MIKE11模型在河口排澇泵站規模論證中的應用

伍 希

(廣州市水務規劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510640)

1 概述

近年受全球氣候變化影響，極端天氣頻繁發生，對社會經濟活動帶來嚴重影響，甚至造成人員傷亡和重大經濟損失[1]。如2021年鄭州“7.20”暴雨，降雨量累計達到732 mm，其中小時降水量最大達到201.9 mm，更是創下歷史極值[2]。鄭州此次極端降雨過程引發了嚴重的城市內澇問題，對人員和財產造成了不可估量的損失[3]。

沿海地區由于極端天氣造成的洪澇災害尤為嚴重[4]。以廣州市為例，該地區常受臺風侵襲，造成河口潮位暴漲，如2018年臺風“山竹”，中大站最高潮位達到3.27 m，為建站以來最高記錄值[5]。同時，廣州地處南亞熱帶，雨量豐沛，汛期暴雨頻發，如2020年廣州市增城區的“5.22”及“6.8”兩場特大暴雨，均造成了嚴重的經濟損失以及廣泛的社會關注[6]。又由于廣州位于珠江河口地區，其上游北江、東江的洪水經由市內眾多水道入海，因而還受到外江洪水侵擾[7]。基于以上分析，廣州市存在暴雨、洪水、臺風三碰頭的風險，對城市水安全保障提出了極大的挑戰。

應對由于極端天氣造成的城市洪澇災害問題，一直是廣州市水務發展的重要研究課題。受外江潮(水)位頂托影響，城市部分片區的澇水往往無法自排，需在河口建設排澇泵站。以往泵站工程多采用“平湖法”[8]進行調蓄計算，以確定設計流量以及相關特征水位。由于“平湖法”僅從水量守恒角度分析計算，未考慮河道水動力因素，在應用于河口泵站工程時，常出現泵站設計流量與上游河道過流能力不匹配的現象，造成工程無法實現既定排澇目標。水動力模型同時滿足水量和動量守恒[9]，將其應用于泵站規模論證，可有效避免上述問題。

MIKE11模型是較成熟的商業軟件，其水動力學(HD)模塊可對各類一維非恒定流問題進行模擬計算[10]。本文以廣州市海珠區大干圍泵站工程為例，應用MIKE11 水動力學(HD)模型，論證泵站規模及特征參數。

2 工程概況

工程位于廣州市海珠區西南部石溪排澇片區，總集雨面積為2.50 km2，區內主要排澇河涌為石溪涌、大干圍涌、烏球渠(石溪—大干圍連接段)，排澇出口為石溪涌口和大干圍涌口，外江承泄區為珠江后航道。

大干圍涌起點位于東南西環高速公路丫髻沙大橋，上接DN1000雨水管，下游出后航道流入珠江。大干圍涌明渠段總長度約1.43 km，水面寬度約5～15 m。石溪涌起于石溪村，上游部分河段現狀為暗渠，通過石溪～瑞寶連通段與瑞寶涌連接；下游經石溪閘站流入后航道。石溪涌明渠段總長約1.4 km，河寬約9.3～17.5 m。烏球渠連通大干圍涌和石溪涌，現狀總長約0.85 km，河寬約3.0～15 m。

大干圍涌口現狀建有1孔水閘，總凈寬為5 m，閘底高程為-1.5 m，設計過閘流量為19.67 m3/s。石溪涌口現狀建有水閘、泵站：水閘為1孔，總凈寬為5 m，閘底高程為-1.5 m，設計過閘流量為34.6 m3/s；泵站設計流量為5.33 m3/s，裝機容量為230 kW，設計揚程為1.62 m。石溪排澇片區水系及相關水利設施分布情況示意見圖1。

圖1 石溪排澇片水系示意

本工程擬在大干圍涌口新建泵站，使片區排澇標準達到50年一遇。本文通過應用MIKE11水動力模型，模擬計算洪水期泵站的運行調度過程，以合理確定泵站設計流量及相關特征參數。

3 模型建立

3.1 模型簡介

MIKE 11 HD主要用于洪水預報及調度措施、河渠/灌溉系統的設計調度及河口風暴潮的研究，是目前世界上應用最為廣泛的商業軟件，具有計算穩定、精度高、可靠性強等特點，可方便靈活模擬閘門、水泵等各類水工建筑物，尤其適合應用于水工建筑物眾多、控制調度復雜的情況[11]。MIKE 11計算模塊基于以下3個要素：① 反映有關物理定律的微分方程組；② 對微分方程組進行線性化的有限差分格式；③ 求解線性方程組的算法。

MIKE 11計算模塊是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組[12-13]：

(1)

(2)

式中：

t——時間坐標；

x——距離坐標；

A——過水斷面面積；

Q——流量；

z——水位；

n——糙率；

R——水力半徑；

g——重力加速度常數，9.81 m/s2。

方程組利用Abbott-Ionescu 6點隱式格式求解。該格式在每一個網格點并不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位或流量。Abbott-Ionescu格式具有穩定性好、計算精度高的特點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

MIKE 11 SO模塊可對水工建筑物運行設置復雜的調度規則，依據河道某處的水位或流量、水位差或流量差、蓄水量、時間等數十種邏輯判斷條件控制水工建筑物的運行[14];模型根據建筑物上下游水文條件自動判斷所處流態，選用相應的流體力學公式進行計算。

MIKE 11 HD和SO建模需要以下各類數據或信息：河網平面及水工建筑物、邊界位置等平面信息；河道地形或河道縱橫斷面資料；模型邊界處水文數據；河道糙率；水工建筑物的基本設計參數及調度運行規則。

3.2 模型建立

3.2.1河網和地形

一維河網水動力模型的范圍主要為石溪片區內石溪涌、大干圍涌、烏球渠(連通段)3條河涌。水工建筑物包括現狀石溪閘站、大干圍水閘，擬新建大干圍泵站。模型下邊界為珠江后航道。

根據實測地形數據，對河道平面及斷面進行設置，同時對河口水工建筑物進行模擬設置。

3.2.2水工建筑物概化

通過MIKE11內置SO模塊，對水閘及泵站建筑物進行概化。水閘過流按照寬頂堰流進行概化，相關參數依據原設計成果調試后確定。

由于研究區域內排澇河涌涌容較小，調蓄能力較弱，水位對于涌口抽排流量變化較敏感。因此，若泵站采用MIKE11 SO內置模塊進行模擬設置，常出現抽排流量響應滯后，造成水位急劇上升或下降，出現露河底、漫頂等現象，最終導致模擬計算結果失真。另一方面，MIKE11從計算穩定性角度考慮，其內置模塊會對流量急劇變化時段做平滑處理。而實際泵站抽排流量只與機組開啟數量有關，其流量過程呈近似階梯分布。

為準確真實模擬泵站抽排過程，首先通過傳統的“平湖法”對片區進行排澇調蓄計算，初步擬定機組設置及泵站抽排流量過程線。并以該過程線為依據，對泵站進行概化設置，經MIKE模型多次模擬試算，對流量過程進行調整優化。

3.2.3計算工況

根據工程確定的整治目標，工程實施后，片區可達到50年一遇排澇標準。參照相關規范，并結合廣州市內澇防治相關要求，確定以下2種計算工況。

1) 工況1：內涌50年一遇設計洪水為36.20 m3/s(石溪涌21.3 m3/s +大干圍14.9 m3/s)，遭遇外江多年平均最高潮位為2.09 m；

2) 工況2：內涌5年一遇設計洪水為21.27 m3/s(石溪涌12.50 m3/s +大干圍8.77 m3/s)，遭遇外江200年一遇洪潮水位為2.76 m。

以上2種工況的雨潮遭遇，均采用峰峰疊加形式。

3.2.4初始條件

工程位于感潮區，河口日常關閘蓄水。初始水位即河道日常蓄水位1 m。片區在無雨時，無外水匯入河涌，初始流量為0 m3/s。

3.2.5邊界條件

上游進口及區間采用流量邊界，流量過程通過綜合單位線法計算得到。下游出口采用水(潮)位邊界，根據各工況擬定潮位值，選取典型潮位過程線；工況1及工況2的水(潮)位、流量過程線采用峰峰疊加的形式(2工況設計洪水及水位過程如圖2～圖3所示)。

圖2 工況1流量及水位過程示意

圖3 工況2流量及水位過程示意

3.2.6時間步長及空間步長

為保證模擬計算收斂，時間步長及空間步長需滿足CFL條件[15]，其在一維淺水運動方程中的表達式如下：

(3)

式中：

Cr——科朗數；

Δt——時間步長,m；

Δx——空間步長,m，根據實測河道斷面間距確定；

v——斷面平均流速,m/s；

h——水深;

為便于計算結果分析，本研究采用定步長進行模擬計算。根據模型斷面間距設置及數值試驗，確定時間步長為10 s。

3.2.7糙率取值

一般而言，糙率通過實測河道流量及水位數據率定得到。由于缺少實測數據，參照臨近工程及相關文獻[16]關于糙率的建議取值，確定糙率為0.025。

4 計算結果

根據模擬計算結果，石溪排澇片的排澇總規模為24.75 m3/s(含現狀石溪泵站5.5 m3/s)，需擴建泵站規模為19.25 m3/s。表1為2種工況下排澇規模及相關參數計算成果。

表1 不同工況下排澇規模計算成果

根據石溪涌及大干圍涌現狀河底高程，并參照周邊排水區的相關經驗，最低運行水位不應小于-1.0 m；同時為了充分利用河涌調蓄空間，最低運行水位不宜大于-0.5 m。根據表1計算結果，2種工況計算得到的最低運行水位均滿足上述要求。

由于石溪—大干圍連通渠(烏球渠)現狀存在多處卡口，最窄處寬度僅2.8 m，最大過流能力僅4 m3/s。若將擴建泵站均布置于大干圍涌口，則在設計工況下，將出現大干圍涌口來流小于泵站抽排流量的情況，排澇泵站無法發揮設計排澇效益；而西側石溪涌則由于涌口泵站抽排能力不足，造成水位過高，局部低洼地區發生內澇。

由于烏球渠束窄段緊鄰民居，可拓寬空間小，實施難度較大；卡口斷面涉及跨河橋，需對其進行拆除重建，在一段時期內對當地居民的出行造成影響。因此，現階段對烏球渠拓寬的可行性較小。

經模型驗證，在維持烏球渠現狀的情況，當大干圍涌涌口新建泵站規模為14.25 m3/s(機組配置：6+6+2.25 m3/s)，同時擴建石溪泵站規模至10.5 m3/s(現狀5.5 m3/s+擴建5 m3/s)，則可基本實現2條河涌水位同升同落，從而使整個片區水位維持在管控水位以下(大干圍涌口排水時段內水閘及泵站流量過程見圖4)。

圖4 大干圍涌口水閘及泵站流量過程示意

分析石溪涌、大干圍涌在整個模擬計算過程中的水位外包線，表明在設計工況下，片區內河涌各斷面的水位基本可控制在管控水位以下。其中，大干圍0+430斷面左岸岸頂高程1.09 m低于該處水位外包值1.25 m，在設計工況下將出現漫頂。若繼續降低涌口管控水位，將減小河道可利用調蓄涌容，造成泵站規模進一步加大，增加工程投資；由于泵站機組數量限制，泵站總規模增大將造成單臺機組設計流量過大，對泵站運行調度不利。

綜上，建議在后期條件允許的情況下，對大干圍涌、烏球渠進行擴寬，以增大河涌調蓄能力和過流能力；對大干圍涌右岸局部低洼河段堤岸進行加高。

5 結語

根據工程所在石溪片區實測河道地形資料及涌口相關閘泵建筑物資料，應用MIKE11水動力模型，對設計洪潮遭遇下的片區排澇過程進行模擬分析計算，確定了擬新建大干圍泵站的設計流量、機組配置及涌口控制水位，為工程設計提供了依據。

MIKE11水動力模型結合內置SO模塊，在應用于河口泵站規模論證計算中，具有較好的計算精度和穩定性，較之常規采用的“平湖法”調蓄計算，其考慮了河道水動力因素，可準確計算調整全過程的水面線變化情況，進而分析泵站規模與河道過流能力的匹配問題，使計算結果更加貼合實際，為工程設計提供數據支撐。