MIKE模型在佛山樂(lè)平鎮(zhèn)水系連通工程河道防洪中的運(yùn)用

劉 東

（廣東省佛山市三水區(qū)樂(lè)平鎮(zhèn)水利所，廣東 佛山 528137）

城市水環(huán)境綜合治理工程以提升區(qū)域整體水環(huán)境為核心，通過(guò)控源截污、河網(wǎng)水系連通等工程實(shí)施，逐步改善區(qū)域內(nèi)水系水質(zhì)現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)人與自然生態(tài)環(huán)境的融合［1］。隨著海綿城市設(shè)計(jì)理念的不斷深入，河網(wǎng)水系連通調(diào)蓄功能逐漸被重視起來(lái)，不僅能實(shí)現(xiàn)水量調(diào)蓄和海綿設(shè)計(jì)，還能發(fā)揮河道自我修復(fù)功能，促進(jìn)城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)［2］。為實(shí)現(xiàn)水系的調(diào)蓄功能，不同運(yùn)行工況下洪水水位的計(jì)算則顯得尤為重要。目前在水文設(shè)計(jì)中防洪水位常用的計(jì)算方法為恒定流法、“平湖法”、模型模擬法等，其中模型計(jì)算中MIKE模型越來(lái)越廣泛地運(yùn)用其中［3］。MIKE模型不僅豐富洪水位運(yùn)行調(diào)度設(shè)計(jì)，而且在計(jì)算速度、時(shí)間等方面優(yōu)于其他計(jì)算方法，極大地提高了工作效率［4］。因此，在水系連通項(xiàng)目防洪調(diào)度設(shè)計(jì)中，應(yīng)提倡MIKE模型的運(yùn)用，在眾多運(yùn)行工況下選擇最佳工況，提高設(shè)計(jì)效率。

本文以佛山市樂(lè)平鎮(zhèn)水系連通和凈化工程為例，通過(guò)MIKE模型對(duì)樂(lè)平鎮(zhèn)水系樂(lè)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(gè)河網(wǎng)水系模擬計(jì)算，分析河網(wǎng)主要斷面在最高水位下，在不同工況下河網(wǎng)水系能夠滿(mǎn)足30年一遇24h設(shè)計(jì)暴雨1d排完的排澇標(biāo)準(zhǔn)，可為類(lèi)似水利工程項(xiàng)目防洪調(diào)度計(jì)算提供一定借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 項(xiàng)目情況

1.1 工程概況

佛山市樂(lè)平鎮(zhèn)水系連通工程范圍為三水區(qū)樂(lè)平鎮(zhèn)塘西大道和樂(lè)南路路口東北角，西接塘西大道，南側(cè)樂(lè)南大道，東臨三丫涌，北靠規(guī)劃路，南北長(zhǎng)1209m，東西長(zhǎng)1775m，呈不規(guī)則形狀。項(xiàng)目周邊有三丫涌、西邊涌、左岸涌、樂(lè)平涌等4條河涌，本項(xiàng)目將連通三丫涌、西邊涌水系形成景觀水體并對(duì)景觀水體進(jìn)行凈化。三丫涌、西邊涌基本為明涌，現(xiàn)狀明涌岸線形式多樣。佛山市樂(lè)平鎮(zhèn)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(shè)計(jì)面積116.45萬(wàn)m2，其中水體面積54.07萬(wàn)m2，主要建筑物如下：一體化泵站設(shè)計(jì)流量6480m3/h，內(nèi)置兩臺(tái)軸流泵，單泵流量3240m3/h；在調(diào)蓄湖湖體外圍設(shè)有18～65m的生態(tài)護(hù)坡，其中河道放坡寬度約6～8m，外圍設(shè)置有1條4m的防洪堤路及1條6m的生態(tài)護(hù)坡。本工作治澇目標(biāo)與上位行接，按30年一遇24h設(shè)計(jì)暴雨1d排除不致災(zāi)。本工程為內(nèi)涌整治治澇工程，工程等別為Ⅴ等，工程主要建筑物為5級(jí)，次要建筑物為5級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。項(xiàng)目建設(shè)總投資21792.26萬(wàn)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(qū)樂(lè)平鎮(zhèn)地處北江水系，北江主流在三水蘆苞鎮(zhèn)、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(lè)平鎮(zhèn)境內(nèi)溝通樂(lè)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(diǎn)位于河南村附近接樂(lè)平涌，終點(diǎn)于竹山崗附近接左岸涌，三丫涌全長(zhǎng)約10.1km，現(xiàn)狀底寬5～15m，全程平均坡降約5.3/10000。樂(lè)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(jīng)白土涌、獨(dú)樹(shù)崗涌和樂(lè)平涌后匯入樂(lè)平涌，最后經(jīng)海州水閘流入西南涌。西邊涌是樂(lè)平涌的主干支涌之一，起于樂(lè)平涌清湖站附近，出三水農(nóng)場(chǎng)黃花竇后止于左岸涌，全長(zhǎng)約6.17km。

1.3 運(yùn)行調(diào)度

樂(lè)平鎮(zhèn)水系連通工程區(qū)域范圍外江承泄區(qū)為西南涌、蘆苞涌，內(nèi)河涌有樂(lè)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(nèi)水塘、湖泊相互溝通，共同組成了河網(wǎng)水系。汛期排澇情況下，河涌?jī)?nèi)水流受外江水位、內(nèi)部澇水量及邊界水利工程調(diào)度等方面的影響，使得水流流向往復(fù)不定，難以準(zhǔn)確劃分各排水河涌排水范圍，同時(shí)由于計(jì)算區(qū)域集雨面積較大，使得排水時(shí)水面比降因素不能忽略。根據(jù)工程建設(shè)要求，河涌低于河涌控制水位3.244m，所有智能井開(kāi)啟，旋轉(zhuǎn)堰門(mén)關(guān)閉。當(dāng)大同湖水位1.0，1.4，0.95m時(shí)，一體化泵井分別開(kāi)啟一臺(tái)泵、二臺(tái)泵和停泵。當(dāng)河涌水位高出控制水位3.244m時(shí)，關(guān)閉所有水泵、智能井。若大同湖水位低于1.4m時(shí)，開(kāi)啟所有旋轉(zhuǎn)堰門(mén)，河涌水進(jìn)入大同湖；當(dāng)大同湖水位達(dá)1.4m，由管理部門(mén)及政府應(yīng)急部門(mén)決定是否繼續(xù)開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)堰門(mén)，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(wǎng)非恒定流水力計(jì)算是一種先進(jìn)的基于對(duì)一維河網(wǎng)水流物理運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)方法描述，并利用數(shù)值計(jì)算方法求解微積分方程組，進(jìn)而通過(guò)方程組數(shù)值解動(dòng)態(tài)反映河網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的方法，計(jì)算結(jié)果包括各斷面實(shí)時(shí)水位、流量等。本項(xiàng)目計(jì)算采用河網(wǎng)一維非恒定流水力計(jì)算推求河道斷面水位、流量，計(jì)算在丹麥水力學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的MIKE11軟件平臺(tái)上進(jìn)行。

2.2 河網(wǎng)概化

河網(wǎng)概化包括河道概化、控制建筑物概化。河網(wǎng)概化遵循突出主干河道，保留需重點(diǎn)研究的非主干河道，并使概化后河網(wǎng)的河道容積與實(shí)際河道容積基本上保持一致，概化河道斷面過(guò)流能力、控制建筑物規(guī)模及調(diào)度情況與實(shí)際情況相一致的原則。本工程計(jì)算概化河道26條，概化控制建筑物8處。經(jīng)過(guò)概化，河網(wǎng)共有水位計(jì)算節(jié)點(diǎn)95個(gè)，流量計(jì)算節(jié)點(diǎn)56個(gè)。

2.3 邊界條件

工程MIKE模型邊界分為內(nèi)邊界和外邊界。其中內(nèi)邊界主要為進(jìn)入到工程范圍內(nèi)河網(wǎng)的降雨徑流，在暴雨來(lái)臨前內(nèi)河涌設(shè)計(jì)為常水位1.744m時(shí)開(kāi)始預(yù)排；設(shè)計(jì)河涌斷面初始流量和控制建筑物分別為0.0m3/s和關(guān)閉狀態(tài)。工程范圍外邊界條件僅考慮作為泵站排澇，工程構(gòu)筑物如水閘暫不作考慮。

2.4 模型工況

工程采用MIKE11進(jìn)行整體河網(wǎng)模擬計(jì)算，根據(jù)規(guī)劃區(qū)域地形圖及河涌布局，建立河網(wǎng)水力計(jì)算模型，將內(nèi)涌設(shè)計(jì)暴雨洪水過(guò)程線輸入模型進(jìn)行排澇演算，模擬在不同工況運(yùn)行下大同湖的運(yùn)行調(diào)度規(guī)程及樂(lè)平涌左岸涌片區(qū)的排澇體系情況，如表1。

表1 模型不同工況模擬防洪調(diào)度運(yùn)行

3 結(jié)果與分析

3.1 排澇影響分析

根據(jù)MIKE模型模擬結(jié)果，當(dāng)大同湖參與防洪排澇調(diào)度下（工況1、工況3～工況5），片區(qū)最高水位分別為2.953，2.957，3.037，3.106m，滿(mǎn)足規(guī)范控制水位要求；當(dāng)大同湖不參與防洪排澇調(diào)度（工況2），片區(qū)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(diào)度，相應(yīng)的最高水位隨著大同湖開(kāi)閘水位的增加而逐漸升高，此時(shí)均能低于控制水位，表明大同湖開(kāi)閘水位越低越有利于澇區(qū)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(yù)排有利于整體防洪排澇，但犧牲了大同湖部分水環(huán)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(wú)顯著性差異，表明大同湖外水位可設(shè)計(jì)為2.744m作為開(kāi)閘水位，在暴雨強(qiáng)度下能滿(mǎn)足控制水位要求，保障周邊區(qū)域的防洪排澇安全。

進(jìn)一步分析表明，在工況6和工況7下，現(xiàn)狀排澇條件并遭遇10年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，大同湖建成前后片區(qū)最高水位分別為4.915，4.018m，高于規(guī)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(jì)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(jì)算

3.2 防洪影響分析

根據(jù)MIKE模型對(duì)不同工況下模擬計(jì)算分析結(jié)果，在現(xiàn)狀排澇體系并遭遇10年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，大同湖建成前后片區(qū)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(gè)河網(wǎng)的水面面積，有利河網(wǎng)防洪排澇。在規(guī)劃排澇體系并遭遇30年一遇設(shè)計(jì)暴雨時(shí)，大同湖在一定水位條件下參與防洪排澇調(diào)度有利于整個(gè)河網(wǎng)水系，外水位≥2.744m時(shí)，開(kāi)閘引水入湖，片區(qū)最高水位3.106m，滿(mǎn)足規(guī)劃水位要求；完全不參與排澇調(diào)度時(shí)，片區(qū)最高水位3.25m，超過(guò)控制水位，有洪澇風(fēng)險(xiǎn)。

雖然西邊涌、三丫涌現(xiàn)狀河涌水質(zhì)不能滿(mǎn)足大同湖進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類(lèi)水的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)大同湖不參與防洪排澇調(diào)度時(shí)，周邊區(qū)域最高水位超過(guò)控制水位，另結(jié)合澇區(qū)現(xiàn)狀的排澇體系情況，建議大同湖參與防洪排澇調(diào)度。因此，在滿(mǎn)足日常運(yùn)行調(diào)度的前提下，周邊區(qū)域遭遇暴雨時(shí)，大同湖應(yīng)參與片區(qū)的防洪排澇調(diào)度，保障區(qū)域的防洪排澇安全，犧牲短時(shí)間內(nèi)水質(zhì)環(huán)境效益換取大范圍防洪排澇效益，特別是現(xiàn)狀排澇體系尚未完善而極端天氣頻發(fā)的情況下，大同湖參與防洪排澇調(diào)度重要性更加突出。

3.3 工程設(shè)計(jì)影響分析

樂(lè)平鎮(zhèn)水系連通工程主要水工建筑物包括大同湖、3座旋轉(zhuǎn)閘門(mén)和1座一體化泵站，3座旋轉(zhuǎn)閘門(mén)上下游設(shè)置5～10m護(hù)底段以防沖刷；硬質(zhì)駁岸擋墻墻身采用素混凝土，墻身高1.5m，墻頂標(biāo)高1.744，墻頂與設(shè)計(jì)地面連接為放坡，坡度約1∶3，每隔15m設(shè)沉降縫一道，縫寬20mm，底板下設(shè)置4m長(zhǎng)松木樁滿(mǎn)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(shè)施均超過(guò)10km。結(jié)合模擬工況，運(yùn)行調(diào)度下最高水位對(duì)周邊水利工程未造成不利影響。另一方面，兩側(cè)為三丫涌和西邊涌，附近無(wú)取水口、碼頭等，不涉及飲用水源地，對(duì)周邊水利工程無(wú)安全影響隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合佛山樂(lè)平鎮(zhèn)水系連通工程，通過(guò)MIKE模型對(duì)不同運(yùn)行工況下進(jìn)行模擬，從排水排澇、防洪影響和工程設(shè)計(jì)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(xiàn)狀排澇體系；在10年一遇1d排干的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)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(qū)的防洪排澇調(diào)度，能夠保障周邊區(qū)域的防洪排澇安全。

（2）在水環(huán)境整治工程中，水系連通能夠增加河網(wǎng)水系的調(diào)蓄能力，應(yīng)重視和發(fā)揮調(diào)蓄湖在防洪中的作用，本工程將MIKE模型運(yùn)用于不同工況下防洪水位的計(jì)算和分析，在最佳運(yùn)行調(diào)度工況下發(fā)揮防洪能力，為類(lèi)似工程項(xiàng)目提供借鑒。