MIKE模型在佛山樂平鎮水系連通工程河道防洪中的運用

劉 東

（廣東省佛山市三水區樂平鎮水利所，廣東 佛山 528137）

城市水環境綜合治理工程以提升區域整體水環境為核心，通過控源截污、河網水系連通等工程實施，逐步改善區域內水系水質現狀，實現人與自然生態環境的融合［1］。隨著海綿城市設計理念的不斷深入，河網水系連通調蓄功能逐漸被重視起來，不僅能實現水量調蓄和海綿設計，還能發揮河道自我修復功能，促進城市生態環境建設［2］。為實現水系的調蓄功能，不同運行工況下洪水水位的計算則顯得尤為重要。目前在水文設計中防洪水位常用的計算方法為恒定流法、“平湖法”、模型模擬法等，其中模型計算中MIKE模型越來越廣泛地運用其中［3］。MIKE模型不僅豐富洪水位運行調度設計，而且在計算速度、時間等方面優于其他計算方法，極大地提高了工作效率［4］。因此，在水系連通項目防洪調度設計中，應提倡MIKE模型的運用，在眾多運行工況下選擇最佳工況，提高設計效率。

本文以佛山市樂平鎮水系連通和凈化工程為例，通過MIKE模型對樂平鎮水系樂平涌、左岸涌、西邊涌、三丫涌及支毛涌與主干河涌相連形成整個河網水系模擬計算，分析河網主要斷面在最高水位下，在不同工況下河網水系能夠滿足30年一遇24h設計暴雨1d排完的排澇標準，可為類似水利工程項目防洪調度計算提供一定借鑒經驗。

1 項目情況

1.1 工程概況

佛山市樂平鎮水系連通工程范圍為三水區樂平鎮塘西大道和樂南路路口東北角，西接塘西大道，南側樂南大道，東臨三丫涌，北靠規劃路，南北長1209m，東西長1775m，呈不規則形狀。項目周邊有三丫涌、西邊涌、左岸涌、樂平涌等4條河涌，本項目將連通三丫涌、西邊涌水系形成景觀水體并對景觀水體進行凈化。三丫涌、西邊涌基本為明涌，現狀明涌岸線形式多樣。佛山市樂平鎮水系連通和凈化工程是連通西邊涌、三丫涌水系的重要組成部分，總設計面積116.45萬m2，其中水體面積54.07萬m2，主要建筑物如下：一體化泵站設計流量6480m3/h，內置兩臺軸流泵，單泵流量3240m3/h；在調蓄湖湖體外圍設有18～65m的生態護坡，其中河道放坡寬度約6～8m，外圍設置有1條4m的防洪堤路及1條6m的生態護坡。本工作治澇目標與上位行接，按30年一遇24h設計暴雨1d排除不致災。本工程為內涌整治治澇工程，工程等別為Ⅴ等，工程主要建筑物為5級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級。項目建設總投資21792.26萬元［5］。工程地理位置及工程布置如圖1。

圖1 工程地理位置及工程布置

1.2 水文概況

佛山市三水區樂平鎮地處北江水系，北江主流在三水蘆苞鎮、西南街道分流入蘆苞涌、西南涌至官窯附近匯合流入珠江。三丫涌是樂平鎮境內溝通樂平涌與左岸涌的一條大致呈東北—西南走向的主干涌道，起點位于河南村附近接樂平涌，終點于竹山崗附近接左岸涌，三丫涌全長約10.1km，現狀底寬5～15m，全程平均坡降約5.3/10000。樂平涌水系是溝通蘆苞涌和西南涌的涌系，北部由烏崗總干涌接蘆苞涌，經白土涌、獨樹崗涌和樂平涌后匯入樂平涌，最后經海州水閘流入西南涌。西邊涌是樂平涌的主干支涌之一，起于樂平涌清湖站附近，出三水農場黃花竇后止于左岸涌，全長約6.17km。

1.3 運行調度

樂平鎮水系連通工程區域范圍外江承泄區為西南涌、蘆苞涌，內河涌有樂平涌、西邊涌、三丫涌、左岸涌等主支干河涌，這些主支干河涌與支涌、圍內水塘、湖泊相互溝通，共同組成了河網水系。汛期排澇情況下，河涌內水流受外江水位、內部澇水量及邊界水利工程調度等方面的影響，使得水流流向往復不定，難以準確劃分各排水河涌排水范圍，同時由于計算區域集雨面積較大，使得排水時水面比降因素不能忽略。根據工程建設要求，河涌低于河涌控制水位3.244m，所有智能井開啟，旋轉堰門關閉。當大同湖水位1.0，1.4，0.95m時，一體化泵井分別開啟一臺泵、二臺泵和停泵。當河涌水位高出控制水位3.244m時，關閉所有水泵、智能井。若大同湖水位低于1.4m時，開啟所有旋轉堰門，河涌水進入大同湖；當大同湖水位達1.4m，由管理部門及政府應急部門決定是否繼續開啟旋轉堰門，將洪澇水引入大同湖。

2 研究方法及模型建立

2.1 研究方法

河網非恒定流水力計算是一種先進的基于對一維河網水流物理運動的數學方法描述，并利用數值計算方法求解微積分方程組，進而通過方程組數值解動態反映河網水流運動狀態的方法，計算結果包括各斷面實時水位、流量等。本項目計算采用河網一維非恒定流水力計算推求河道斷面水位、流量，計算在丹麥水力學研究所開發的MIKE11軟件平臺上進行。

2.2 河網概化

河網概化包括河道概化、控制建筑物概化。河網概化遵循突出主干河道，保留需重點研究的非主干河道，并使概化后河網的河道容積與實際河道容積基本上保持一致，概化河道斷面過流能力、控制建筑物規模及調度情況與實際情況相一致的原則。本工程計算概化河道26條，概化控制建筑物8處。經過概化，河網共有水位計算節點95個，流量計算節點56個。

2.3 邊界條件

工程MIKE模型邊界分為內邊界和外邊界。其中內邊界主要為進入到工程范圍內河網的降雨徑流，在暴雨來臨前內河涌設計為常水位1.744m時開始預排；設計河涌斷面初始流量和控制建筑物分別為0.0m3/s和關閉狀態。工程范圍外邊界條件僅考慮作為泵站排澇，工程構筑物如水閘暫不作考慮。

2.4 模型工況

工程采用MIKE11進行整體河網模擬計算，根據規劃區域地形圖及河涌布局，建立河網水力計算模型，將內涌設計暴雨洪水過程線輸入模型進行排澇演算，模擬在不同工況運行下大同湖的運行調度規程及樂平涌左岸涌片區的排澇體系情況，如表1。

表1 模型不同工況模擬防洪調度運行

3 結果與分析

3.1 排澇影響分析

根據MIKE模型模擬結果，當大同湖參與防洪排澇調度下（工況1、工況3～工況5），片區最高水位分別為2.953，2.957，3.037，3.106m，滿足規范控制水位要求；當大同湖不參與防洪排澇調度（工況2），片區最高水位為3.25m，稍高于控制水位。

大同湖在一定條件下參與防洪排澇調度，相應的最高水位隨著大同湖開閘水位的增加而逐漸升高，此時均能低于控制水位，表明大同湖開閘水位越低越有利于澇區的防洪排澇安全；另一方面，工況1和工況3模擬下，大同湖最高水位分別為2.953，2.957m，水位基本一致，表明大同湖提前預排有利于整體防洪排澇，但犧牲了大同湖部分水環境效益。工況4和工況5最高水位分別為3.037，3.106m，兩者最高水位無顯著性差異，表明大同湖外水位可設計為2.744m作為開閘水位，在暴雨強度下能滿足控制水位要求，保障周邊區域的防洪排澇安全。

進一步分析表明，在工況6和工況7下，現狀排澇條件并遭遇10年一遇設計暴雨時，大同湖建成前后片區最高水位分別為4.915，4.018m，高于規范控制水位；但建成后比建成前水位降低了0.897m，表明大同湖防洪排澇效益明顯。模型不同工況模擬下最高水位計算如表2，工程不同工況下MIKE模型的模擬成果如圖2。

圖2 工程不同工況下MIKE模型的模擬成果

表2 模型不同工況模擬下最高水位計算

3.2 防洪影響分析

根據MIKE模型對不同工況下模擬計算分析結果，在現狀排澇體系并遭遇10年一遇設計暴雨時，大同湖建成前后片區最高水位分別為4.915m和4.018m，水位降低0.897m，表明大同湖能夠增加整個河網的水面面積，有利河網防洪排澇。在規劃排澇體系并遭遇30年一遇設計暴雨時，大同湖在一定水位條件下參與防洪排澇調度有利于整個河網水系，外水位≥2.744m時，開閘引水入湖，片區最高水位3.106m，滿足規劃水位要求；完全不參與排澇調度時，片區最高水位3.25m，超過控制水位，有洪澇風險。

雖然西邊涌、三丫涌現狀河涌水質不能滿足大同湖進水水質達到Ⅳ類水的標準，當大同湖不參與防洪排澇調度時，周邊區域最高水位超過控制水位，另結合澇區現狀的排澇體系情況，建議大同湖參與防洪排澇調度。因此，在滿足日常運行調度的前提下，周邊區域遭遇暴雨時，大同湖應參與片區的防洪排澇調度，保障區域的防洪排澇安全，犧牲短時間內水質環境效益換取大范圍防洪排澇效益，特別是現狀排澇體系尚未完善而極端天氣頻發的情況下，大同湖參與防洪排澇調度重要性更加突出。

3.3 工程設計影響分析

樂平鎮水系連通工程主要水工建筑物包括大同湖、3座旋轉閘門和1座一體化泵站，3座旋轉閘門上下游設置5～10m護底段以防沖刷；硬質駁岸擋墻墻身采用素混凝土，墻身高1.5m，墻頂標高1.744，墻頂與設計地面連接為放坡，坡度約1∶3，每隔15m設沉降縫一道，縫寬20mm，底板下設置4m長松木樁滿足地基承載力；工程距離其他水利工程（豐崗水閘、海洲水閘、古云水閘和海洲電排站等）設施均超過10km。結合模擬工況，運行調度下最高水位對周邊水利工程未造成不利影響。另一方面，兩側為三丫涌和西邊涌，附近無取水口、碼頭等，不涉及飲用水源地，對周邊水利工程無安全影響隱患。

4 結語

（1）結合佛山樂平鎮水系連通工程，通過MIKE模型對不同運行工況下進行模擬，從排水排澇、防洪影響和工程設計影響等方面闡述大同湖的防洪效果。新建大同湖能夠增加水域面積，有利于現狀排澇體系；在10年一遇1d排干的標準和現狀排澇條件下，大同湖使得洪水水位降低0.897m，防洪排澇效益明顯；大同湖參與片區的防洪排澇調度，能夠保障周邊區域的防洪排澇安全。

（2）在水環境整治工程中，水系連通能夠增加河網水系的調蓄能力，應重視和發揮調蓄湖在防洪中的作用，本工程將MIKE模型運用于不同工況下防洪水位的計算和分析，在最佳運行調度工況下發揮防洪能力，為類似工程項目提供借鑒。