基于MIKE-FLOOD模型的甘露电厂区域防洪情势分析

李 舜，辜俊波，邓金运

（1.中国电力顾问集团华东电力设计院有限公司，上海200000；2.武汉大学 海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室，武汉430072）

随着我国社会经济的快速发展， 城镇环境下的雨洪问题日益突出， 洪涝灾害发生的频率及其损失不断增加， 给城市运行管理和人民群众生产生活带来巨大影响。在此背景下，针对城镇暴雨洪涝形成机理、模拟预测、情势分析及风险评估的研究已成为了我国水利学科研究的热点问题之一［1-3］。

为了定量评估城镇暴雨洪水过程及其对防洪排涝情势的影响， 国内外众多学者基于MIKE、SWMM等模型平台开展了大量研究，如初祁等［4］应用MIKE11 和MIKE21 模型分析了北京市大兴区天堂河下游地区的洪涝灾害危险性；侯精明等［5］应用水文、 水动力耦合模型模拟分析了设计暴雨雨型对城市内涝的影响；栾慕等［6］采用SWMM-MIKE11耦合模型评估了桐庐县管网系统的排水能力；侯燕等［7］对开封市城市洪水风险进行了分析；L觟wer等［8］结合MIKE水动力模型与城市发展模型分析了不同城镇减灾措施的经济性与效益性；邓金运等［9］采用MIKE模型分析了排水体系建设对城市洪涝灾害的影响；黄琳煜等［10］采用MIKE-FLOOD暴雨洪涝模型，评估了上海市浦东新区现状雨水管网的排水能力。

拟建的甘露电厂位于广东省潮州市潮安区，属于山地环境下的城镇产业园区，其防洪排涝情势不仅具有一般城镇雨洪问题特征，而且还涉及周边山洪灾害［11］，区域内河涌泄洪、地表降雨漫流和管网排水相互交织， 水文环境复杂。 本文基于MIKEFLOOD模型平台，利用一、二维水动力学模型与地下管网模型耦合，对电厂区域防洪情势进行了量化分析。

1 研究区域

甘露电厂位于潮州市彩塘镇西部， 潮安区东山湖现代产业园南端， 是为了配合产业园及周边地区的产业发展， 满足周边地区热冷负荷需求及提高电源供应保障能力的拟建燃气热电联产工程（图1）。该区域为两侧山体中间的宽谷地带，G78汕昆高速公路从中间穿过，将产业园分为东西两区。厂址现状为整平地，西侧存在山体，东侧紧邻G78高速公路，东南侧地势较低，是天然雨水的汇集排泄通道。受南亚热带季风气候的影响， 该区域夏季时间较长且降雨较为充沛，容易诱发周边山区山洪暴雨灾害，威胁厂区安全。

图1 研究区域示意图

根据工程周边最新实测地形可知［11］，电厂及周边区域整体底势西北高，东南低，建设七路和建设八路合围区域高程在14～16m，建设九路和建设十路合围区域高程在7～12m。 该区域北侧有涵洞连通高速公路两侧， 根据实际情况及规划雨水管走向来看，建设七路以北区域洪涝经涵洞排向高速公路西侧区域，电厂区域的洪水主要来自本区域降雨以及西侧和西南侧山区的山洪。 山洪经由规划的D线河涌位置向东南方向排泄，该河涌规划标准为20年一遇洪水。无降雨条件下，目前D线河涌位置处于干涸状态。

随着产业园的建设发展， 厂址周围道路及建筑物慢慢增多，将进一步改变地表径流特性，未来洪涝问题将可能更加突出， 亟需对电厂区域防洪情势及应对措施进行研究。

2 研究方法

2.1 MIKE-FLOOD模型及其处理

本文雨洪模型基于MIKE FLOOD平台搭建，主要由3 个模型系统耦合而成： 地表二维模型（MIKE21）、河涌一维模型（MIKE11）及地下管网模型（Mike Urban）。 其中，地表二维模型和河涌一维模型通过侧向耦合进行连接， 河涌一维模型和地下管网模型通过雨水排口进行连接， 地下管网模型和地表二维模型通过雨水检查井连接。 各模型的计算原理及求解方法详见参考文献［4-10］。

根据园区整体的场平情况及管网和河涌的分布，地表二维模型模拟范围自园区建设七路以南（建设七路路与高速公路涵洞交叉道路以南）， 西侧至D线河涌右岸，东侧至G78高速公路路基，南侧至园区边缘低洼池塘区域，总面积约0.5km2。 模型网格采用10m×10m的矩形网格。 考虑到区域山洪及降雨最终将排向东南向的池塘和洼地， 计算时将南部边界设置为开边界，以下游端水塘堤高作为边界，壅水超过该高程后按堰流考虑，符合该区域的实际排水情况。参考 临近地区及类似区域经验［8、9、15］，根据区 域 土地利用类型设置地表糙率，D线河涌糙率参考其设计糙率取值［11］，糙率取值范围在0.03～0.038。

一维模型建模对象为D线河涌，上游段自建设八路附近，沿建设七路西侧向南，至建设九路转向东，并在下游侧流向园区边缘洼地。 河涌断面按规划断面设置，间距为500m［11］。河涌的上游设置进口流量过程， 根据周边山区汇流范围确定设计暴雨流量过程作为上边界条件；下边界条件和地表二维模型类似，采用堰流模式处理。

地下排水管网模型模拟包括降雨径流模块和管网水力模块。 其中降雨径流模块的输出结果是后者的边界条件。 前者产汇流计算采用TA模型［8-9］，后者根据现状管网规划图、管道基本信息（尺寸、流向等，见图1）、检查井信息建立管网拓扑结构关系，形成管网水力模型。

计算地形采用规划地形， 道路高程按规划高程控制（图1）。考虑洪水传播及地表径流汇集时间本次计算模拟时间为24h，计算步长为1.5s。

2.2 计算工况及设计雨洪计算

工程区域的洪涝灾害主要源自区域降雨和周边山区的山洪， 潮安东山湖现代产业园规划防洪标准为50年一遇。 本文计算工况按50年一遇设计洪水标准考虑。设计暴雨条件采用《广东省暴雨径流查算图表》［12-13］计算获得， 采用粤东沿海地区暴雨设计雨型。假定降雨和洪水同频率，设计山洪流量过程采用推理公式法［8-9］计算，区域设计雨洪条件如图2所示。作为比较，使用属广东沿海区域的珠海市暴雨公式［14］，同样采用粤东沿海雨型计算了50年一遇的降雨过程。比较结果可知，与本文计算的设计降雨过程基本一致，峰值略小。

图2 区域设计雨洪过程

3 结果分析

3.1 工程区域洪涝淹没情况

图3给出了50年一遇工况下工程区域最大淹没水深分布图。 由图可知，50年一遇工况下，工程周边道路出现了淹没情况，最大淹没水深东南侧较大，西北侧较小。其中，建设八路、建设九路、建设十路的最大淹没水深均小于0.3m，一般在0.1～0.25m左右；而建设九路东侧段以及工程厂区与G78高速公路之间的绿化带区域，由于地形本身高程略低，其最大淹没水深在0.1～0.9m之间，特别是厂区东南角绿化带处，淹没水深达到0.5～0.9m。 工程厂区以南的园区边缘区域，包括D线河涌下游段两侧，由于地势进一步降低，整个区域的雨洪汇集于此， 最大淹没水深可达2～3m。

图3 工程区域最大淹没水深分布

图4 典型计算监测点水位变化过程

为了进一步明确工程周边道路的水位变化情况， 图4给出了50年一遇工况下典型计算监测点水位变化过程，监测点分布如图1。 总体来看，由于整个区域西北高、东南低，对道路而言，雨洪属于过路性质，不会出现长时间的积水；厂区东南侧绿化带本身地势较低，一些低洼地点降雨结束后，会有积水存在。 各监测点水位变化过程与降雨过程相对应，前12个小时由于降雨强度较小，河涌上段没有漫溢，区域降雨通过管网可以快速排走，周边道路没有出现积水；在后12个小时，由于最大降雨强度的到来，特别是山洪流量增大，上段出现漫溢之后，道路地面的水深快速增加，在17～18h出现了最大水深，之后由于地表漫流和管网的持续排水，水位快速回落。

3.2 地下管网排水情况

地下管网是重要的排水通道， 根据耦合计算的管网模拟结果评估管网排水能力可知（图5），建设八路、建设九路西段、建设十路上段和高速公路北段的管道充满度均满足设计要求； 建设九路东段部分管道和建设十路南段的管道充满度超过最大设计充满度，但未出现溢流；由于场地东南侧地势较低，雨水汇集到东南方向的管道， 建设九路东段靠近绿化带的管段和厂址东南方向高速公路侧管段出现局部溢流。 总体来看，如果要完全应对50年一遇雨洪情况，特别是山洪漫溢后区域的排水情况， 目前的规划管网仍存在不足， 特别是工程厂区南侧和东南侧的管道尺度应进一步加大， 同时对管网布局进行进一步优化。

图5 计算区域管网泄流能力评估

3.3 河涌泄洪情况

河涌是电厂区域排泄山洪的主通道，但由于其设计标准不高，遭遇50年一遇设计山洪时，河道产生局部河段溢流现象。 根据计算情况及洪峰最大时刻沿程水位变化（图6），针对各断面最大洪峰，漫溢首先出现在河涌下游段，溢流点里程约950m，出现时间在山洪发生后的30～40min，该段漫溢的主要原因是两侧地势低洼及下游排洪通道存在较多低矮民堤，过水面积束窄造成。 该部分溢出水流对工程周边道路影响不大。 随着降雨强度达到最大（17h），河涌上游来流量急剧加大，河涌上段建设八路附近出现溢流点，山洪漫溢进入电厂周边道路，并向东南方向漫溢，增大了管网排水压力并对电厂安全造成不利影响。

图6 50年一遇工况下最大洪峰时刻河涌沿程水面线

4 结语

（1）基于MIKE-FLOOD模型平台，耦合一二维水动力学模型及地下排水管网模型， 能够较好模拟甘露电厂区域复杂水文环境下的雨洪情势。

（2）50年一遇雨洪条件下，工程周边出现了较为严重的淹没情况，主要和降雨强度大及D线河涌山洪漫溢有关。受山洪漫溢的影响，目前规划的地下管网存在部分管段管道充满度超过了设计充满度、 局部检查井出现溢流的情况， 难以满足同时排走区域降雨以及漫溢山洪的需求。

（3）为保障工程防洪安全，工程建设时建议增大场平竖向标高， 同时提高排水管网和河涌防洪标准并及时整顿园区东南侧低洼区域洪水通道。