MIKE 11 模型在东莞市防洪分析中的应用

黄 程

（广东省水利电力勘测设计研究院 广东广州 510635）

1 前言

近年来，特别是“2006年7月”、“2008年6月”等几场大暴雨给东莞市东引运河、寒溪河流域造成了严重的洪涝灾害，危及人民的生命财产安全，暴露出流域内目前的防洪排涝系统已不适应经济社会发展的需要。

由于流域内东引运河、寒溪水与其支流之间，流域与东江流域之间水流互相交换，东引运河与石马河、潼湖等水体贯通，流域下游洪水与潮水相互作用，水动力条件复杂，同时流域内水利工程众多，对洪水过程影响较大。使用传统方法难以模拟流域水系间以及水利工程调度等众多因素的相关影响，给流域防洪关键点的分析以及防洪方案的制定都带来很大的难度。因此，需借助一维水动力学数学模型，进行流域防洪能力分析，工程方案比较等工作。

2 流域概况

东引运河建成于1970年，上游引水口位于桥头镇建塘口，破东江堤筑闸，无坝引水入企石小海河，于横沥半仙山入寒溪水，过峡口水闸后，向西南转，进入东莞市区，再向下经虎门镇区至磨碟口河至长安排涝站，全长102.6km。沿河建有水闸19 座，其中5 座节制闸，14 座排水闸。

3 模型构建关键技术

3.1 模型研究范围

模型研究范围包括东引运河、寒溪水流域以及与其相连的东江三角洲、茅洲河等水系，模型内共设有29 座水闸（含规划及流域外），8 座泵站，以及3 个蓄滞洪区。

3.2 模型构建关键技术

MIKE 11 软件是由世界上著名丹麦水资源及水环境研究所（DHI）研制，用于在河口、河流、灌溉系统、渠道等地表水体模拟水体流动、水质变化、泥沙运移等一维水利专业工程软件。根据使用经验，笔者认为MIKE 11 软件较其他一维水动力学数学模型的优势之一，在于将水工建筑物高度集成化和可视化，为本次防洪分析中众多水工建筑物的模拟及优化调度提供了技术平台。

3.2.1 水工建筑物设置

根据流域内各主要水工建筑物的特性及调度方式，主要利用MIKE 11 中的“Control Str.”建筑物来实现。“Control Str.”建筑物可能是MIKE 11 中功能最强大和全面的建筑物，除可以提供拦河闸（坝）、穿堤建筑物和蓄滞洪区等建筑物外，还可以模拟泵站、桥梁等其它建筑物（其它地方单独设，如泵站）。

“Control Str.”建筑物主要设置要素包括建筑物类型、基本参数、水头损失、控制方案及其控制方式。

东引运河、寒溪水流域地处平原地区，29座水闸均为平原水闸，在“Control Str.”建筑物以“Underflow”类型进行设置。8 座泵站均为排水泵站，一般与水闸结合在一起，MIKE 11 中可与水闸设在同一断面，一般以“Discharge”类型或“Pump”建筑物（调度较简单时）进行设置。

3 个蓄滞洪区通过在建筑物类型中设置为侧向建筑物，并添加蓄滞洪区的水位—容积参数，这样河网中水体可依据调度方案进行调蓄。

3.2.2 调度规则设置

流域内建有众多的控制性建筑物，调度规则的合理设置是实现流域防洪优化调度，平衡上下游防洪安全的关键。

MIKE 11 中的调度方案的优先级是If/else if/end 的关系，根据用户设定的优先级别（1为最高级，顺序最后一个方案为无条件执行方案）依次往下执行其调度控制方式。计算模式可以是表格（Tabulated，默认）、PID 算法（PID operation）、动量方程（Momentum equation）、迭代（Iterative solution）、全开（Fully Open）、关闭（Close）、固定值（Unchanged）、变值（Change with）、定值（Set equal to）等，其中以表格最为常用，通常为与时间有关的序列文件，如各时刻的控制过闸流量、水闸开度等。

控制方式由判断条件、控制条件及控制方式三部分组成，对于控制点和目标点Mike 11为可控结构物提供了丰富的参数，如计算水位、流量、水深、水位差、流量差、和、平均值、累积值、面积、时间，闸门高程、闸前后水位差、流量差等都可以进行控制。

这里以峡口水闸调度为例进行简单说明。为保障东江供水安全，东引运河、寒溪水流域的洪水尽量限制外排，峡口水闸只有上游水位高于4.5m 才开闸泄洪，即“Full Open”条件为“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

东引运河、寒溪水流域的防洪问题主要集中在峡口以上流域，这里仅介绍模型在峡口以上流域的防洪分析成果。

4.1 峡口以上现状防洪能力分析

为分析现状条件下各水闸以及河道流动情况和排洪能力，沿程节制闸按保持常开，其余水闸按照能排即排的原则进行调度。在内洪为主设计工况下东引运河沿程各主要排洪水闸的最大过流量及最大上、下游水位差见表1。

从表1 可看出，企石水闸的最大过流和最大上下游水位差分别为198m3/s和1.27m；峡口水闸的最大过流和最大上下游水位差分别为1560m3/s和1.09m。作为东引运河、寒溪水流域峡口以上最主要的排洪出口，两个水闸的过流能力明显不足。

表1 主要排洪水闸最大过流及上下游水位差

流域发生设计工况（同频率内、外洪为主工况外包）时，最大行洪调度现状沿程水面线建塘至企石水闸河段的两岸高程略高于50年一遇水面线（内、外洪为主工况的最高水位外包，下同），平均高约1.0m。企石水闸至黄沙河汇入口河段的两岸高程基本上低于50年一遇水面线1.0m 左右；黄沙河汇入口至峡口河段的两岸高程基本上低于100年一遇水面线1.5m 左右。

以往认为，影响东引运河、寒溪水流域峡口以上水位的主要因素是河道阻水及东江顶托。根据上述结果，除局部河段阻水严重（水面坡降大）外，东引运河、寒溪水流域峡口以上河段流域洪水期，企石水闸、峡口水闸和东莞市城区分流，三个出口均过流不足。其中城区段为人工开挖河段，过流能力有限；企石水闸位于流域上游，外江水位亦较高；重建不到10年的峡口水闸也是阻水的关键因素，需要扩建。

4.2 水闸调度分析

为更有效的控制洪水分配，提出合理可行的水闸调度方案，需对水闸的调度进行分析。设计3 种对比方案：

（1）最大行洪方案。该方案各水闸能开即开，各节制闸保持常开。

（2）分区排洪方案。该方案各节制闸均关闭，各个区域独立排洪。

（3）企石水闸关闸方案。该方案企石水闸关闭。主要研究为避免企石水闸开闸污染东江饮用水源，而关闭企石水闸对流域防洪的影响程度。

各方案在发生全流域内洪为主各频率设计洪水时，沿程最高水位见图1。从图1 可以看出，对比最大行洪方案和分区排洪方案，在遭遇全流域内洪为主50年一遇、20年一遇和10年一遇洪水时，若关闭企石节制闸将使企石以上最高水位分别升高约0.20、0.15和0.10m；在遭遇全流域内洪为主5年一遇洪水时，最大行洪方案与分区行洪方案沿程最高水位相当。对比最大行洪方案和企石水闸关闸方案，在遭遇全流域内洪为主20年一遇、10年一遇和5年一遇洪水时，若关闭企石水闸将使仁河水以上最高水位分别平均升高约0.15、0.20和0.35m；在遭遇全流域内洪为主50年一遇洪水时，最大行洪方案与分区行洪方案沿程最高水位相当。

根据上述水闸调度分析，主要控制性水闸的调度推荐方案如下：（1）为保护东江引用水源，考虑全流域发生20年一遇以上洪水时才开启企石水闸；（2）为配合企石水闸启闭，考虑全流域发生20年一遇以上洪水时关闭企石节制闸；（3）为保护东江引用水源，考虑全流域发生2年一遇以上洪水时才开启峡口水闸。

4.3 峡口以上工程方案及其效果分析

根据上述现状分析结果，经实地调研和上下游多方案、多调度计算，设计以下工程方案：（1）干流全线河道整治；（2）峡口水闸扩建，新建峡口泵站；（3）扩建企石水闸；（4）新建江子埔和生态园两个湿地，起到消峰、调蓄洪水的作用。以上各工程方案在流域遭遇内洪为主50年一遇设计洪水，外洪100年一遇设计洪水时的沿程最高水位见图2。从图2 可以看出，峡口以上流域在实施了上述工程方案以后，可在流域遭遇内洪为主50年一遇洪水时，比现状情况下降低峡口以上水位0.93～1.74m，说明规划方案效果明显。

5 结束语

借助MIKE 11 软件建立的一维水动力数学模型，对东引运河、寒溪水流域的现状行洪能力进行分析，准确找出了影响流域行洪的关键位置，使得流域防洪治理工程可以有的放矢。同时进行了流域内水闸的优化调度方案设计和防洪工程方案的效果分析，为流域的调度方案的制定和防洪工程的设计提供了参考。

1 GB50201—94 防洪标准[S].北京：中国计划出版社.

2 SL104—95 水利工程水利计算规范[S].北京：中国水利水 电出版社.

3 SL278—2002 水利水电工程水文计算规范[S].北京：中国 水利水电出版社.

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5 翟丽嫦，杜冬阳，王国丰.广州市花地河建闸前后排涝能力分析计算[J].广东水利水电，2010，(11)：46-50.

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7 丹麦DHI 公司.MIKE11 用户手册[M].丹麦DHI 公司，2008

8.丹麦DHI 公司.MIKEView 用户手册及辅导[M].丹麦DHI 公司，2008.