MIKE11模型法和“平湖法”在平原河網(wǎng)區(qū)調(diào)蓄演算中的對比分析

趙 蕾

(廣東珠榮工程設(shè)計有限公司，廣州 510610)

隨著快速城市化發(fā)展，土地原有用途發(fā)生改變，下墊面條件發(fā)生變化，整體建立排澇模型進行調(diào)蓄演算分析，確定泵站的排澇能力，對滿足城市防洪排澇要求，高標(biāo)準(zhǔn)河涌治理有重要意義。平原河網(wǎng)區(qū)調(diào)蓄演算主要包括Mike11模型法和“平湖法”，Mike11模型法利用MIKE軟件水動力模塊(HD)建立蓄排澇數(shù)學(xué)模型進行計算；“平湖法”采用水量平衡法進行調(diào)蓄演算，兩方法在平原河網(wǎng)區(qū)調(diào)蓄演算中均應(yīng)用廣泛。本文以東莞市交椅灣河網(wǎng)區(qū)為例，采用兩種方法進行對比計算分析。

1 工程概況及邊界條件

1.1 工程概況

東莞市交椅灣河網(wǎng)區(qū)位于出海口，區(qū)域受外潮頂托，內(nèi)澇嚴重。項目區(qū)涉及河涌9條，排水出口分別建東泵閘、西泵閘和沙涌水閘，以滿足區(qū)域防潮排澇要求。東泵站設(shè)計流量為100 m3/s，東水閘凈寬為 30 m，西泵站設(shè)計流量為172 m3/s，西水閘凈寬為 50 m，沙涌水閘凈寬為30 m(見圖1)。

圖1 項目區(qū)工程布置示意

1.2 邊界條件

1) 設(shè)計洪水過程線

本項目各河涌設(shè)計洪水采用推理公式法計算成果，各河涌20年一遇洪水過程線見圖2。

圖2 各河涌20年一遇洪水過程線示意

2) 內(nèi)涌水位

最低運行水位：根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB 50265—2010)，最低運行水位應(yīng)滿足調(diào)蓄區(qū)預(yù)降最低水位要求。根據(jù)《東莞市濱海灣新區(qū)防洪排澇專項規(guī)劃》，調(diào)蓄區(qū)預(yù)降最低水位為-0.5 m，最低運行水位取-0.5 m。

最高控制水位：長安鎮(zhèn)南部地塊高程在2.2～3.5 m，交椅灣新河20年一遇最高水位宜控制在1.5 m，以保證長安鎮(zhèn)南部片區(qū)不受澇。

設(shè)計運行水位：根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB 50265—2010)，當(dāng)泵站前池與調(diào)蓄區(qū)相連時，以調(diào)蓄區(qū)設(shè)計低水位與設(shè)計蓄水位的平均值作為設(shè)計運行水位，設(shè)計運行水位為1.0 m。

3) 洪潮遭遇工況

根據(jù)《廣東省防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)和治澇標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中相關(guān)規(guī)定，結(jié)合水文站歷年降雨、潮位資料分析，本項目洪潮遭遇工況采用內(nèi)涌20年一遇洪水遭遇外海5年一遇潮位過程(見圖3)，峰峰相碰。

圖3 外海5年一遇潮位過程線示意

4) 調(diào)度原則

根據(jù)暴雨預(yù)報，在暴雨來臨前，通過東、西泵閘將新河水位預(yù)排至-0.5 m，若外海潮位低于新河內(nèi)水位則開水閘自排；若外海潮位高于新河內(nèi)水位，則關(guān)閉水閘，打開泵站抽排。

2 Mike11模型法

2.1 計算原理

Mike11水動力模塊采用6點Abbott～Ionescu有限差分格式對圣維南方程組求解。圣維南方程組其連續(xù)和動量方程如下：

(1)

(2)

式中：

Q、A——流量和河道斷面面積；

q、x、t——河道側(cè)向來水流量、沿水流方向的橫坐標(biāo)和時間；

g、h——重力加速度和水位；

R、C——水力半徑和謝才系數(shù)。

圣維南方程中的連續(xù)性方程和動量方程通過有限差分法進行離散，計算網(wǎng)格由流量點和水位點組成，其中流量點和水位點在同一時間步長下分別進行計算。計算網(wǎng)格由模型自動生成，水位點是橫斷面所在的位置，流量點位于兩個相鄰水位點之間。

2.2 模型建立

Mike11水動力模型數(shù)據(jù)文件包含河網(wǎng)文件、斷面數(shù)據(jù)、邊界條件和模擬參數(shù)文件。

2.2.1河網(wǎng)文件

本項目河網(wǎng)概化包括河道概化和建筑物概化。

1) 河道概化

河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要洞察模擬區(qū)域的水力學(xué)要素，并理解模型如何工作。1個河網(wǎng)包括河段、節(jié)點、網(wǎng)格點、數(shù)字點等，本項目區(qū)河網(wǎng)包含河涌10條，根據(jù)實測地形圖繪制河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置各河涌Topo ID、上游端點里程、下游端點里程、河道類型、上下游與其他河道的連接信息等(見表1)。

表1 各河涌基本參數(shù)

2) 建筑物概化

建筑物概化應(yīng)表明建筑物的主要特征，包括水閘閘底板高程、水閘孔數(shù)、單孔凈寬、泵站流量等，本次共設(shè)置2座泵站，3座水閘。各建筑參數(shù)設(shè)置見表2所示。

表2 各建筑物特征參數(shù)

Mike11中泵站的模擬分為泵(Pumps)和控制性建筑物(discharge)。泵模式設(shè)置簡單，靈活性較差，適用于工況簡單，外江水位比較固定河段。控制性建筑物模式調(diào)度運行比較豐富靈活，精準(zhǔn)度高，適用于建筑物較多，調(diào)度運行規(guī)則較復(fù)雜，外江水位變化較大的河段。本項目外江為感潮區(qū)，24 h潮位為不規(guī)則半日潮，且涉及建筑物較多，調(diào)度運行原則較復(fù)雜，因此推薦采用控制性建筑物模式。

控制性建筑物應(yīng)分別設(shè)置調(diào)度目標(biāo)及優(yōu)先度、調(diào)度控制，調(diào)度目標(biāo)優(yōu)先度通過Priority設(shè)置，值越小，優(yōu)先度越高，調(diào)度控制設(shè)置包括判斷條件(Logical Operands)、控制點和目標(biāo)點(Control and Targetpoint)、控制點數(shù)值(Control Strategy)。

2.2.2斷面文件

本項目橫斷面文件采用實測橫斷面數(shù)據(jù)，使概化后河網(wǎng)的調(diào)蓄容積與實際河網(wǎng)容積基本一致，主要參數(shù)包括河長、起始距、河床高程等。本次根據(jù)地形沿程變化，共設(shè)置100個斷面，斷面間距為100～300 m。

2.2.3邊界條件

邊界條件定義了模型與外部環(huán)境之間的相互作用。邊界條件必須離開關(guān)心區(qū)域足夠距離，以確保關(guān)心區(qū)域的某些因素改變不會影響邊界條件。

本項目邊界條件包含開邊界和附加邊界，開邊界為外海5年一遇潮位過程；附加邊界為各河涌20年一遇設(shè)計洪水過程，采用分布源邊界條件(Distributed Source)。

2.2.4模擬參數(shù)文件

模擬參數(shù)文件主要定義模擬的初始條件和河床糙率。本項目初始水位為-0.5 m，時間步長選用10 min，滿足克朗數(shù)小于10的要求。根據(jù)《水力計算手冊》(第二版)，本項目涉及河涌順直、無沙灘、無潭，糙率選取0.03。

2.3 模型成果

經(jīng)計算，泵站總設(shè)計流量272 m3/s，其中西泵設(shè)計流量為172 m3/s，東泵設(shè)計流量為100 m3/s；閘孔總凈寬為130 m，其中西水閘50 m、沙涌水閘50 m、東水閘30 m時，交椅灣新河最高水位為1.48 m，各河涌水位過程線見圖4，東泵站出流流量過程見圖5，西泵站出流流量過程見圖6。

圖4 各河涌水位過程線示意

圖5 東泵站流量過程示意

圖6 西泵站流量過程示意

3 “平湖法”

3.1 計算原理

“平湖法”一般用于平原區(qū)比降較緩的澇區(qū)確定水閘、泵站的規(guī)模，將澇區(qū)內(nèi)的河涌等具有調(diào)蓄作用的水域作為同等容積的湖泊來對待，在水閘、泵站排水時，僅引起河網(wǎng)水體水平升降，忽略水面比降，采用以水量平衡為基本原則進行調(diào)蓄計算，通過反復(fù)試算確定合理的水閘、泵站規(guī)模。其計算公式如下：

V末=V初+Q-Δt-q-Δt

(3)

式中：

V末——時段末蓄澇容積；

V初——時段初的容積;

Q——時段平均入流量;

q——平均泄流；

Δt——計算時段。

3.2 水域概化

對于“平湖法”，水域概化就是建立澇區(qū)內(nèi)河網(wǎng)的綜合水位—涌容關(guān)系曲線。本項目參與調(diào)蓄的河涌包括交椅灣新河、廈崗涌、孖斗涌、賽古涌、坭涌、上沙正涌、沙涌、苗涌及龍涌，根據(jù)河道測量資料及地形圖計算出本項目水位—涌容曲線成果如圖7所示。

圖7 本項目水位—涌容曲線示意

3.3 計算成果

經(jīng)計算，泵站總設(shè)計流量為268 m3/s，其中西泵設(shè)計流量為170 m3/s，東泵設(shè)計流量為98 m3/s；閘孔總凈寬為130 m，其中西水閘50 m、沙涌水閘50 m、東水閘30 m時，交椅灣新河最高水位為1.48 m。

4 Mike11模型法與“平湖法”的對比分析

1) 原理分析

Mike11模型法的計算原理為非恒定流，采用圣維南方程組進行計算；“平湖法”計算原理為水量平衡法。

2) 成果差異分析

根據(jù)表3，Mike11模型法泵站總設(shè)計流量成果為272 m3/s，“平湖法”為268 m3/s，成果差異的主要原因分析如下。

表3 Mike11模型法和“平湖法”計算成果對比

“平湖法”中各條河涌來水流量過程按峰峰疊加考慮，忽略了澇區(qū)各河涌洪水匯流及演進過程；Mike11模型法將附加邊界條件(各河涌設(shè)計洪水過程)設(shè)置為分布式邊界條件(Distributed Source)，且模擬過程中一定程度上考慮了洪水匯流及演進過程；“平湖法”較Mike11模型法來水洪峰高，但澇區(qū)內(nèi)洪量基本一致，兩方法進入交椅灣新河總洪水過程線見圖8。

圖8 兩方法總洪水過程線示意

Mike11模型法和“平湖法”均可根據(jù)來水流量、水泵水位～流量關(guān)系、河涌容積等試算泵站出流流量。匯入交椅灣新河水量越多，新河水位越高，泵站出流流量越大。由于0～10 h來水流量Mike11模型法較“平湖法”小，泵站出水流量及排水量也較小，同時由于澇區(qū)總水量一致，10～24 h待排水量Mike11模型法較“平湖法”大，內(nèi)河涌最高控制水位相同情況下，泵站出水流量及排水量Mike11模型法較“平湖法”大(見圖9)。

圖9 兩方法泵站出流流量過程示意

經(jīng)分析，Mike11模型法考慮了各河涌洪水匯流及演進過程，計算過程更符合實際情況，成果相對合理。

3) 多泵站聯(lián)排分析

針對同一澇區(qū)由多泵站聯(lián)合排澇情況，為使項目區(qū)內(nèi)澇水均衡自各排澇泵站排出，Mike11模型法以水位為控制條件可同時試算各泵站設(shè)計流量；“平湖法”應(yīng)先試劃分各泵站排澇分區(qū)，各排澇分區(qū)以水位為控制條件分別試算各泵站設(shè)計流量。較Mike11模型法，“平湖法”計算量大、繁瑣。

4) 工程經(jīng)濟性分析

Mike11模型法可推算出項目區(qū)各河涌各斷面水位，“平湖法”僅能計算出項目區(qū)平均水位。針對澇區(qū)大，內(nèi)河涌較長的堤防整治工程，Mike11模型法可準(zhǔn)確提供河涌各斷面水位，為堤頂高程設(shè)計提供充實依據(jù)，進而優(yōu)化項目工程量，較“平湖法”準(zhǔn)確度高且經(jīng)濟性優(yōu)。

綜上，Mike11模型法法考慮各河涌洪水匯流及演進過程，成果更合理；針對多泵站聯(lián)排澇區(qū)，計算簡單且工作量??；能計算出各河涌各斷面水位，計算成果完善，有利于節(jié)約工程投資，平原河網(wǎng)區(qū)調(diào)蓄演算推薦采用Mike11模型法。

5 結(jié)語

1) 通過建立項目排澇區(qū)域水動力模型，對20年一遇暴雨遭遇外海5年一遇潮位進行了調(diào)蓄演算，MIKE11模型法和“平湖法”計算成果表明擬定的泵站、水閘規(guī)模滿足項目區(qū)域排澇要求。

2) 對于平原河網(wǎng)區(qū)調(diào)蓄演算，Mike11模型法和“平湖法”計算成果差異不大，Mike11模型法考慮各河涌洪水匯流及演進過程，計算成果更合理。

3) Mike11模型控制性建筑物(discharge)模式調(diào)度運行比較豐富靈活，精準(zhǔn)度高，泵(Pumps)模式設(shè)置簡單，外江水位變化較大且建筑物調(diào)度運行復(fù)雜區(qū)域建議采用控建筑物(discharge)模式進行模擬計算。

4) Mike11模型法較“平湖法”在平原河網(wǎng)區(qū)調(diào)蓄演算中計算量小，能夠計算出各河涌各斷面設(shè)計水位，成果更完善合理，有利于節(jié)約工程投資。