MIKE11模型在河口排涝泵站规模论证中的应用

伍 希

(广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广州 510640)

1 概述

近年受全球气候变化影响，极端天气频繁发生，对社会经济活动带来严重影响，甚至造成人员伤亡和重大经济损失[1]。如2021年郑州“7.20”暴雨，降雨量累计达到732 mm，其中小时降水量最大达到201.9 mm，更是创下历史极值[2]。郑州此次极端降雨过程引发了严重的城市内涝问题，对人员和财产造成了不可估量的损失[3]。

沿海地区由于极端天气造成的洪涝灾害尤为严重[4]。以广州市为例，该地区常受台风侵袭，造成河口潮位暴涨，如2018年台风“山竹”，中大站最高潮位达到3.27 m，为建站以来最高记录值[5]。同时，广州地处南亚热带，雨量丰沛，汛期暴雨频发，如2020年广州市增城区的“5.22”及“6.8”两场特大暴雨，均造成了严重的经济损失以及广泛的社会关注[6]。又由于广州位于珠江河口地区，其上游北江、东江的洪水经由市内众多水道入海，因而还受到外江洪水侵扰[7]。基于以上分析，广州市存在暴雨、洪水、台风三碰头的风险，对城市水安全保障提出了极大的挑战。

应对由于极端天气造成的城市洪涝灾害问题，一直是广州市水务发展的重要研究课题。受外江潮(水)位顶托影响，城市部分片区的涝水往往无法自排，需在河口建设排涝泵站。以往泵站工程多采用“平湖法”[8]进行调蓄计算，以确定设计流量以及相关特征水位。由于“平湖法”仅从水量守恒角度分析计算，未考虑河道水动力因素，在应用于河口泵站工程时，常出现泵站设计流量与上游河道过流能力不匹配的现象，造成工程无法实现既定排涝目标。水动力模型同时满足水量和动量守恒[9]，将其应用于泵站规模论证，可有效避免上述问题。

MIKE11模型是较成熟的商业软件，其水动力学(HD)模块可对各类一维非恒定流问题进行模拟计算[10]。本文以广州市海珠区大干围泵站工程为例，应用MIKE11 水动力学(HD)模型，论证泵站规模及特征参数。

2 工程概况

工程位于广州市海珠区西南部石溪排涝片区，总集雨面积为2.50 km2，区内主要排涝河涌为石溪涌、大干围涌、乌球渠(石溪—大干围连接段)，排涝出口为石溪涌口和大干围涌口，外江承泄区为珠江后航道。

大干围涌起点位于东南西环高速公路丫髻沙大桥，上接DN1000雨水管，下游出后航道流入珠江。大干围涌明渠段总长度约1.43 km，水面宽度约5～15 m。石溪涌起于石溪村，上游部分河段现状为暗渠，通过石溪～瑞宝连通段与瑞宝涌连接；下游经石溪闸站流入后航道。石溪涌明渠段总长约1.4 km，河宽约9.3～17.5 m。乌球渠连通大干围涌和石溪涌，现状总长约0.85 km，河宽约3.0～15 m。

大干围涌口现状建有1孔水闸，总净宽为5 m，闸底高程为-1.5 m，设计过闸流量为19.67 m3/s。石溪涌口现状建有水闸、泵站：水闸为1孔，总净宽为5 m，闸底高程为-1.5 m，设计过闸流量为34.6 m3/s；泵站设计流量为5.33 m3/s，装机容量为230 kW，设计扬程为1.62 m。石溪排涝片区水系及相关水利设施分布情况示意见图1。

图1 石溪排涝片水系示意

本工程拟在大干围涌口新建泵站，使片区排涝标准达到50年一遇。本文通过应用MIKE11水动力模型，模拟计算洪水期泵站的运行调度过程，以合理确定泵站设计流量及相关特征参数。

3 模型建立

3.1 模型简介

MIKE 11 HD主要用于洪水预报及调度措施、河渠/灌溉系统的设计调度及河口风暴潮的研究，是目前世界上应用最为广泛的商业软件，具有计算稳定、精度高、可靠性强等特点，可方便灵活模拟闸门、水泵等各类水工建筑物，尤其适合应用于水工建筑物众多、控制调度复杂的情况[11]。MIKE 11计算模块基于以下3个要素：① 反映有关物理定律的微分方程组；② 对微分方程组进行线性化的有限差分格式；③ 求解线性方程组的算法。

MIKE 11计算模块是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流Saint-Venant方程组[12-13]：

(1)

(2)

式中：

t——时间坐标；

x——距离坐标；

A——过水断面面积；

Q——流量；

z——水位；

n——糙率；

R——水力半径；

g——重力加速度常数，9.81 m/s2。

方程组利用Abbott-Ionescu 6点隐式格式求解。该格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量。Abbott-Ionescu格式具有稳定性好、计算精度高的特点。离散后的线形方程组用追赶法求解。

MIKE 11 SO模块可对水工建筑物运行设置复杂的调度规则，依据河道某处的水位或流量、水位差或流量差、蓄水量、时间等数十种逻辑判断条件控制水工建筑物的运行[14];模型根据建筑物上下游水文条件自动判断所处流态，选用相应的流体力学公式进行计算。

MIKE 11 HD和SO建模需要以下各类数据或信息：河网平面及水工建筑物、边界位置等平面信息；河道地形或河道纵横断面资料；模型边界处水文数据；河道糙率；水工建筑物的基本设计参数及调度运行规则。

3.2 模型建立

3.2.1河网和地形

一维河网水动力模型的范围主要为石溪片区内石溪涌、大干围涌、乌球渠(连通段)3条河涌。水工建筑物包括现状石溪闸站、大干围水闸，拟新建大干围泵站。模型下边界为珠江后航道。

根据实测地形数据，对河道平面及断面进行设置，同时对河口水工建筑物进行模拟设置。

3.2.2水工建筑物概化

通过MIKE11内置SO模块，对水闸及泵站建筑物进行概化。水闸过流按照宽顶堰流进行概化，相关参数依据原设计成果调试后确定。

由于研究区域内排涝河涌涌容较小，调蓄能力较弱，水位对于涌口抽排流量变化较敏感。因此，若泵站采用MIKE11 SO内置模块进行模拟设置，常出现抽排流量响应滞后，造成水位急剧上升或下降，出现露河底、漫顶等现象，最终导致模拟计算结果失真。另一方面，MIKE11从计算稳定性角度考虑，其内置模块会对流量急剧变化时段做平滑处理。而实际泵站抽排流量只与机组开启数量有关，其流量过程呈近似阶梯分布。

为准确真实模拟泵站抽排过程，首先通过传统的“平湖法”对片区进行排涝调蓄计算，初步拟定机组设置及泵站抽排流量过程线。并以该过程线为依据，对泵站进行概化设置，经MIKE模型多次模拟试算，对流量过程进行调整优化。

3.2.3计算工况

根据工程确定的整治目标，工程实施后，片区可达到50年一遇排涝标准。参照相关规范，并结合广州市内涝防治相关要求，确定以下2种计算工况。

1) 工况1：内涌50年一遇设计洪水为36.20 m3/s(石溪涌21.3 m3/s +大干围14.9 m3/s)，遭遇外江多年平均最高潮位为2.09 m；

2) 工况2：内涌5年一遇设计洪水为21.27 m3/s(石溪涌12.50 m3/s +大干围8.77 m3/s)，遭遇外江200年一遇洪潮水位为2.76 m。

以上2种工况的雨潮遭遇，均采用峰峰叠加形式。

3.2.4初始条件

工程位于感潮区，河口日常关闸蓄水。初始水位即河道日常蓄水位1 m。片区在无雨时，无外水汇入河涌，初始流量为0 m3/s。

3.2.5边界条件

上游进口及区间采用流量边界，流量过程通过综合单位线法计算得到。下游出口采用水(潮)位边界，根据各工况拟定潮位值，选取典型潮位过程线；工况1及工况2的水(潮)位、流量过程线采用峰峰叠加的形式(2工况设计洪水及水位过程如图2～图3所示)。

图2 工况1流量及水位过程示意

图3 工况2流量及水位过程示意

3.2.6时间步长及空间步长

为保证模拟计算收敛，时间步长及空间步长需满足CFL条件[15]，其在一维浅水运动方程中的表达式如下：

(3)

式中：

Cr——科朗数；

Δt——时间步长,m；

Δx——空间步长,m，根据实测河道断面间距确定；

v——断面平均流速,m/s；

h——水深;

为便于计算结果分析，本研究采用定步长进行模拟计算。根据模型断面间距设置及数值试验，确定时间步长为10 s。

3.2.7糙率取值

一般而言，糙率通过实测河道流量及水位数据率定得到。由于缺少实测数据，参照临近工程及相关文献[16]关于糙率的建议取值，确定糙率为0.025。

4 计算结果

根据模拟计算结果，石溪排涝片的排涝总规模为24.75 m3/s(含现状石溪泵站5.5 m3/s)，需扩建泵站规模为19.25 m3/s。表1为2种工况下排涝规模及相关参数计算成果。

表1 不同工况下排涝规模计算成果

根据石溪涌及大干围涌现状河底高程，并参照周边排水区的相关经验，最低运行水位不应小于-1.0 m；同时为了充分利用河涌调蓄空间，最低运行水位不宜大于-0.5 m。根据表1计算结果，2种工况计算得到的最低运行水位均满足上述要求。

由于石溪—大干围连通渠(乌球渠)现状存在多处卡口，最窄处宽度仅2.8 m，最大过流能力仅4 m3/s。若将扩建泵站均布置于大干围涌口，则在设计工况下，将出现大干围涌口来流小于泵站抽排流量的情况，排涝泵站无法发挥设计排涝效益；而西侧石溪涌则由于涌口泵站抽排能力不足，造成水位过高，局部低洼地区发生内涝。

由于乌球渠束窄段紧邻民居，可拓宽空间小，实施难度较大；卡口断面涉及跨河桥，需对其进行拆除重建，在一段时期内对当地居民的出行造成影响。因此，现阶段对乌球渠拓宽的可行性较小。

经模型验证，在维持乌球渠现状的情况，当大干围涌涌口新建泵站规模为14.25 m3/s(机组配置：6+6+2.25 m3/s)，同时扩建石溪泵站规模至10.5 m3/s(现状5.5 m3/s+扩建5 m3/s)，则可基本实现2条河涌水位同升同落，从而使整个片区水位维持在管控水位以下(大干围涌口排水时段内水闸及泵站流量过程见图4)。

图4 大干围涌口水闸及泵站流量过程示意

分析石溪涌、大干围涌在整个模拟计算过程中的水位外包线，表明在设计工况下，片区内河涌各断面的水位基本可控制在管控水位以下。其中，大干围0+430断面左岸岸顶高程1.09 m低于该处水位外包值1.25 m，在设计工况下将出现漫顶。若继续降低涌口管控水位，将减小河道可利用调蓄涌容，造成泵站规模进一步加大，增加工程投资；由于泵站机组数量限制，泵站总规模增大将造成单台机组设计流量过大，对泵站运行调度不利。

综上，建议在后期条件允许的情况下，对大干围涌、乌球渠进行扩宽，以增大河涌调蓄能力和过流能力；对大干围涌右岸局部低洼河段堤岸进行加高。

5 结语

根据工程所在石溪片区实测河道地形资料及涌口相关闸泵建筑物资料，应用MIKE11水动力模型，对设计洪潮遭遇下的片区排涝过程进行模拟分析计算，确定了拟新建大干围泵站的设计流量、机组配置及涌口控制水位，为工程设计提供了依据。

MIKE11水动力模型结合内置SO模块，在应用于河口泵站规模论证计算中，具有较好的计算精度和稳定性，较之常规采用的“平湖法”调蓄计算，其考虑了河道水动力因素，可准确计算调整全过程的水面线变化情况，进而分析泵站规模与河道过流能力的匹配问题，使计算结果更加贴合实际，为工程设计提供数据支撑。