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分布式水文模型MIKESHE介绍讲师：何黎艳，水资源工程师2015年5月15日中国杭州©DHI•什么是综合水文学?•什么是MIKESHE?•什么时候需要用到MIKESHE?MIKESHEMIKE11FEFLOW地下水水库河流水资源MIKEBASINNASAGoddardSpaceFlightCenter水循环自然界的水循环是•在太阳能作用下•保持平衡•闭合系统尺度:流域/子流域/子流域单元人口:4000万流域面积:500,000km2人口:100万流域面积:7000km2LauralCreek子流域单元人口:10万流域面积:70km2地下尺度径流组成USGS深层地下水流量地表径流径流•径流取决于地表属性−土地利用，植被，土壤类型−高程，地形，坡度−排水管网(e.g.地表坑洼积水)•径流取决于气象条件−降水类型–雨，雪−强度，历时，空间分布，前期雨量−气温，风速，相对湿度等等土地利用土壤类型一个综合的模型将降雨分割成径流、下渗以及蒸散发三部分©DHI表层含水层断裂石灰岩多孔砂岩水文地质饱和（地下水）带无入流无入流固定水头固定水头固定水头地下水净补给井地下水边界饱和（地下水）带无入流无入流固定水头河床导水率固定水头地下水净补给井水位添加河流饱和（地下水）带无入流无入流固定水头河床导水率固定水头净入渗井水位添加不饱和带饱和（地下水）带无入流无入流固定水头河床导水率固定水头井水位径流蒸散发添加地表属性水文模拟数据012345625/06/9725/09/9725/12/9725/03/9825/06/9825/09/9825/12/9825/03/9925/06/9925/09/9925/12/9925/03/0025/06/00PotentialEvapotranspiration(mm)-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.201/12/9619/06/9705/01/9824/07/9809/02/9928/08/9915/03/0001/10/0019/04/01WaterTableDepth(m)12910110.81.01.21.41.61.82.016/11/9704/06/9821/12/9809/07/9925/01/0012/08/00WaterLevel(mOD)SBeSBgSBh数据地下水+河流+不饱和带+地表径流物理属性水力传导度单位产水量（给水度）和单位储水量（储水系数）地下几何形态河床糙率河道几何形态河床导水率土壤属性(e.g.qs,qfc,Ks)地形特征径流属性(e.g.糙率)植被属性(e.g.LAI,根系深度)水力边界流量和水头边界地下水抽水率降水蒸散发河道水位/流量数据要求综合的水文模拟MIKESHEMIKE11FEFLOW地下水水库河流水资源•什么是MIKESHE?MIKESHE–综合的流域模拟明渠流(MIKE11)坡面流与洪水饱和地下水流不饱和地下水流降水及融雪基于植被的蒸散发及下渗按需分配的灌溉方式综合的水质地下水及地表水一个水体—一个资源—一个模型水文模拟结构概念模型物理模型集总式模型分布式模型质量和动量守恒如：达西定律流域水量预算•基于流域进行参数定义•基于网格进行参数定义优点:无需流域数据缺点:很大程度上取决于率定(e.g.流量)缺点:不适用于方案分析优点:利用已有的流域数据，因此受率定的影响较小优点:适用于方案分析缺点:容易数据不足明渠流1D扩散波坡面流2D扩散波蒸散发Kristensen&Jensen不饱和流1D理查兹方程饱和流3D达西流SystemeHydrologiqueEuropeen(SHE)•1969年由Freeze和Harlan提出•1977年后欧洲的三个组织联合开发•1980s中期首次发布商业版SHE的发展史直至1990:MIKESHE基于物理的过程描述=质量及动量守恒=具有物理意义的模型参数MIKESHE的模块构成•坡面流（OL）•河流和湖泊（OC）•不饱和带/包气带（UZ）•蒸散发（ET）•饱和带（SZ）•对流扩散（AD）•吸附/衰减，ECOLab•粒子示踪数据树图形要素数据框模型验证区MIKESHE工具条工程浏览器MIKESHE的界面MIKESHE结果显示WaterbudgetsummaryfromMIKESHEMIKESHE结果显示湿地修复城市排水水源地保护水资源管理洪水预报在全球应用广泛应用：•湿地管理•水资源联合运用•气候变化影响•土地利用变化分析•流域养分平衡•灌溉管理•干旱与洪水规划•城市排水与地下水相互作用•环境流量总体来说：所有水体是如何流动，向哪流动的?水流何时到达，会是什么情况?MIKESHE–综合的流域模拟动态的，分布的水文模型灵活的空间及时间尺度水动力及水质MIKESHE坡面流（OL）模块坡面流模块和蒸散发模块、不饱和带模块、饱和带模块、河流和湖泊模块都有联系二维模拟两种计算方法−圣维南方程的扩散波逼近解法（有限差分）−基于曼宁公式的半分布式解法（子流域划分）特点−可划分不同的坡面流产生区域（separatedoverlandflowareas）−可调控地表水-地下水交换量（surface-subsurfaceexchange）MIKESHE坡面流模块•曼宁M−表面粗糙度，影响流速−曼宁M=Stickler糙率−曼宁M=1/n−典型值:•光滑渠道:n=0.01;M=100•植生渠道:n=0.1;M=10•地表蓄水量−开始流动的最小水深−取值反映了当地蓄洪量•初始水深−初始条件MIKESHE坡面流模块——有限差分•基于曼宁公式的半分布式解法−子流域划分（具有相似地形特征）−将子流域视为一定坡度的山坡，坡面流顺流而下−在同一子流域内水从高处流向低处，最低处汇流入河MIKESHE坡面流模块——子流域划分率定参数坡度坡长有限差分VS子流域划分优点易于建立–基于地形易于率定–糙率分布均匀时可与分布式蒸散发、降雨和下渗兼容适用于灌溉缺点缺乏糙率分布数据计算速度慢–尤其是显式解法有限差分优点率定简单(参数少)与分布式蒸散发、降雨和渗透兼容运行快缺点有时地形区较难定义易受蒸散发和渗透过多的影响不适用于灌溉子流域划分MIKESHE河流和湖泊（OC）模块•水力学模型往往涵盖整个河流系统•但是MIKESHE只与用户指定的“连接河道”进行水量交换•MIKESHE计算与其他部分的水量交换：−坡面流与相连河道两侧的网格−河流与含水层的水量交换−洪泛区的洪水和入渗MIKESHE河流和湖泊模块•与MIKE11水动力模型耦合：•可模拟多种水工建筑物及其调度规则•与坡面流、地下水的水量交换•洪泛区将MIKE11连接到MIKESHEAquiferonlyAquifer+BedRiverbedonlyriverszChQ潜水补给河（单向）含水层与河道水量交换（双向，较为普遍）渗失河（单向，渗漏系数）MIKESHE河流和湖泊模块河道连接：根据河道形状投影到MIKESHE网格MIKESHE河流和湖泊模块——河道连接MIKESHE河流和湖泊模块——耦合计算根据河道走向投影在MIKESHE计算网格边界，吻合程度取决于计算网格大小坡面流作为河道侧向边界入流汇入条件：MIKESHE计算网格水位VS河道水位、河道岸堤高程MIKE11河道计算水位点、MIKESHE计算网格与连接河道关系示意图MIKESHE洪水项目实例赵家台小流域水文模型开发及治理措施防洪效果评价2012年7月21日，北京及其周边地区遭遇61年来最强暴雨，全市平均降雨量170mm，强降雨一直持续近16小时。暴雨引发了洪涝灾害，道路、桥梁、水利工程多处受损，民房多处倒塌，经济损失近百亿元。这场天灾给首都人民带来了巨大的生命和财产损失，也让我们深刻认识到，加强基础设施建设，提升城市防灾减灾能力是保障人民群众正常生活的首要任务。对于北京山区小流域来说，开展村庄防洪整治，防治水土流失，在应对洪涝灾害时显得尤为重要。项目由来6May,2015©DHI#33项目背景6May,2015©DHI#34针对“7·21”特大暴雨暴露出的薄弱问题，门头沟区计划开展包括中小河道治理、流域治理、雨水集蓄利用、农田水利改造等在内的一系列水务改造工程。北京市水科学技术研究院委托DHIChina，以门头沟区赵家台小流域为研究对象，建立水文水动力模型，模拟工程治理措施并评价其防洪效果，为工程实施提供技术支持。项目背景6May,2015©DHI#35赵家台小流域位于潭柘寺镇西北部，西南与房山区河北镇接壤，西北与门头沟区王平镇相连，东北接龙泉镇。小流域主沟为刺猬河支流，属大清河水系。赵家台流域总面积15.87km2，包括南辛房、阳坡园、贾沟、草甸水、赵家台等五个行政村，共1514户、3590人。主沟穿过草甸水、南辛房村，由于原有沟道行洪能力不足，“7·21”暴雨引起的山洪上路、进村，给两个村人民的生活和生产造成了严重的影响。项目目标和内容6May,2015©DHI#36本项目的目标是以门头沟区赵家台小流域为研究对象，运用DHI公司的MIKESHE模型软件开发水文模型，对该流域的降雨径流过程进行模拟，并与MIKE11一维河流水动力学模型耦合，模拟受下垫面影响的坡面汇流入河过程；分析流域各类治理措施（坡面措施、沟道工程等）对坡地汇流及河道水动力的影响，为工程措施优化设计及后续实施提供科学依据。具体内容包括：建立基于现状下垫面条件、7·21暴雨条件下的赵家台流域水文模型，分析流域坡面流特征；建立现状情景下赵家台流域一维河流水动力模型，分析河道水动力特征；耦合水文模型与河流水动力模型，利用实测洪痕数据对模拟结果进行分析，研究坡面汇流与河道水动力的水力联系，计算交换水量；模拟不同工程措施、不同频率降雨对坡面汇流及河流水动力的影响，分析各措施的防洪效果。其中流域坡面治理措施包括旱地梯田、果园水平条等，沟道措施包括清淤拓宽、跌水桥涵改造等。技术路线6May,2015©DHI#37分布式水文模型降雨-径流模型耦合二维坡面流模拟MIKESHE一维河道水动力模拟MIKE11流域地形6May,2015©DHI#38地形地貌：•10mx10mDEM；•流域面积15.87km2；•地表高程225m~920m，西北高东南低。河流水系：•主要河道：草甸水主沟、草甸水支沟、贾沟等；•下游流向南辛房，为刺猬河支流；•沟道总长约16km，淤积严重。植被与土壤6May,2015©DHI#39土地利用：•按上覆植被类型进行划分；•林地面积最大，占81.7%，其次为果园、耕地、村庄、草地、绿化；•水面面积最小，仅占0.1%。土壤分布：•门头沟区土壤属地带性褐土；•赵家台以淋溶褐土分布最广；•具有明显粘化层，属粘壤土或壤质粘土。水文气象6May,2015©DHI#40•降雨：7·21暴雨16小时过程线（267.3mm），5年、10年、20年一遇设计暴雨24小时过程线（152mm、207mm、265mm）；•蒸发：暴雨期间蒸发量忽略；•洪痕点：草甸水主、南辛房5、南辛房4，三个断面洪痕信息，可利用水力学公式推算洪峰流量用于模型率定；河道地形及结构物6May,2015©DHI#41断面：•草甸水、南辛房村实测横断面、纵断面图；•补测草甸水上游及草甸水至南辛房区间断面；•10mx10mDEM；•洪痕点信息；•现场拍摄的关键断面图片；•共提取断面21个。结构物：•跌水、桥涵共23处；•现状及改建后尺寸：《赵家台小流域设计》工程措施——坡面措施6May,2015©DHI#42赵家台小流域治理考虑的坡面措施包括旱地梯田、果园水平条、水土保持林草。相邻田面高差1.5m，田坎底宽依据坡度而定；田埂高于田面0.2m，起到挡土蓄水作用；阶梯状，构成水循环下垫面，截断坡长，截留纳渗性、降水集蓄性；6May,2015©DHI#43工程措施——坡面措施梯田水文系统坡面水文系统自然状态下，降水要经历截留、填洼、径流和下渗等一系列水文过程，产生的坡面径流沿地形坡面流动，汇入河网之中。坡地改梯田，原有的长坡被截断为短坡，不同程度拦蓄了地表径流，增加