MIKE 11 模型在東莞市防洪分析中的應用

黃 程

（廣東省水利電力勘測設計研究院 廣東廣州 510635）

1 前言

近年來，特別是“2006年7月”、“2008年6月”等幾場大暴雨給東莞市東引運河、寒溪河流域造成了嚴重的洪澇災害，危及人民的生命財產安全，暴露出流域內目前的防洪排澇系統(tǒng)已不適應經濟社會發(fā)展的需要。

由于流域內東引運河、寒溪水與其支流之間，流域與東江流域之間水流互相交換，東引運河與石馬河、潼湖等水體貫通，流域下游洪水與潮水相互作用，水動力條件復雜，同時流域內水利工程眾多，對洪水過程影響較大。使用傳統(tǒng)方法難以模擬流域水系間以及水利工程調度等眾多因素的相關影響，給流域防洪關鍵點的分析以及防洪方案的制定都帶來很大的難度。因此，需借助一維水動力學數(shù)學模型，進行流域防洪能力分析，工程方案比較等工作。

2 流域概況

東引運河建成于1970年，上游引水口位于橋頭鎮(zhèn)建塘口，破東江堤筑閘，無壩引水入企石小海河，于橫瀝半仙山入寒溪水，過峽口水閘后，向西南轉，進入東莞市區(qū)，再向下經虎門鎮(zhèn)區(qū)至磨碟口河至長安排澇站，全長102.6km。沿河建有水閘19 座，其中5 座節(jié)制閘，14 座排水閘。

3 模型構建關鍵技術

3.1 模型研究范圍

模型研究范圍包括東引運河、寒溪水流域以及與其相連的東江三角洲、茅洲河等水系，模型內共設有29 座水閘（含規(guī)劃及流域外），8 座泵站，以及3 個蓄滯洪區(qū)。

3.2 模型構建關鍵技術

MIKE 11 軟件是由世界上著名丹麥水資源及水環(huán)境研究所（DHI）研制，用于在河口、河流、灌溉系統(tǒng)、渠道等地表水體模擬水體流動、水質變化、泥沙運移等一維水利專業(yè)工程軟件。根據(jù)使用經驗，筆者認為MIKE 11 軟件較其他一維水動力學數(shù)學模型的優(yōu)勢之一，在于將水工建筑物高度集成化和可視化，為本次防洪分析中眾多水工建筑物的模擬及優(yōu)化調度提供了技術平臺。

3.2.1 水工建筑物設置

根據(jù)流域內各主要水工建筑物的特性及調度方式，主要利用MIKE 11 中的“Control Str.”建筑物來實現(xiàn)?！癈ontrol Str.”建筑物可能是MIKE 11 中功能最強大和全面的建筑物，除可以提供攔河閘（壩）、穿堤建筑物和蓄滯洪區(qū)等建筑物外，還可以模擬泵站、橋梁等其它建筑物（其它地方單獨設，如泵站）。

“Control Str.”建筑物主要設置要素包括建筑物類型、基本參數(shù)、水頭損失、控制方案及其控制方式。

東引運河、寒溪水流域地處平原地區(qū)，29座水閘均為平原水閘，在“Control Str.”建筑物以“Underflow”類型進行設置。8 座泵站均為排水泵站，一般與水閘結合在一起，MIKE 11 中可與水閘設在同一斷面，一般以“Discharge”類型或“Pump”建筑物（調度較簡單時）進行設置。

3 個蓄滯洪區(qū)通過在建筑物類型中設置為側向建筑物，并添加蓄滯洪區(qū)的水位—容積參數(shù)，這樣河網中水體可依據(jù)調度方案進行調蓄。

3.2.2 調度規(guī)則設置

流域內建有眾多的控制性建筑物，調度規(guī)則的合理設置是實現(xiàn)流域防洪優(yōu)化調度，平衡上下游防洪安全的關鍵。

MIKE 11 中的調度方案的優(yōu)先級是If/else if/end 的關系，根據(jù)用戶設定的優(yōu)先級別（1為最高級，順序最后一個方案為無條件執(zhí)行方案）依次往下執(zhí)行其調度控制方式。計算模式可以是表格（Tabulated，默認）、PID 算法（PID operation）、動量方程（Momentum equation）、迭代（Iterative solution）、全開（Fully Open）、關閉（Close）、固定值（Unchanged）、變值（Change with）、定值（Set equal to）等，其中以表格最為常用，通常為與時間有關的序列文件，如各時刻的控制過閘流量、水閘開度等。

控制方式由判斷條件、控制條件及控制方式三部分組成，對于控制點和目標點Mike 11為可控結構物提供了豐富的參數(shù)，如計算水位、流量、水深、水位差、流量差、和、平均值、累積值、面積、時間，閘門高程、閘前后水位差、流量差等都可以進行控制。

這里以峽口水閘調度為例進行簡單說明。為保障東江供水安全，東引運河、寒溪水流域的洪水盡量限制外排，峽口水閘只有上游水位高于4.5m 才開閘泄洪，即“Full Open”條件為“This Gate dH >0.0”（上游水位大于下游水位）和“Hups >4.5”（上游水位大于4.5m）。

4 流域防洪分析

東引運河、寒溪水流域的防洪問題主要集中在峽口以上流域，這里僅介紹模型在峽口以上流域的防洪分析成果。

4.1 峽口以上現(xiàn)狀防洪能力分析

為分析現(xiàn)狀條件下各水閘以及河道流動情況和排洪能力，沿程節(jié)制閘按保持常開，其余水閘按照能排即排的原則進行調度。在內洪為主設計工況下東引運河沿程各主要排洪水閘的最大過流量及最大上、下游水位差見表1。

從表1 可看出，企石水閘的最大過流和最大上下游水位差分別為198m3/s和1.27m；峽口水閘的最大過流和最大上下游水位差分別為1560m3/s和1.09m。作為東引運河、寒溪水流域峽口以上最主要的排洪出口，兩個水閘的過流能力明顯不足。

表1 主要排洪水閘最大過流及上下游水位差

流域發(fā)生設計工況（同頻率內、外洪為主工況外包）時，最大行洪調度現(xiàn)狀沿程水面線建塘至企石水閘河段的兩岸高程略高于50年一遇水面線（內、外洪為主工況的最高水位外包，下同），平均高約1.0m。企石水閘至黃沙河匯入口河段的兩岸高程基本上低于50年一遇水面線1.0m 左右；黃沙河匯入口至峽口河段的兩岸高程基本上低于100年一遇水面線1.5m 左右。

以往認為，影響東引運河、寒溪水流域峽口以上水位的主要因素是河道阻水及東江頂托。根據(jù)上述結果，除局部河段阻水嚴重（水面坡降大）外，東引運河、寒溪水流域峽口以上河段流域洪水期，企石水閘、峽口水閘和東莞市城區(qū)分流，三個出口均過流不足。其中城區(qū)段為人工開挖河段，過流能力有限；企石水閘位于流域上游，外江水位亦較高；重建不到10年的峽口水閘也是阻水的關鍵因素，需要擴建。

4.2 水閘調度分析

為更有效的控制洪水分配，提出合理可行的水閘調度方案，需對水閘的調度進行分析。設計3 種對比方案：

（1）最大行洪方案。該方案各水閘能開即開，各節(jié)制閘保持常開。

（2）分區(qū)排洪方案。該方案各節(jié)制閘均關閉，各個區(qū)域獨立排洪。

（3）企石水閘關閘方案。該方案企石水閘關閉。主要研究為避免企石水閘開閘污染東江飲用水源，而關閉企石水閘對流域防洪的影響程度。

各方案在發(fā)生全流域內洪為主各頻率設計洪水時，沿程最高水位見圖1。從圖1 可以看出，對比最大行洪方案和分區(qū)排洪方案，在遭遇全流域內洪為主50年一遇、20年一遇和10年一遇洪水時，若關閉企石節(jié)制閘將使企石以上最高水位分別升高約0.20、0.15和0.10m；在遭遇全流域內洪為主5年一遇洪水時，最大行洪方案與分區(qū)行洪方案沿程最高水位相當。對比最大行洪方案和企石水閘關閘方案，在遭遇全流域內洪為主20年一遇、10年一遇和5年一遇洪水時，若關閉企石水閘將使仁河水以上最高水位分別平均升高約0.15、0.20和0.35m；在遭遇全流域內洪為主50年一遇洪水時，最大行洪方案與分區(qū)行洪方案沿程最高水位相當。

根據(jù)上述水閘調度分析，主要控制性水閘的調度推薦方案如下：（1）為保護東江引用水源，考慮全流域發(fā)生20年一遇以上洪水時才開啟企石水閘；（2）為配合企石水閘啟閉，考慮全流域發(fā)生20年一遇以上洪水時關閉企石節(jié)制閘；（3）為保護東江引用水源，考慮全流域發(fā)生2年一遇以上洪水時才開啟峽口水閘。

4.3 峽口以上工程方案及其效果分析

根據(jù)上述現(xiàn)狀分析結果，經實地調研和上下游多方案、多調度計算，設計以下工程方案：（1）干流全線河道整治；（2）峽口水閘擴建，新建峽口泵站；（3）擴建企石水閘；（4）新建江子埔和生態(tài)園兩個濕地，起到消峰、調蓄洪水的作用。以上各工程方案在流域遭遇內洪為主50年一遇設計洪水，外洪100年一遇設計洪水時的沿程最高水位見圖2。從圖2 可以看出，峽口以上流域在實施了上述工程方案以后，可在流域遭遇內洪為主50年一遇洪水時，比現(xiàn)狀情況下降低峽口以上水位0.93～1.74m，說明規(guī)劃方案效果明顯。

5 結束語

借助MIKE 11 軟件建立的一維水動力數(shù)學模型，對東引運河、寒溪水流域的現(xiàn)狀行洪能力進行分析，準確找出了影響流域行洪的關鍵位置，使得流域防洪治理工程可以有的放矢。同時進行了流域內水閘的優(yōu)化調度方案設計和防洪工程方案的效果分析，為流域的調度方案的制定和防洪工程的設計提供了參考。

1 GB50201—94 防洪標準[S].北京：中國計劃出版社.

2 SL104—95 水利工程水利計算規(guī)范[S].北京：中國水利水 電出版社.

3 SL278—2002 水利水電工程水文計算規(guī)范[S].北京：中國 水利水電出版社.

4 王領元.丹麥MIKE11 水動力模塊在河網模擬計算中的應用研究[J].中國水運（學術版），2007，(2)：106-107.

5 翟麗嫦，杜冬陽，王國豐.廣州市花地河建閘前后排澇能力分析計算[J].廣東水利水電，2010，(11)：46-50.

6 劉俊勇，張云，崔樹彬.東江三角洲水環(huán)境綜合模型及其應用研究[J].人民珠江，2008，(6)：4-8.

7 丹麥DHI 公司.MIKE11 用戶手冊[M].丹麥DHI 公司，2008

8.丹麥DHI 公司.MIKEView 用戶手冊及輔導[M].丹麥DHI 公司，2008.