MIKE模型在國內洪水模擬中的應用研究進展

尚建杰，楊 光

(1.河北工程大學能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038； 2.河北省大氣污染成因與影響重點實驗室，河北 邯鄲 056038)

引 言

洪水作為典型的自然事件，與人類生存發展息息相關。城市內澇、潰壩洪水等給人類生命和財產安全造成不可估計的損失[1]。但洪水同時也是河漫灘濕地等自然生態系統不可或缺的水源補給，河漫灘地區依靠洪水周期性沖刷保持生態系統健康，維持生物棲息地、水源調度、防洪等生態服務功能[2]。因此人們一直在積極探索研究洪水的有效方法。學者建立物理模型和數學模型模擬水流運動來研究洪水，相比周期長、成本高的物理模型，擁有易操作、造價低、精度高等優點的數學模型在不斷發展中逐漸成為主要研究工具[3]。

數學模型通過求解數學公式來描述分析水流運動過程。1871年圣維南方程的建立奠定洪水數值計算的理論基礎，之后淺水波方程的提出進一步發展相關理論[4]。20世紀60年代隨計算機發明和信息技術發展，這些理論被再次重視并逐漸實用到水利工程中[5]。近年來被相關研究者使用較多的洪水模擬模型有Delft-3D[6-7]、HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center River Analysis System)[8-9]、MIKE[10～12]、SWMM(Storm Water Management Model，暴雨洪水管理模型)[13-14]等，模型各有優劣，主要對比見表1。

表1 洪水模擬數學模型對比Tab.1 Comparison of flood simulation mathematical models

MIKE模型具備功能強大、界面友好、計算精度高、網格靈活等優點，模擬范圍覆蓋一維、二維和三維。MIKE模型自帶的操作平臺MIKE Zero可以給各模型提供處理工具，十分方便[15]。自開發以來被廣泛運用于河口模擬[16]、流域降雨[17]、城市內澇[18]、洪水演進[19]等諸多領域。隨著MIKE模型在洪水相關水利工程中普及，文獻分析逐漸增多。此前已有學者對洪水風險分析模型進行綜述[20]，也有MIKE模型應用研究進展的文章出現[21]，但缺少MIKE模型在洪水模擬應用方面的總結和深入分析。因此本文總結MIKE模型主要模塊和使用范圍，重點探討MIKE模型在國內洪水模擬上的應用進展和研究趨勢，借助可視化軟件分析研究熱點。最后探討目前我國在洪水模擬數學模型應用領域存在的不足，基于此對未來MIKE模型模擬洪水提出展望，為應用數值模型模擬洪水提供參考。

1 MIKE模型基本介紹

MIKE模型是丹麥水資源及水環境研究所(Danish Hydraulic Institute，DHI)研發的水工程模擬應用軟件，用于模擬計算水相關實例問題。MIKE系列模型主要有一維模型MIKE11[22]、二維模型MIKE21[23-24]、耦合模型MIKE FLOOD[25-26]、三維模型MIKE3[27-28]、流域管理模型MIKE BASIN[29-30]、城市給排水管網MIKE URBAN[31-32]、污水處理模型WEST[33]、海岸線動力模型LITPACK[34]、水文水質模型MIKE SHE[35-36]等。模型對比見表2。

表2 MIKE系列主要模型對比Tab.2 Comparison of main models of MIKE series

續表2

其中用于洪水模擬的模型主要是MIKE11、MIKE21和MIKE FLOOD。在平坦地區MIKE11可以進行地形簡單的河道洪水影響分析[37]。而河道之外的河漫灘地區水流運動較為復雜，可采用二維水動力模型MIKE21模擬洪水過程[38]。MIKE FLOOD通過耦合一維二維模型，結合兩者優點，使得水流交換更加精確，計算效率也更高[39]。

MIKE模型自開發以來被多個國家應用，精確度和合理性也得到諸多實例驗證，表明其在洪水模擬上的優越性[40～42]。下面以我國為例，論述MIKE模型在洪水模擬上的應用研究進展。

2 MIKE在我國洪水模擬上的應用研究進展

國內對MIKE模型模擬洪水研究相對國外起步較晚，二十世紀后期被引入到國內。經過不斷發展和探索，MIKE模型在洪水模擬這一領域已積累不少成功經驗。綜述前人研究發現，我國應用研究大部分集中在洪水風險分析、水量調度設計以及生態影響評價這三個方面，下面對這些應用研究進行梳理總結。

2.1 洪水風險分析

MIKE模型可以結合地形地貌模擬洪水淹沒情況，通過分析模擬所得的洪水危險性因子為洪水風險分析工作提供科學支持。2013～2016年，全國重點地區洪水風險圖編制項目軟件名錄將MIKE系列軟件列入其中[43]，MIKE模型應用研究增多。郭鳳清等[44]在MIKE21平臺建立潖江蓄滯洪區洪水演進模型，模擬100年、300年一遇洪水演進過程，統計分析淹沒因子預測該地區洪水危險性；葉愛民等[45]以全國洪水風險圖編制試點項目為依托，利用MIKE11、MIKE21在浙江嘉興模擬河道水位和洪水演進，同時利用MIKE FLOOD模擬不同設計暴雨情況下潰堤洪水演進過程，分析淹沒狀況繼而繪制洪水風險圖；陳平等[46]基于MIKE21模擬大陸澤及寧晉泊蓄滯洪區50年一遇洪水演進并繪制洪水風險圖。隨著洪水風險分析不斷深入，部分學者開始探索洪水風險影響因素。姚斯洋等[47]考慮降水差異，利用MIKE FLOOD耦合MIKE11、MIKE21構建基于干、支流不同頻率暴雨組合下洪水淹沒水動力模型，多樣性反映洪水漫堤情景；和宛琳等[48]考慮風潮影響，基于MIKE21在萬泉河河口模擬洪澇風潮共同作用下洪水演進過程和淹沒特征并分析淹沒風險。

MIKE模型可以較精確地模擬洪水演進過程，通過分析洪水流量、淹沒范圍、水位、歷時等洪水危險性分子，給洪水風險分析提供科學有效的技術支持。盡管如此，由于MIKE模型對地形數據要求較高，數據來源不全面時模擬精度可能會受到影響[49]。

2.2 水量調度設計

水資源日益短缺背景下，防洪不再是單一目標，科學規劃防洪排洪工作、管理利用洪水資源成為當今工作要點，應用MIKE模擬比對洪水方案可以為水庫和河道聯合調度方案提供技術支撐。劉兆坤等[50]探索水庫調度和潮位等因素影響，將不同入流量、潮位和糙率等工況組合，在碧流河水庫下游流域運用MIKE21模擬分析20年一遇洪水情況下淹沒區的淹沒情況和經濟損失；李玲玲等[51]將現狀和規劃、20年一遇和50年一遇洪水及防浪墻是否存在三種工況組合，在盛莊洼蓄滯洪區構建MIKE21模擬洪水淹沒過程，提出在現狀防洪工程上適當擴建排洪工程減少蓄滯洪區淹沒歷時的建議。河道上設多級閘壩在調節流域水資源平衡的同時也改變河流自然連通性。張世鑫等[52]探索多閘壩聯合調度方法，建立MIKE11模型模擬蒲河棋盤山水庫到團結大閘段河道流量演進和傳播規律。結果表明流量衰減與河道特性、河道兩岸植被相關，流量衰減率不同進而影響流量演進過程。

分析不同情景下洪水淹沒情況，可以給水量調度提供最優方案，實現以最小水資源消耗達到最大經濟效益的目標。

2.3 生態效益研究

生態文明建設逐漸轉變為我國建設工作重心，研究表明防洪工程及涉河生態項目建設均會對生態造成一定影響[53]，因此洪水的生態效益也逐漸受到重視。相關研究主要集中于兩個方向。一是研究洪水過程對植被生態系統影響作用。余曉等[54]通過MIKE11模擬額爾古納河2000～2009年洪水淹沒范圍，分析植被和洪水淹沒面積的關系發現洪水是影響植被生長的主要因素之一，適當的洪水沖刷對河道灘區植被生長有促進作用。二是探索與洪水過程相適應的河流生態廊道，從而有效發揮洪水生態效益。生態廊道是生態文明建設的重要組成部分，河流廊道水生態修復工作被重視[55]。洪水脈沖影響河流生態廊道寬度，研究洪水過程是確定河流生態廊道寬度的重要手段。韓琪等[56]以永定河泛區廊坊段為例，利用MIKE21模擬分析不同工況下廊道演變趨勢，分析各截面處河道形態和水深確定河流生態廊道動態寬度范圍，為該河段河流生態廊道寬度范圍界定提供實用方法。

3 研究趨勢

3.1 MIKE模型洪水模擬研究趨勢

MIKE模型基于工程應用不斷發展，在洪水模擬領域應用實例諸多，具有很好的應用前景，且研究具有明顯變化趨勢。在模擬范圍方面，MIKE模型模擬洪水整體上顯示為從河道內到河道外的趨勢。初期只關注河道內水流運動，模擬分析河道內淹沒水位等要素，之后潰壩、漫堤洪水研究增多。隨著生態文明建設及濕地水動力學發展，漫灘洪水的生態效益逐漸引起學者關注，部分研究逐漸從河道行洪轉向灘區行洪。

在模擬模型方面逐漸從單一模型轉變為耦合模型。MIKE11具有高精度和穩定性，但只能模擬簡單地形；MIKE21可以模擬復雜地形，但速度慢；耦合模型MIKE FLOOD結合兩者優點，在連接處交換水量，提升計算速度，逐漸成為主要手段。

3.2 MIKE洪水模擬研究前沿分析

為進一步探究MIKE模型在洪水模擬研究的前沿領域，借助可視化分析軟件Citespace進行關鍵詞突現分析。在Web of science(Wos)上以“MIKE &FLOOD”為主題詞檢索，文獻來源選擇核心合集，文獻類型選擇“Article”，時間范圍為1990.01.01～2022.9.26，共檢索到229篇文獻。在中國知網(CNKI)上以“MIKE”和“洪水”為主題詞，檢索到426篇期刊文獻。時間切片選擇2年，節點類型選擇Keyword，其余參數默認。分別導入軟件運行，得到國外變化頻次最高的15個和國內變化頻次最高的25個突現詞，整理結果見表3、表4。

表3 15個突發權重最高的最新突發詞(Wos)Tab.3 The 15 latest burst words with the highest burst weight (Wos)

表4 25個突發權重最高的最新突發詞(CNKI)Tab.4 The 25 latest burst words with the highest burst weight(CNKI)

觀察表3、表4的關鍵詞突現權重，綜合來看淹沒的權重最高，表明洪水淹沒是洪水模擬的關鍵要素。MIKE通過模擬洪水的淹沒情況，包括淹沒歷時、淹沒水深、淹沒范圍等獲得洪水的各要素。由表3可見，國外的洪水管理在21世紀初就已經起步，關于洪水淹沒的研究從2009年開始，一直持續到2017年突現期結束后被迭代。之后隨著氣候變化，關于洪水風險的分析開始突現并仍在持續。表4可見國內采用MIKE進行洪水模擬的研究在21世紀初起步。洪澇災害頻發使得人身安全和財產受到威脅，因此城市內澇和雨洪管理及洪水風險的研究持續相當長一段時間。隨著國家防洪策略轉變，洪水分析在2016年再次成為研究熱點，采用MIKE21模擬洪水演進為洪水風險圖制作提供技術支撐的研究增多。2020年耦合模型開始保持強勢，并在未來一段時間在洪水模擬領域施加影響力，這表明之后耦合模型將會是模型模擬洪水研究的前沿領域。

4 不足與展望

MIKE模型在洪水模擬應用方面已有諸多研究，但目前仍存在一定探索空間，主要有：

(1)參數確定方法有待改進。模型運行所需參數沒有普遍適用性，我國在應用MIKE模型模擬洪水時，缺乏結合區域特點的改進。今后的研究可以結合區域特點及實測地形對模型進行改進，以提高模型模擬精度和應用范圍。

(2)數據精度有待提高。地形數據精度對洪水淹沒深度和預測有較大影響，目前基礎數據大多存在地形數據精度較低問題。采用無人機遙感技術獲取高精度地形信息是提升模擬精度的可靠辦法，然而由于無人機技術成本較高，且地形復雜地區實測困難，因此基于實測高精度地形的洪水模擬有待進一步研究。

(3)數據來源有限。MIKE模型模擬洪水時需地形圖、水文監測等數據支撐，而我國相關數據庫目前尚不完整，數據獲取途徑有限，需加強數據共享。

(4)耦合模型求解。如何在計算模塊中加入反映產匯流的源項，實現產匯流、河道洪水、漫灘洪水等之間數據交換，更有效地計算洪水淹沒情況也是需要解決的關鍵問題。