基于MIKE-FLOOD模型的甘露電廠區域防洪情勢分析

李 舜，辜俊波，鄧金運

（1.中國電力顧問集團華東電力設計院有限公司，上海200000；2.武漢大學 海綿城市建設水系統科學湖北省重點實驗室，武漢430072）

隨著我國社會經濟的快速發展， 城鎮環境下的雨洪問題日益突出， 洪澇災害發生的頻率及其損失不斷增加， 給城市運行管理和人民群眾生產生活帶來巨大影響。在此背景下，針對城鎮暴雨洪澇形成機理、模擬預測、情勢分析及風險評估的研究已成為了我國水利學科研究的熱點問題之一［1-3］。

為了定量評估城鎮暴雨洪水過程及其對防洪排澇情勢的影響， 國內外眾多學者基于MIKE、SWMM等模型平臺開展了大量研究，如初祁等［4］應用MIKE11 和MIKE21 模型分析了北京市大興區天堂河下游地區的洪澇災害危險性；侯精明等［5］應用水文、 水動力耦合模型模擬分析了設計暴雨雨型對城市內澇的影響；欒慕等［6］采用SWMM-MIKE11耦合模型評估了桐廬縣管網系統的排水能力；侯燕等［7］對開封市城市洪水風險進行了分析；L觟wer等［8］結合MIKE水動力模型與城市發展模型分析了不同城鎮減災措施的經濟性與效益性；鄧金運等［9］采用MIKE模型分析了排水體系建設對城市洪澇災害的影響；黃琳煜等［10］采用MIKE-FLOOD暴雨洪澇模型，評估了上海市浦東新區現狀雨水管網的排水能力。

擬建的甘露電廠位于廣東省潮州市潮安區，屬于山地環境下的城鎮產業園區，其防洪排澇情勢不僅具有一般城鎮雨洪問題特征，而且還涉及周邊山洪災害［11］，區域內河涌泄洪、地表降雨漫流和管網排水相互交織， 水文環境復雜。 本文基于MIKEFLOOD模型平臺，利用一、二維水動力學模型與地下管網模型耦合，對電廠區域防洪情勢進行了量化分析。

1 研究區域

甘露電廠位于潮州市彩塘鎮西部， 潮安區東山湖現代產業園南端， 是為了配合產業園及周邊地區的產業發展， 滿足周邊地區熱冷負荷需求及提高電源供應保障能力的擬建燃氣熱電聯產工程（圖1）。該區域為兩側山體中間的寬谷地帶，G78汕昆高速公路從中間穿過，將產業園分為東西兩區。廠址現狀為整平地，西側存在山體，東側緊鄰G78高速公路，東南側地勢較低，是天然雨水的匯集排泄通道。受南亞熱帶季風氣候的影響， 該區域夏季時間較長且降雨較為充沛，容易誘發周邊山區山洪暴雨災害，威脅廠區安全。

圖1 研究區域示意圖

根據工程周邊最新實測地形可知［11］，電廠及周邊區域整體底勢西北高，東南低，建設七路和建設八路合圍區域高程在14～16m，建設九路和建設十路合圍區域高程在7～12m。 該區域北側有涵洞連通高速公路兩側， 根據實際情況及規劃雨水管走向來看，建設七路以北區域洪澇經涵洞排向高速公路西側區域，電廠區域的洪水主要來自本區域降雨以及西側和西南側山區的山洪。 山洪經由規劃的D線河涌位置向東南方向排泄，該河涌規劃標準為20年一遇洪水。無降雨條件下，目前D線河涌位置處于干涸狀態。

隨著產業園的建設發展， 廠址周圍道路及建筑物慢慢增多，將進一步改變地表徑流特性，未來洪澇問題將可能更加突出， 亟需對電廠區域防洪情勢及應對措施進行研究。

2 研究方法

2.1 MIKE-FLOOD模型及其處理

本文雨洪模型基于MIKE FLOOD平臺搭建，主要由3 個模型系統耦合而成： 地表二維模型（MIKE21）、河涌一維模型（MIKE11）及地下管網模型（Mike Urban）。 其中，地表二維模型和河涌一維模型通過側向耦合進行連接， 河涌一維模型和地下管網模型通過雨水排口進行連接， 地下管網模型和地表二維模型通過雨水檢查井連接。 各模型的計算原理及求解方法詳見參考文獻［4-10］。

根據園區整體的場平情況及管網和河涌的分布，地表二維模型模擬范圍自園區建設七路以南（建設七路路與高速公路涵洞交叉道路以南）， 西側至D線河涌右岸，東側至G78高速公路路基，南側至園區邊緣低洼池塘區域，總面積約0.5km2。 模型網格采用10m×10m的矩形網格。 考慮到區域山洪及降雨最終將排向東南向的池塘和洼地， 計算時將南部邊界設置為開邊界，以下游端水塘堤高作為邊界，壅水超過該高程后按堰流考慮，符合該區域的實際排水情況。參考 臨近地區及類似區域經驗［8、9、15］，根據區 域 土地利用類型設置地表糙率，D線河涌糙率參考其設計糙率取值［11］，糙率取值范圍在0.03～0.038。

一維模型建模對象為D線河涌，上游段自建設八路附近，沿建設七路西側向南，至建設九路轉向東，并在下游側流向園區邊緣洼地。 河涌斷面按規劃斷面設置，間距為500m［11］。河涌的上游設置進口流量過程， 根據周邊山區匯流范圍確定設計暴雨流量過程作為上邊界條件；下邊界條件和地表二維模型類似，采用堰流模式處理。

地下排水管網模型模擬包括降雨徑流模塊和管網水力模塊。 其中降雨徑流模塊的輸出結果是后者的邊界條件。 前者產匯流計算采用TA模型［8-9］，后者根據現狀管網規劃圖、管道基本信息（尺寸、流向等，見圖1）、檢查井信息建立管網拓撲結構關系，形成管網水力模型。

計算地形采用規劃地形， 道路高程按規劃高程控制（圖1）。考慮洪水傳播及地表徑流匯集時間本次計算模擬時間為24h，計算步長為1.5s。

2.2 計算工況及設計雨洪計算

工程區域的洪澇災害主要源自區域降雨和周邊山區的山洪， 潮安東山湖現代產業園規劃防洪標準為50年一遇。 本文計算工況按50年一遇設計洪水標準考慮。設計暴雨條件采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》［12-13］計算獲得， 采用粵東沿海地區暴雨設計雨型。假定降雨和洪水同頻率，設計山洪流量過程采用推理公式法［8-9］計算，區域設計雨洪條件如圖2所示。作為比較，使用屬廣東沿海區域的珠海市暴雨公式［14］，同樣采用粵東沿海雨型計算了50年一遇的降雨過程。比較結果可知，與本文計算的設計降雨過程基本一致，峰值略小。

圖2 區域設計雨洪過程

3 結果分析

3.1 工程區域洪澇淹沒情況

圖3給出了50年一遇工況下工程區域最大淹沒水深分布圖。 由圖可知，50年一遇工況下，工程周邊道路出現了淹沒情況，最大淹沒水深東南側較大，西北側較小。其中，建設八路、建設九路、建設十路的最大淹沒水深均小于0.3m，一般在0.1～0.25m左右；而建設九路東側段以及工程廠區與G78高速公路之間的綠化帶區域，由于地形本身高程略低，其最大淹沒水深在0.1～0.9m之間，特別是廠區東南角綠化帶處，淹沒水深達到0.5～0.9m。 工程廠區以南的園區邊緣區域，包括D線河涌下游段兩側，由于地勢進一步降低，整個區域的雨洪匯集于此， 最大淹沒水深可達2～3m。

圖3 工程區域最大淹沒水深分布

圖4 典型計算監測點水位變化過程

為了進一步明確工程周邊道路的水位變化情況， 圖4給出了50年一遇工況下典型計算監測點水位變化過程，監測點分布如圖1。 總體來看，由于整個區域西北高、東南低，對道路而言，雨洪屬于過路性質，不會出現長時間的積水；廠區東南側綠化帶本身地勢較低，一些低洼地點降雨結束后，會有積水存在。 各監測點水位變化過程與降雨過程相對應，前12個小時由于降雨強度較小，河涌上段沒有漫溢，區域降雨通過管網可以快速排走，周邊道路沒有出現積水；在后12個小時，由于最大降雨強度的到來，特別是山洪流量增大，上段出現漫溢之后，道路地面的水深快速增加，在17～18h出現了最大水深，之后由于地表漫流和管網的持續排水，水位快速回落。

3.2 地下管網排水情況

地下管網是重要的排水通道， 根據耦合計算的管網模擬結果評估管網排水能力可知（圖5），建設八路、建設九路西段、建設十路上段和高速公路北段的管道充滿度均滿足設計要求； 建設九路東段部分管道和建設十路南段的管道充滿度超過最大設計充滿度，但未出現溢流；由于場地東南側地勢較低，雨水匯集到東南方向的管道， 建設九路東段靠近綠化帶的管段和廠址東南方向高速公路側管段出現局部溢流。 總體來看，如果要完全應對50年一遇雨洪情況，特別是山洪漫溢后區域的排水情況， 目前的規劃管網仍存在不足， 特別是工程廠區南側和東南側的管道尺度應進一步加大， 同時對管網布局進行進一步優化。

圖5 計算區域管網泄流能力評估

3.3 河涌泄洪情況

河涌是電廠區域排泄山洪的主通道，但由于其設計標準不高，遭遇50年一遇設計山洪時，河道產生局部河段溢流現象。 根據計算情況及洪峰最大時刻沿程水位變化（圖6），針對各斷面最大洪峰，漫溢首先出現在河涌下游段，溢流點里程約950m，出現時間在山洪發生后的30～40min，該段漫溢的主要原因是兩側地勢低洼及下游排洪通道存在較多低矮民堤，過水面積束窄造成。 該部分溢出水流對工程周邊道路影響不大。 隨著降雨強度達到最大（17h），河涌上游來流量急劇加大，河涌上段建設八路附近出現溢流點，山洪漫溢進入電廠周邊道路，并向東南方向漫溢，增大了管網排水壓力并對電廠安全造成不利影響。

圖6 50年一遇工況下最大洪峰時刻河涌沿程水面線

4 結語

（1）基于MIKE-FLOOD模型平臺，耦合一二維水動力學模型及地下排水管網模型， 能夠較好模擬甘露電廠區域復雜水文環境下的雨洪情勢。

（2）50年一遇雨洪條件下，工程周邊出現了較為嚴重的淹沒情況，主要和降雨強度大及D線河涌山洪漫溢有關。受山洪漫溢的影響，目前規劃的地下管網存在部分管段管道充滿度超過了設計充滿度、 局部檢查井出現溢流的情況， 難以滿足同時排走區域降雨以及漫溢山洪的需求。

（3）為保障工程防洪安全，工程建設時建議增大場平豎向標高， 同時提高排水管網和河涌防洪標準并及時整頓園區東南側低洼區域洪水通道。