行組合，通過不同的模擬情景，分析徑流特征及工程措施的防洪效果。表5、表6分別列出了影響因子類別和設(shè)計情景組合。

（2）模擬結(jié)果分析

10年一遇重現(xiàn)期下，各洪痕點的峰值流量、最高水位及最大水深計算結(jié)果如表7所示。

對比分析各情景的模擬結(jié)果可知：

圖3 “7·21”暴雨果園有無水平條措施的洪水過程對比

圖4 “7·21”暴雨有無坡面綜合措施的洪水過程對比

表4 趙家臺流域"7·21"暴雨下各坡面措施的模擬結(jié)果

表5 情景設(shè)計影響因子及編碼

表6 設(shè)計情景列表

圖5 10年一遇降雨情景1～5洪痕點流量、水位模擬結(jié)果

圖6 10年一遇降雨情景1、6～9洪痕點流量、水位模擬結(jié)果

①情景1～5實施不同坡面措施削減洪峰效果顯著，流域出口洪痕點的洪峰流量從164.2 m3/s減小到110.5 m3/s，徑流系數(shù)從0.35降低為0.24。

②情景6～9在坡面工程的基礎(chǔ)上實施溝道工程，由于徑流量主要取決于流域下墊面，因此溝道措施對此基本無影響，但可有效降低溝道內(nèi)水位；情景6、8分別與情景 1相較，草甸水洪痕點水位降低0.42 m和0.63 m；情景7中僅改造橋涵而不降低間隔分布在橋涵之間攔蓄作用顯著的跌水坎，即使橋涵處過流能力提升，水流最終仍會被下游的跌水坎攔蓄，因此無明顯效果；溝道內(nèi)跌水和橋涵全部拆除時水位可降低2.17m。

③情景9～13溝道內(nèi)跌水、橋涵全部拆除時對比不同坡面措施的防洪效果，削峰效果與情景1～5相近，由于河道上阻水建筑物全部拆除，水位進(jìn)一步降低，情景9中草甸水洪痕點處最大水深低至1.16 m，位于下游流域出口的南辛房處水位變化不大。

表7 10年一遇暴雨趙家臺流域洪痕點模擬結(jié)果統(tǒng)計表

圖5～7為該流域10年一遇降雨時洪痕點不同情景的模擬水位和流量過程。

五、結(jié) 語

運(yùn)用MIKE系列軟件模擬了門頭溝區(qū)趙家臺小流域在 “7·21”降雨及10年一遇重現(xiàn)期下的降雨徑流和不同下墊面狀況影響下的坡面匯流入河等過程，結(jié)果表明坡面措施、溝道措施均在一定程度上起到防洪減災(zāi)的作用。

圖7 10年一遇降雨情景9～13洪痕點水位、流量模擬結(jié)果

模擬結(jié)果整體上較為合理，模型參數(shù)有一定可信度。但由于目前積累的實測數(shù)據(jù)有限，且影響小流域降雨徑流過程的因素較多，今后應(yīng)在此方面更進(jìn)一步細(xì)化研究，以期取得更加精確的結(jié)果。

[1] David R.Maidment，張建云，李紀(jì)生，等譯.水文學(xué)手冊[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[2]王盛萍、張志強(qiáng)，孫閣，等.黃土高原流域土地利用變化水文動態(tài)響應(yīng)——以甘肅天水呂二溝流域為例[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006（1）.

[3]肖培青.植被減少侵蝕作用的水力學(xué)機(jī)理[N].黃河報，2013-10-24.