基于 MIKE 的河道堤距確定

鄭震宙

摘要：為保證大空港新城區(qū)的防洪安全，緩解城市建設(shè)對水系生態(tài)環(huán)境的沖擊，實現(xiàn)城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展相協(xié)調(diào)，本文基于 MIKE 軟件對大空港新城區(qū)截流河河道防洪能力進(jìn)行計算，從而確定河道堤距。

關(guān)鍵詞：防洪;河道堤距;MIKE 模型

中圖分類號：U61 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0090-03

1概況

1.1工程概況

大空港新城區(qū)截流河綜合治理工程位于深圳市寶安區(qū)西北部空港新城建設(shè)區(qū)域，該區(qū)域地處珠江口東岸，臨近遠(yuǎn)東航運中心香港，背靠我國經(jīng)濟(jì)最活躍的珠江三角洲地區(qū)，是中國社會經(jīng)濟(jì)及對外貿(mào)易最發(fā)達(dá)的地區(qū)之一，也是空港運輸最繁忙的地區(qū)之一。

為保證大空港新城區(qū)的防洪（潮）、排澇安全，緩解城市建設(shè)對水系生態(tài)環(huán)境的沖擊，實現(xiàn)城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展相協(xié)調(diào)，擬對截流河及南、北連通渠進(jìn)行綜合治理。截流河綜合治理工程是一項涉及防洪（潮）排澇安全、水質(zhì)保障、生態(tài)環(huán)境塑造的系統(tǒng)工程。總整治長度約8.8公里，其中：新開挖截流河長6.37公里，在原有河涌上拓寬加深南、北連通渠，防洪標(biāo)準(zhǔn)均為100年一遇，防潮標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，內(nèi)澇防治標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。新建截流河自北向南連通德豐圍涌至玻璃圍涌共9條河涌上游，保護(hù)面積約為29.8平方公里，河底寬度80～120米，河堤設(shè)計控制高程4.84米，河道采用梯形復(fù)式斷面。

1.2河道概況

截流河起點位于現(xiàn)狀的茅洲河口，由北往南依次穿越德豐圍涌、石圍涌、下涌、沙涌、和二涌、沙福河、塘尾涌、和平涌以及玻璃圍涌，然后通往珠江口。規(guī)劃截流河總長度約8.5km，河道平均寬度80～100m。

2河道堤距計算

根據(jù)片區(qū)總體規(guī)劃，片區(qū)水系以截流河為骨干排水通道，并通過南北兩條連通渠增加截流河與珠江口的通道。截流河水域控制寬度為120m，綠化帶寬度15～50m，南北連通渠的水域控制寬度為60m。MIKE 軟件常用于洪水演進(jìn)分析，其中 MIKE11的核心是水動力模型（HD），HD 模塊利用 Abott 六點隱式格式求解一維河流非恒定流方程[1]。本文基于 MIKE 水動力模型從行洪能力的角度對截流河洪水進(jìn)行分析，計算不同水域?qū)挄r防洪高水位，從而確定河道堤距。

2.1計算方法

MIKE11是一個基于丹麥水力研究所著名的 SYSTEM 11，用于模擬任何河流流量、水位、泥沙輸送的軟件系統(tǒng)。MIKE 11功能較為齊全，包括多種模型。主要有：水動力學(xué)模型（HD model）、對流擴(kuò)散及粘性輸沙模型、非粘性沙傳導(dǎo)模型、NAM 降雨徑流模型（NAM model）、單位線模型、洪水實時預(yù)報模型（FF）、地理信息系統(tǒng)。

MIKE11計算模型是有關(guān)非穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)學(xué)模擬程序，其理論基礎(chǔ)是圣維南方程，這也是模型反映有關(guān)物理定律的微分方程[2]：

對此微分方程進(jìn)行線性化的有限差分格式，求解線性方程的算法。模型基于均質(zhì)流體、一維流態(tài)、靜水壓力分布等假定，以及連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒定律）、動量方程（牛頓第二定律）。

2.2斷面設(shè)置

按照斷面型式設(shè)置模型，截流河水域?qū)挾仍?0m 到120m 范圍內(nèi)嘗試變化，連通渠水域?qū)挾确謩e選擇30m 和60m 兩種情況，分析不同設(shè)計堤距的情況下對截流河行洪能力的影響。

2.3計算工況

堤距復(fù)核計算的工況為：①100年一遇設(shè)計洪水與多年平均設(shè)計潮水位的組合;②100年一遇設(shè)計潮位與2年一遇設(shè)計洪水的組合。各河涌流量邊界采用對應(yīng)的設(shè)計流量。

2.4參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)狀河床組成及水流流態(tài)，參照水系規(guī)劃中的參數(shù)率定成果，本次計算采用河道的綜合糙率為0.028～0.033。

2.5結(jié)果分析

2.5.1工況1：100年一遇設(shè)計洪水與多年平均設(shè)計潮水位

從中選取 A、B、C、D、E 五個斷面位置的水位進(jìn)行比較分析， A、B 位于截流河北段、C 位于中段、D、 E 位于南段。

當(dāng)連通渠水域?qū)?0m，截流河水域?qū)拑H30m 時，截流河中段防洪高水位約3.85m，相比外邊界多年平均高潮位2.44m 壅高了1.41m。隨著截流河水域?qū)挾鹊脑黾樱?00年一遇洪水對截流河水位的影響逐漸變小，趨近于2.55m。當(dāng)連通渠水域?qū)?0m，截流河水域?qū)?00m 時，截流河中段防洪高水位降為2.51m。

2.5.2工況2：100年一遇設(shè)計潮水位與2年一遇設(shè)計洪水組合

工況2下，連通渠水域?qū)?0m 時對應(yīng)不同截流河水域?qū)挾认碌母咚徊罹嘧畲鬄?.1m;連通渠水域?qū)?0m 時對應(yīng)不同截流河水域?qū)挾认碌母咚徊罹嘧畲鬄?.04m。由于此種情況下截流河內(nèi)防洪水位受潮位影響為主，受截流河及連通渠水域?qū)挾鹊淖兓挠绊戄^小。

截流河寬度對以洪為主時的水位影響較大，水位差達(dá)1.3m。而對以潮為主時的水位影響較小，水位差僅0.1m。根據(jù)以上兩種工況下截流河中的防洪高水位結(jié)果分析，在100年一遇設(shè)計洪水工況下，截流河與連通渠的水域?qū)挾冗x擇對防洪高水位影響很大。當(dāng)連通渠水域?qū)挾冗x擇60m，截流河水域?qū)挾仍?0m 左右時，遭遇100年一遇洪水時防洪水位趨于穩(wěn)定，再增大截流河的水域?qū)挾?，河道的防洪高水位變化較小。因此，截流河水域?qū)挾纫嗽?0～120m 范圍內(nèi)根據(jù)城區(qū)規(guī)劃和生態(tài)景觀需求進(jìn)行控制。

3結(jié)論

應(yīng)用 MIKE 軟件，建立截流河的一維水流數(shù)學(xué)模型，經(jīng)率定和驗證后進(jìn)行防洪評價計算。結(jié)果表明，在100年一遇設(shè)計洪水工況下，截流河與連通渠的寬度選擇對防洪高水位影響很大。當(dāng)連通渠寬度選擇60m，截流河寬度在100m 左右時，遭遇100年一遇洪水時防洪水位趨于穩(wěn)定，而流速也較小，說明該斷面尺寸合理、滿足行洪要求。因此從防洪角度出發(fā)，并且綜合考慮河道兩側(cè)規(guī)劃用地與景觀環(huán)境的需求，推薦截流河基本寬度為100m，連通渠基本寬度為60m。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋文娟 ， 王娣.MIKE 軟件在工程防洪評價中的應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào) ，2019，48（04）：15-17.

[2]趙鳳偉. MIKE11 HD 模型在下遼河平原河網(wǎng)模擬計算中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì) ， 2014，（8）：33-35.