基于MIKE11模型在智能化調(diào)度的感潮區(qū)模擬計算

劉志成，雷保曈

（1.廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510640；2.河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司四川分公司，四川 成都 610000）

近年來，因全球氣候變暖、冰川融化、內(nèi)陸河涌注入海洋增多等原因，導(dǎo)致海平面上升顯著[1]。我國廣東省地區(qū)常年受風(fēng)暴潮影響，造成人民生命財產(chǎn)安全受到威脅[2]。感潮區(qū)的河涌排澇與本身河涌涌容、外江高潮位、下墊面因素、地形特征、暴雨歷時與暴雨強度、水閘泵站調(diào)度方式等原因密切相關(guān)。而與傳統(tǒng)水文計算方法相比，MIKE11模型可以精準定位不同控制斷面從而得出不同控制斷面的水位流量過程線[3]，得出受澇危險區(qū)域。以廣州南站周邊水系為例，采用廣東省綜合單位線法、廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式、推理公式法三種方法相互結(jié)合計算不同排澇分區(qū)的設(shè)計洪水，并將實測外江潮位資料作為不同河口的外邊界條件導(dǎo)入MIKE11模型，結(jié)合外江水閘泵站的調(diào)度方式，模擬南站周邊水系不同河涌的水面線。

1 概況

廣州南站周邊水系密集，均屬于中小型河涌，不同河涌之間相互交錯，受潮汐作用明顯。廣州南站地處珠江三角洲沖積平原，地勢低平，由北部向東南部傾斜，東北部多為淺丘臺地，擁有大量農(nóng)田果樹；中南部是大片的沖積平原。南站區(qū)域內(nèi)有省屬氣象站市橋站，市橋站多年平均降雨量為1650 mm，實測最大24 h雨量為390 mm。南站周邊水系河涌自北向南分為3個排澇分區(qū)，共計河涌36條。排澇分區(qū)名為屏山河排澇區(qū)、石北圍排澇區(qū)和古東村排澇區(qū)。本次模型的設(shè)計工況為內(nèi)河涌排澇分區(qū)內(nèi)發(fā)生20 a一遇的大暴雨時，外江遭遇多年平均最高潮位。

2 MIKE11模型與降雨徑流模型耦合

2.1 降雨徑流模型

本次模擬計算的設(shè)計暴雨均值Ht和變差系數(shù)CV，均通過《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》（2003版）查算得出[4]。廣東省綜合單位線法、廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式、推理公式法三種方法相互結(jié)合計算出南站周邊不同排澇區(qū)的20 a一遇（P=5%）的設(shè)計洪水。根據(jù)經(jīng)驗得知，廣東省綜合單位線法適合大于100 km2以上流域匯水計算，廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式適合小于10 km2流域，而推理公式法適用于大于50 km2以上的匯水計算。從偏安全角度出發(fā)，本次設(shè)計洪水選擇數(shù)值較大者代入模型。

2.2 MIKE11模型

2.2.1 基本原理

MIKE11軟件是由丹麥DHI公司開發(fā)的用于河網(wǎng)計算、模擬河道水流一維運動的軟件，具有精確模擬、可靠性強等特點[5]。本文將MIKE11的HD模塊與廣東省綜合單位線法、廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式、推理公式法的設(shè)計洪水結(jié)果進行耦合計算，作為模型搭建的主干結(jié)構(gòu)。MIKE11的模型利用Saint－Venant（見式1）的有限差分法進行離散，計算不同點的流量和水位來模擬水流的流動[6]。

式中：h為水位，m；A為過水面積，m2；q為支流流入或流出，m3/s；R為為水力半徑，m；Q為過水流量，m3/s；C為Ch zy系數(shù)；α為動能校正系數(shù)。

2.2.2 模型參數(shù)設(shè)定

（1）Network和Cross-section參數(shù)文件

綜合考慮1∶500地形圖、現(xiàn)狀排水管網(wǎng)、現(xiàn)狀土地利用規(guī)劃畫出南站周邊水系排澇分區(qū)，將整治后的河道斷面文件與水系布局線位導(dǎo)入MIKE11 Sim11文件里。

（2）Boundary

Open邊界：南站周邊水系里不同河道出口處外江潮位采用附近潮位站大石站的多年平均最高潮位作為河涌的開邊界條件。

Point邊界：采用通過廣東省綜合單位線法、廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式、推理公式法計算出不同排澇分區(qū)的設(shè)計洪水。

Distribute邊界：將設(shè)計洪水分割成不同河段并且均勻加入到河網(wǎng)文件里[7]。

Closed邊界：該處水流流速為0，形成閉合[8]。

由南站周邊河涌設(shè)計洪峰模數(shù)與面積曲線比可知，設(shè)計洪水模數(shù)隨著排澇片面積的增大逐漸減緩，符合暴雨與下墊面的一般規(guī)律。

（3）HD文件

通過研究調(diào)查南站周邊水系不同的河道斷面資料，河道土壤特征、植被覆蓋綠化狀況來率定模型糙率。為了更好的迎接暴雨的來臨，模型起調(diào)水位選擇景觀常態(tài)水位以下50 cm以方便騰空涌容。

（4）Simulation Period

南站周邊水系水動力學(xué)模型的模擬時間需將設(shè)計洪水與潮位邊界相對應(yīng)。模擬時間為5天，模型輸出結(jié)果時間設(shè)定為每分鐘輸出一次結(jié)果。

（5）Structures

南站周邊水系建筑物包括水閘、泵站、橋梁、堰以及箱涵。

（6）智能化調(diào)度

模型計算時，將整個排澇區(qū)當(dāng)成一個整體系統(tǒng)。當(dāng)外江水位處于低潮位時且內(nèi)涌水位已大于景觀水位，則打開水閘，利用潮汐動力將內(nèi)涌河水重力自排；當(dāng)外江潮水位高于內(nèi)涌水位且內(nèi)涌水位低于景觀水位時，排澇區(qū)的所有水閘全部處于關(guān)閉狀態(tài)抵抗外江洪水，形成統(tǒng)一的閉合系統(tǒng)；當(dāng)外江潮水位高于內(nèi)涌水位時且內(nèi)涌高于景觀水位時，逐級打開排澇片區(qū)泵站，通過泵站抽排澇水，直至恢復(fù)到常態(tài)景觀水位為止。

3 模型計算結(jié)果

將廣東省綜合單位線法、廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式、推理公式法計算的設(shè)計洪水與MIKE11模型耦合，可得出南站周邊水系的P=5%的設(shè)計水面線。通過設(shè)計水面線的展示結(jié)果，可得出南站周邊水系不同排澇片區(qū)的排澇極限水位。北部大石排澇區(qū)極限水位為7.5 m，中部屏山河排澇區(qū)為8 m，南部古東村排澇區(qū)為7.5 m。

通過對比周邊測站大石站與市橋站的水文氣象數(shù)據(jù)，和調(diào)查廣州南站不同排澇分區(qū)的洪痕和水浸內(nèi)澇點來驗證模型的合理性。結(jié)果表面，模型結(jié)果與現(xiàn)狀實際情況相符，計算結(jié)果可以為南站周邊區(qū)域城市豎向標高制定和城市排水規(guī)劃提供參考。

4 結(jié)論與建議

文章采用了MIKE11水動力學(xué)模型與廣東省綜合單位線法、廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式、推理公式法的設(shè)計洪水相互耦合，計算了廣州南站周邊水系的整治后的排澇極限水位，得出以下結(jié)論：

（1）感潮區(qū)河網(wǎng)計算需考慮內(nèi)洪與外江潮位相互結(jié)合的最不利工況。在接到天氣預(yù)報消息后，提前通過水閘與泵站自排將排澇片區(qū)的水位預(yù)排50 cm，以騰空涌容，更好的迎接風(fēng)暴潮所帶來的影響。

（2）廣州南站河網(wǎng)區(qū)的河涌，地勢平坦，相互連通性強。當(dāng)發(fā)生洪澇災(zāi)害時，需整體考慮排澇片區(qū)的洪水，將整個水系當(dāng)成一個完整的系統(tǒng)。在防洪工況下，關(guān)閉排澇區(qū)域內(nèi)所有水閘，防止外江水的涌入給排澇分區(qū)帶來危害。在排澇工況下，通過水閘與泵站相結(jié)合，靈活調(diào)度，控制澇區(qū)洪水。

（3）南站周邊地勢較低，常常由于外江高潮位的影響，內(nèi)河涌頂托不能自行外排，建議在排澇區(qū)河涌出口處新建泵站，緩解排澇壓力。

（4）針對排澇區(qū)不同的內(nèi)澇點，有條件的可建設(shè)二級泵站，將澇水排入河涌，緩解內(nèi)澇災(zāi)害。