姜鈞耀 劉 璐 彭 慧 王翊人

（山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 濟(jì)南 250013）

1 引言

平原區(qū)暴雨內(nèi)澇是平原區(qū)主要威脅之一。隨著洪澇災(zāi)害造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失的持續(xù)增長(zhǎng)，單靠工程防洪措施控制洪水的理念是不現(xiàn)實(shí)、不可行、不經(jīng)濟(jì)的，因此，應(yīng)用流域水文模型模擬暴雨內(nèi)澇過(guò)程，是解決防洪問(wèn)題的關(guān)鍵，也是防洪減災(zāi)的重要依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)平原區(qū)內(nèi)澇模擬研究成果較少。本文以洙趙新河流域?yàn)槔?，將MIKE SHE 模型應(yīng)用到平原流域暴雨內(nèi)澇模擬，科學(xué)準(zhǔn)確地對(duì)流域內(nèi)可能發(fā)生的洪水演進(jìn)過(guò)程、到達(dá)時(shí)間、淹沒(méi)水深、淹沒(méi)范圍等過(guò)程特征進(jìn)行預(yù)測(cè)分析評(píng)估，旨在提高洪水預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)能力和服務(wù)水平。

2 研究區(qū)域概況

洙趙新河位于山東省西南部，是跨菏澤、濟(jì)寧兩市的大型防洪排澇骨干河道。該河全長(zhǎng)145.05km，流域面積4206km2，地勢(shì)低洼，流域內(nèi)發(fā)生大洪水時(shí)一方面受南四湖湖水位頂托影響，干流洪水消退時(shí)間較長(zhǎng)；另一方面平原地區(qū)凈雨產(chǎn)生的坡面流將一部分滯蓄在干流堤外形成內(nèi)澇，剩余水量在較短時(shí)間內(nèi)不能全部匯入干流，因此該流域洪水具有歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)、匯流速度慢等特點(diǎn)；流域內(nèi)有15 個(gè)雨量站、3 個(gè)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(qū)典型研究區(qū)域。

3 構(gòu)建內(nèi)澇模型

3.1 模型適應(yīng)性研究

本文首次將MIKE SHE 模型應(yīng)用到平原流域暴雨內(nèi)澇模擬。MIKE SHE 模型是在20 世紀(jì)90年代初，由丹麥水力學(xué)研究所在SHE 基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展研制的一個(gè)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(rùn)半濕潤(rùn)蓄滿產(chǎn)流地區(qū)。本文研究的洙趙新河流域?qū)儆诎霛駶?rùn)地區(qū)，且主要應(yīng)用MIKE SHE 模型模擬汛期大量級(jí)降雨洪水過(guò)程，汛期發(fā)生大量級(jí)洪水前期一般會(huì)有多場(chǎng)小量級(jí)降水發(fā)生，小量級(jí)降水能增加土壤含水量，加快產(chǎn)流，可認(rèn)為汛期土壤是飽和的，暴雨發(fā)生時(shí)為蓄滿產(chǎn)流，這就保證了模型在該流域開(kāi)展研究的一個(gè)必要條件。此外，模型能夠根據(jù)氣候、地形、河網(wǎng)、下墊面等眾多因素模擬流域暴雨產(chǎn)匯流過(guò)程，模擬結(jié)果文件可根據(jù)模擬步長(zhǎng)定量分析不同時(shí)刻流域內(nèi)坡面內(nèi)澇量及河道水量，使得該模型更加適應(yīng)本項(xiàng)目研究。

MIKE SHE 模型的水流運(yùn)動(dòng)模塊是一個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)，主要由6 個(gè)獨(dú)立并且相互聯(lián)系的子模塊組成：蒸散發(fā)、坡面漫流、明渠流、不飽和帶流、飽和帶流、融雪?？紤]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(chǎn)流計(jì)算時(shí)未使用飽和帶流模塊，而該流域融雪基本不會(huì)補(bǔ)給河流水量，本次應(yīng)用蒸散發(fā)、坡面漫流、明渠流、不飽和帶流4 個(gè)模塊進(jìn)行流域產(chǎn)匯流分析研究。

3.2 內(nèi)澇模型建立與驗(yàn)證

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

構(gòu)建模型過(guò)程中，由于平原區(qū)河網(wǎng)分布密集、支溝較多的特殊性，為模擬與實(shí)際接近，本文在河網(wǎng)及斷面等處理上積累了一定的經(jīng)驗(yàn)：平原區(qū)流域內(nèi)中小河流眾多，構(gòu)建河網(wǎng)文件時(shí)，除主要的干支流，需對(duì)部分小河溝眾多處做概化處理；收集流域內(nèi)主要河流斷面資料，補(bǔ)充測(cè)量流域內(nèi)其他河道斷面數(shù)據(jù)，考慮平原河道斷面較為平緩，部分河道測(cè)量河首與河尾，中間河段采用內(nèi)插的方法進(jìn)行補(bǔ)充；比對(duì)各個(gè)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(jìn)行修正；考慮流域內(nèi)小支流及小溝數(shù)量眾多，對(duì)個(gè)別支流斷面進(jìn)行加寬、加深處理；根據(jù)流域內(nèi)居民地、耕地、空地等主要地物設(shè)置不同的曼寧系數(shù)；考慮流域面積較大且軟件對(duì)文件大小的限制，收集流域1 ∶10000精度DEM，運(yùn)用GIS 技術(shù)經(jīng)填洼、提取后轉(zhuǎn)化為30m×30m 精度DEM 導(dǎo)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(nèi)前兩場(chǎng)大洪水（1978/06/30～1978/07/09、1975/09/17～1975/09/26）實(shí)測(cè)洪水資料進(jìn)行模型參數(shù)率定。指標(biāo)采用《MIKE SHE 用戶手冊(cè)（DHI，2011d）》中提到的平均誤差ME（Mean error）、均方根誤差RMSE、Nash-Sutcliffe 系數(shù)（R2）來(lái)評(píng)價(jià)。經(jīng)計(jì)算，模型性能參數(shù)均在接受范圍內(nèi)（見(jiàn)表1），模型模擬效果較好。

表1 參數(shù)率定評(píng)價(jià)指標(biāo)表

洙趙新河流域模型率定兩場(chǎng)洪水的平均誤差ME基本為0，Nash-Sutcliffe 系數(shù)達(dá)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(yōu)先保證洪量及洪水過(guò)程線與實(shí)測(cè)相吻合，在極端值方面會(huì)有一定出入。因此總體看來(lái)，本次模擬選取的參數(shù)可進(jìn)一步進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證。

選取該流域1993年實(shí)測(cè)典型洪水進(jìn)行模型參數(shù)驗(yàn)證，將實(shí)測(cè)降雨過(guò)程及設(shè)計(jì)過(guò)程輸入模型，應(yīng)用之前率定得到的參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)部分參數(shù)（坡面滯蓄水深及下游水位等）得到模擬結(jié)果，模擬所得的結(jié)果如表2 所示。

表2 梁山閘處洪峰、洪量模擬結(jié)果表

通過(guò)結(jié)果可以看出模擬的峰值和洪量誤差都在5%以內(nèi)，符合規(guī)范要求。從水量平衡的角度考慮，模擬洪量與實(shí)測(cè)洪量越接近，模型模擬水量分配越準(zhǔn)確，本套參數(shù)能極好地控制洪量與實(shí)測(cè)相吻合，故可以應(yīng)用本次調(diào)試完畢的模型進(jìn)行應(yīng)用。

4 內(nèi)澇分析

以1993年洪水模擬為例，根據(jù)模型模擬結(jié)果，對(duì)平原區(qū)流域易澇區(qū)做相應(yīng)預(yù)警，并闡述平原區(qū)內(nèi)澇水量計(jì)算方法。

4.1 預(yù)警易澇區(qū)

結(jié)合模型模擬動(dòng)態(tài)結(jié)果做易澇區(qū)分析，內(nèi)澇過(guò)程模擬動(dòng)態(tài)圖如圖1 所示。

圖1 內(nèi)澇過(guò)程模擬動(dòng)態(tài)圖

根據(jù)內(nèi)澇動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，將暴雨內(nèi)澇分四個(gè)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(nèi)澇；第二階段，坡面水開(kāi)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(shù)的增加和降雨強(qiáng)度的變大，坡面澇水嚴(yán)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(qiáng)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(nèi)易澇區(qū)域主要為支流匯干流處，地勢(shì)低洼處，受下游湖水位頂托流域下游出口處等，符合平原區(qū)實(shí)際內(nèi)澇規(guī)律，根據(jù)澇水位置對(duì)相應(yīng)區(qū)域可做易澇區(qū)預(yù)警。

4.2 內(nèi)澇水量計(jì)算

內(nèi)澇水量可結(jié)合Arcgis 軟件技術(shù)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，從研究區(qū)域偏安全角度考慮，往往關(guān)注該區(qū)域的最大內(nèi)澇水量，以定量推求洙趙新河流域1993年最大內(nèi)澇量為例，對(duì)內(nèi)澇水量計(jì)算方法進(jìn)行說(shuō)明。

運(yùn)用MIKE SHE 水量平衡模塊，對(duì)模擬結(jié)果文件做水量平衡計(jì)算分析，根據(jù)水量平衡分析結(jié)果。模擬第三天，坡面存儲(chǔ)交換量最大，此時(shí)即為內(nèi)澇水量最大時(shí)刻，將此刻各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)澇水深模擬結(jié)果導(dǎo)入Arcgis 軟件中，統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)水深值，統(tǒng)計(jì)表如表3 所示。

表3 內(nèi)澇水深統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

根據(jù)內(nèi)澇水深統(tǒng)計(jì)表，流域內(nèi)網(wǎng)格水深平均值為所推求時(shí)刻的內(nèi)澇水深值，與流域面積的乘積為該區(qū)域所求的最大內(nèi)澇水量。

5 結(jié)論

（1）本文構(gòu)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(nèi)澇模型，模擬了流域內(nèi)暴雨內(nèi)澇演進(jìn)過(guò)程，提出了平原區(qū)流域內(nèi)預(yù)警易澇區(qū)域及計(jì)算內(nèi)澇水量的新方法，目前已應(yīng)用于全國(guó)多個(gè)重點(diǎn)防洪保護(hù)區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖項(xiàng)目中。

（2）本文未考慮實(shí)時(shí)暴雨下的內(nèi)澇預(yù)警，今后可與氣象部門(mén)合作，進(jìn)一步開(kāi)展平原區(qū)實(shí)時(shí)暴雨預(yù)警■