基于MIKE21的變電站洪澇災(zāi)害評估研究

劉 強，孫才華

(國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450052)

電力行業(yè)是對氣象高敏感和高需求性的行業(yè)。近年來，隨著氣候變暖加劇，全球水循環(huán)加速，頻繁發(fā)生的極端天氣氣候事件引發(fā)的氣象災(zāi)害不斷加劇[1-2]，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的正常穩(wěn)定運行。

河南電網(wǎng)居于華中、華北、西北聯(lián)網(wǎng)樞紐地位，在“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”格局中處于重要位置，河南省共有覆蓋全部地市的500 kV變電站47座，特高壓換流站4座，變電站的安全運行對電網(wǎng)至關(guān)重要。然而，隨著城市的發(fā)展，早期位于城區(qū)遠郊的變電站逐漸已被城市包圍，隨著房屋、道路的修建，變電站周邊下墊面條件發(fā)生巨變，其水文、排水、徑流等條件與建站初期已經(jīng)發(fā)生較大變化，在發(fā)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時，變電站存在發(fā)生站外洪澇影響及站內(nèi)積水的風(fēng)險，抵御洪澇水的能力具有較大不確定因素，存在安全隱患。

在上述背景下，以助力精準(zhǔn)防汛為出發(fā)點，以國家電網(wǎng)朝歌500 kV變電站為例進行洪澇災(zāi)害評估研究工作，以期滿足現(xiàn)有防汛管理工作的要求，為運維管理人員的組織、安排、決策提供了支撐。

1 變電站及區(qū)域自然地理概況

1.1 變電站概況

朝歌變電站位于鶴壁市東南部?？h境內(nèi)，西北距鶴壁淇濱區(qū)約9.0 km，東距浚縣城區(qū)約14.0 km，西距鉅橋鎮(zhèn)約7.0 km，北距S305省道約250 m；站址西南距離淇河約9.0 km，東南距共渠西滯洪區(qū)、共產(chǎn)主義渠分別為2.1、4.9 km。站址區(qū)域位于低山丘陵區(qū)的崗坡地上，地形平坦開闊，地勢由西北向東南傾斜，自然地面高程+86～+92 m，區(qū)域自然條件下排水通暢，自然排水方向為西北至東南。變電站及門口管涵位置如圖1所示。

圖1 變電站及門口管涵位置Fig.1 Schematic diagram of substation location

1.2 區(qū)域自然地理及水文氣象概況

鶴壁市地處豫北地區(qū)，為海河流域，東、西、北三面與安陽市相連，南面與新鄉(xiāng)市接壤，屬太行山與平原過渡的淺山丘陵地區(qū)。地勢西高東低、北高南低，市區(qū)以東海拔+100～+200 m；以西為低山丘陵，海拔+800 m以下；以北為丘陵地區(qū)，海拔+200 m以上；南部以平原為主。站址區(qū)域位于鶴壁市淇濱區(qū)與淇縣、浚縣之間。流經(jīng)該區(qū)域內(nèi)主要河流有淇河、思德河，皆為衛(wèi)河(共產(chǎn)主義渠)支流，其中對站址防汛工作影響較大的是淇河、共產(chǎn)主義渠及共產(chǎn)主義渠西滯洪區(qū),位置關(guān)系如圖2所示。鶴壁市屬暖溫帶半濕潤型季風(fēng)氣候，由于受地形和季風(fēng)影響，氣候地區(qū)性差異較大。該區(qū)的氣候特點是：四季分明、雨熱同季，冬季干冷雨雪少，春季干旱風(fēng)沙多，夏季炎熱雨充沛，秋季氣爽季節(jié)短。多年平均氣溫14.2 ℃，極端最低氣溫-17.5 ℃，極端最高氣溫42.2 ℃，多年平均降水量636.5 mm，歷年最小降水量300.6 mm，最大降水量1 366.5 mm，多年平均無霜期220 d，多年蒸發(fā)量1 929 mm。因受季風(fēng)氣候和地形的影響，區(qū)域降水時空分布不均，主要集中在汛期，6—9月降水量占全年降水量的74%；區(qū)域分布上西部山區(qū)大于東部平原區(qū)。

圖2 朝歌變與淇河、共產(chǎn)主義渠、共渠西滯洪區(qū)位置關(guān)系Fig.2 Location schematic between Zhaoge substation and Qi River，and Gongquxi basin

2 站外防澇評估

2.1 地表水二維數(shù)值模型

MIKE系列模型由丹麥水利研究所開發(fā)，用于洪水演進、城市內(nèi)澇[3-4]、水質(zhì)模擬[5-6]等方面。MIKE21是迄今擁有最多功能的二維水域物理、化學(xué)或生物學(xué)過程的模擬工具[7-11]。MIKE21是一個專業(yè)的工程軟件包，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境問題[12]。MIKE21水動力學(xué)模塊計算原理依據(jù)的是描述水流運動的二維非恒定流方程組，共包括3個方程[13]：水流連續(xù)性方程、水流沿x方向的動量方程及水流沿y方向的動量方程，形式如下[14-15]：

根據(jù)以上方程組，利用迭代法求解即可得到每一時刻在(x，y)處的水位z、水深h以及x、y方向的流速u、v。

2.2 模型概化

為了能夠準(zhǔn)確模擬變電站周邊的洪水過程，從整個流域的角度分析區(qū)域內(nèi)的補給、徑流、排泄條件。經(jīng)過初步分析，模型的北邊界定在S26范輝高速，西邊界為G4京港澳高速和淇河，南邊界為S305省道，東邊界為共產(chǎn)主義渠。模型面積近200 km2，模型范圍如圖3所示。

圖3 初步模型范圍Fig.3 Preliminary model range diagram

將S26范輝高速、G4京港澳高速概化為閉邊界；由于模型范圍內(nèi)淇河達不到100年一遇，故發(fā)生100年一遇洪水時，淇河按漫溢考慮，模型中將淇河概化為固定水頭邊界，水頭值為高出堤頂0.5 m，分段賦值；南邊界及東邊界地勢較低，為模型排水出口，概化為固定水頭邊界，水頭值為地面高程+0.3 m。朝歌變區(qū)域高程遠高于淇河堤頂、南邊界以及東邊界高程(>15 m)，因水位邊界影響范圍有限，不足以影響主要研究區(qū)域內(nèi)的模擬成果，故不再對下邊界條件進行率定。

根據(jù)原模型的運行結(jié)果與流場的分布情況，對模型的邊界進行縮小和優(yōu)化。模型西邊界根據(jù)實際地形及模擬結(jié)果取分水嶺位置；北邊界和南邊界沿流場的走向取邊界；東邊界取在共渠西滯洪區(qū)邊界位置處。將南、北以及西邊界概化為閉邊界，東邊界概化為固定水頭邊界。模型剖分控制網(wǎng)格邊長35 m以內(nèi)，面積1 000 m2以內(nèi)；對變電站周邊300 m范圍重點區(qū)域二次加密，網(wǎng)格邊長20 m，面積200 m2以內(nèi)；對進站道路西側(cè)約10 m至東側(cè)河溝范圍二次加密，網(wǎng)格邊長0.5 m以內(nèi)，面積0.2 m2以內(nèi)。變電站周圍采用航飛地形圖高程點、其余采用河南省1∶5 000高程數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格高程插值，對插值結(jié)果進行檢查并修正奇異點高程，得到模型范圍地形云圖。模型范圍內(nèi)可能阻礙洪水演進的線性地物為S305省道，根據(jù)實際高程將其刻畫到模型中，道路上分布的涵洞也根據(jù)實際位置尺寸布置。村莊糙率10%，其他區(qū)域糙率6%,模型概化示意如圖4所示。

圖4 模型概化示意Fig.4 Schematic diagram of model generalization

2.3 計算方案及結(jié)果

模型設(shè)置4個計算方案，計算變電站周邊重要位置處的水位、水深、流速等，方案設(shè)置見表1，凈雨計算成果見表2。

表1 方案設(shè)置Tab.1 Scheme settings

模型共設(shè)置9處重要位置水文要素觀測點，分別為朝歌變電站8個拐角的坐標(biāo)以及變電站進站門口。水位觀測點及增加擋墻如圖5所示。

經(jīng)模擬計算，各方案最高水位及最大水深成果見表3，表3中水位、水深、流速均為最大值。

表2 計算區(qū)域凈雨過程Tab.2 Net rain process of computational domain

圖5 水位觀測點及增加擋墻示意Fig.5 Schematic diagram of water level observation points and added retaining wall

表3 各方案模擬成果Tab.3 Simulation results of each scheme

(1)方案1。變電站門口的排水涵洞過流能力不足，變電站門口淹沒水深達0.81 m。發(fā)生100年一遇洪水時，大門口西北側(cè)最大來水流量為1.54 m3/s，排水涵管的最大排水流量為0.52 m3/s，排水能力不足。

為解決上述問題，擬采用2種方法進行處理：①增大涵洞直徑；②于進站道路西側(cè)高地上修建擋水墻，改變進站道路西北向來流的徑流方向，使雨水沿西圍墻向南排泄。

(2)方案2。在進站道路西側(cè)高地上修建擋墻，現(xiàn)狀條件下，暴雨期間，變電站西圍墻和西北圍墻最大淹沒水深不超過0.15 m，考慮到修建圍墻之后水位的上漲以及水流的波動，設(shè)置擋墻高度為0.3 m，擋墻的范圍是從進站門口西側(cè)轉(zhuǎn)角一直延伸到省道S305，擋墻長度約235 m。①加入擋墻后，西北側(cè)來流沿擋墻及變電站西圍墻、西北圍墻向南流動，最后排入變電站東南側(cè)洼地。②增加擋墻后，變電站西圍墻北側(cè)水位增高0.08 m，西圍墻南側(cè)水位增高0.01 m；水位稍微增加，但增加的幅度很小。③增加擋墻之前，變電站西北角、西南角外流速分別為0.13、0.38 m/s；增加擋墻之后，變電站西北角、西南角外流速分別變?yōu)?.33、0.49 m/s。流速稍有增加，但整體流速依然很小，無需考慮對變電站圍墻的沖刷影響。

(3)方案3。當(dāng)涵洞直徑增大到1.0 m時，涵洞過流能力增加，但仍不能滿足過流能力要求，變電站門口的最大淹沒水深降低為0.58 m，變電站門口積水不再沒過進站道路東側(cè)地面匯入河溝。

(4)方案4。當(dāng)將涵洞的直徑增加到1.6 m，管涵過流能力滿足要求，變電站門口不再受洪水淹沒影響。

暴雨過程流場如圖6所示。

圖6 暴雨過程流場Fig.6 Flow field diagram of rainstorm process

由于增加涵洞直徑投資成本高，工程量大，協(xié)調(diào)難度大，而擋墻方案具有投資小，施工簡單，效果明顯等優(yōu)點，故建議采用擋墻方案以解決暴雨期間變電站門口排水能力不足的問題。

若由于外部因素修筑擋墻難以實現(xiàn)，則建議對朝歌變門口現(xiàn)有檢查井改造成截流井，保證洪澇雨季管涵不滿足洪水流量時，洪水通過截流井溢流。截流井后設(shè)置排雨水泵池，收集截流井溢流洪水，經(jīng)水泵提升排入河道，水泵總設(shè)計流量為1.5 m3/s。

3 站內(nèi)洪澇監(jiān)測預(yù)警

3.1 內(nèi)澇算法模型定制

朝歌站內(nèi)澇算法模型主要是針對朝歌站的站內(nèi)排水能力、地形條件等情況進行定制的計算實時站內(nèi)積水深度的算法，算法輸入為15 min頻率的降雨量數(shù)據(jù)，通過算法計算之后，輸出當(dāng)前的站內(nèi)累計積水深度、排水時間等數(shù)值。內(nèi)澇算法流程如圖7所示。

圖7 算法流程Fig.7 Algorithm flow

3.2 監(jiān)測預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)制定

監(jiān)測預(yù)警主要是針對內(nèi)澇算法模型輸出的當(dāng)前站內(nèi)積水深度和降雨強度等結(jié)果進行監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測得到的當(dāng)前站內(nèi)積水深度或降雨強度超過一定的閾值范圍，系統(tǒng)就會發(fā)出預(yù)警提示信息，預(yù)警閾值范圍的制定主要就是針對上述2個監(jiān)測量。

(1)站內(nèi)累計積水深度。站內(nèi)累計積水深度預(yù)警分級見表4。

表4 站內(nèi)累計積水深度預(yù)警分級Tab.4 Warning and classification of accumulated water depth in the station

(2)當(dāng)前降雨強度。降雨強度預(yù)警分級見表5。

表5 降雨強度預(yù)警分級Tab.5 Warning and classification of rainfall

4 結(jié)論

針對近年來極端天氣和精準(zhǔn)防汛的需求，以朝歌站為對象，基于MIKE21水動力模型進行了變電站站外暴雨時整個流域內(nèi)洪澇水的發(fā)生、演進過程，得到變電站周邊區(qū)域內(nèi)的水文要素的時空變化過程，從而準(zhǔn)確獲取變電站周邊位置的主要水文數(shù)據(jù)信息。對不同計算方案進行了對比分析，并給出了站外防洪的具體方案。同時對站內(nèi)內(nèi)澇及站內(nèi)積水進行監(jiān)測預(yù)警研究，其結(jié)果可為運維管理人員的組織、安排、決策提供強有力的支撐，對其他變電站的防汛工作也具有一定的借鑒意義。