MIKE11模型在河口排澇泵站規(guī)模論證中的應用

伍 希

(廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510640)

1 概述

近年受全球氣候變化影響，極端天氣頻繁發(fā)生，對社會經(jīng)濟活動帶來嚴重影響，甚至造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失[1]。如2021年鄭州“7.20”暴雨，降雨量累計達到732 mm，其中小時降水量最大達到201.9 mm，更是創(chuàng)下歷史極值[2]。鄭州此次極端降雨過程引發(fā)了嚴重的城市內(nèi)澇問題，對人員和財產(chǎn)造成了不可估量的損失[3]。

沿海地區(qū)由于極端天氣造成的洪澇災害尤為嚴重[4]。以廣州市為例，該地區(qū)常受臺風侵襲，造成河口潮位暴漲，如2018年臺風“山竹”，中大站最高潮位達到3.27 m，為建站以來最高記錄值[5]。同時，廣州地處南亞熱帶，雨量豐沛，汛期暴雨頻發(fā)，如2020年廣州市增城區(qū)的“5.22”及“6.8”兩場特大暴雨，均造成了嚴重的經(jīng)濟損失以及廣泛的社會關注[6]。又由于廣州位于珠江河口地區(qū)，其上游北江、東江的洪水經(jīng)由市內(nèi)眾多水道入海，因而還受到外江洪水侵擾[7]。基于以上分析，廣州市存在暴雨、洪水、臺風三碰頭的風險，對城市水安全保障提出了極大的挑戰(zhàn)。

應對由于極端天氣造成的城市洪澇災害問題，一直是廣州市水務發(fā)展的重要研究課題。受外江潮(水)位頂托影響，城市部分片區(qū)的澇水往往無法自排，需在河口建設排澇泵站。以往泵站工程多采用“平湖法”[8]進行調(diào)蓄計算，以確定設計流量以及相關特征水位。由于“平湖法”僅從水量守恒角度分析計算，未考慮河道水動力因素，在應用于河口泵站工程時，常出現(xiàn)泵站設計流量與上游河道過流能力不匹配的現(xiàn)象，造成工程無法實現(xiàn)既定排澇目標。水動力模型同時滿足水量和動量守恒[9]，將其應用于泵站規(guī)模論證，可有效避免上述問題。

MIKE11模型是較成熟的商業(yè)軟件，其水動力學(HD)模塊可對各類一維非恒定流問題進行模擬計算[10]。本文以廣州市海珠區(qū)大干圍泵站工程為例，應用MIKE11 水動力學(HD)模型，論證泵站規(guī)模及特征參數(shù)。

2 工程概況

工程位于廣州市海珠區(qū)西南部石溪排澇片區(qū)，總集雨面積為2.50 km2，區(qū)內(nèi)主要排澇河涌為石溪涌、大干圍涌、烏球渠(石溪—大干圍連接段)，排澇出口為石溪涌口和大干圍涌口，外江承泄區(qū)為珠江后航道。

大干圍涌起點位于東南西環(huán)高速公路丫髻沙大橋，上接DN1000雨水管，下游出后航道流入珠江。大干圍涌明渠段總長度約1.43 km，水面寬度約5～15 m。石溪涌起于石溪村，上游部分河段現(xiàn)狀為暗渠，通過石溪～瑞寶連通段與瑞寶涌連接；下游經(jīng)石溪閘站流入后航道。石溪涌明渠段總長約1.4 km，河寬約9.3～17.5 m。烏球渠連通大干圍涌和石溪涌，現(xiàn)狀總長約0.85 km，河寬約3.0～15 m。

大干圍涌口現(xiàn)狀建有1孔水閘，總凈寬為5 m，閘底高程為-1.5 m，設計過閘流量為19.67 m3/s。石溪涌口現(xiàn)狀建有水閘、泵站：水閘為1孔，總凈寬為5 m，閘底高程為-1.5 m，設計過閘流量為34.6 m3/s；泵站設計流量為5.33 m3/s，裝機容量為230 kW，設計揚程為1.62 m。石溪排澇片區(qū)水系及相關水利設施分布情況示意見圖1。

圖1 石溪排澇片水系示意

本工程擬在大干圍涌口新建泵站，使片區(qū)排澇標準達到50年一遇。本文通過應用MIKE11水動力模型，模擬計算洪水期泵站的運行調(diào)度過程，以合理確定泵站設計流量及相關特征參數(shù)。

3 模型建立

3.1 模型簡介

MIKE 11 HD主要用于洪水預報及調(diào)度措施、河渠/灌溉系統(tǒng)的設計調(diào)度及河口風暴潮的研究，是目前世界上應用最為廣泛的商業(yè)軟件，具有計算穩(wěn)定、精度高、可靠性強等特點，可方便靈活模擬閘門、水泵等各類水工建筑物，尤其適合應用于水工建筑物眾多、控制調(diào)度復雜的情況[11]。MIKE 11計算模塊基于以下3個要素：① 反映有關物理定律的微分方程組；② 對微分方程組進行線性化的有限差分格式；③ 求解線性方程組的算法。

MIKE 11計算模塊是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組[12-13]：

(1)

(2)

式中：

t——時間坐標；

x——距離坐標；

A——過水斷面面積；

Q——流量；

z——水位；

n——糙率；

R——水力半徑；

g——重力加速度常數(shù)，9.81 m/s2。

方程組利用Abbott-Ionescu 6點隱式格式求解。該格式在每一個網(wǎng)格點并不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位或流量。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點。離散后的線形方程組用追趕法求解。

MIKE 11 SO模塊可對水工建筑物運行設置復雜的調(diào)度規(guī)則，依據(jù)河道某處的水位或流量、水位差或流量差、蓄水量、時間等數(shù)十種邏輯判斷條件控制水工建筑物的運行[14];模型根據(jù)建筑物上下游水文條件自動判斷所處流態(tài)，選用相應的流體力學公式進行計算。

MIKE 11 HD和SO建模需要以下各類數(shù)據(jù)或信息：河網(wǎng)平面及水工建筑物、邊界位置等平面信息；河道地形或河道縱橫斷面資料；模型邊界處水文數(shù)據(jù)；河道糙率；水工建筑物的基本設計參數(shù)及調(diào)度運行規(guī)則。

3.2 模型建立

3.2.1河網(wǎng)和地形

一維河網(wǎng)水動力模型的范圍主要為石溪片區(qū)內(nèi)石溪涌、大干圍涌、烏球渠(連通段)3條河涌。水工建筑物包括現(xiàn)狀石溪閘站、大干圍水閘，擬新建大干圍泵站。模型下邊界為珠江后航道。

根據(jù)實測地形數(shù)據(jù)，對河道平面及斷面進行設置，同時對河口水工建筑物進行模擬設置。

3.2.2水工建筑物概化

通過MIKE11內(nèi)置SO模塊，對水閘及泵站建筑物進行概化。水閘過流按照寬頂堰流進行概化，相關參數(shù)依據(jù)原設計成果調(diào)試后確定。

由于研究區(qū)域內(nèi)排澇河涌涌容較小，調(diào)蓄能力較弱，水位對于涌口抽排流量變化較敏感。因此，若泵站采用MIKE11 SO內(nèi)置模塊進行模擬設置，常出現(xiàn)抽排流量響應滯后，造成水位急劇上升或下降，出現(xiàn)露河底、漫頂?shù)痊F(xiàn)象，最終導致模擬計算結果失真。另一方面，MIKE11從計算穩(wěn)定性角度考慮，其內(nèi)置模塊會對流量急劇變化時段做平滑處理。而實際泵站抽排流量只與機組開啟數(shù)量有關，其流量過程呈近似階梯分布。

為準確真實模擬泵站抽排過程，首先通過傳統(tǒng)的“平湖法”對片區(qū)進行排澇調(diào)蓄計算，初步擬定機組設置及泵站抽排流量過程線。并以該過程線為依據(jù)，對泵站進行概化設置，經(jīng)MIKE模型多次模擬試算，對流量過程進行調(diào)整優(yōu)化。

3.2.3計算工況

根據(jù)工程確定的整治目標，工程實施后，片區(qū)可達到50年一遇排澇標準。參照相關規(guī)范，并結合廣州市內(nèi)澇防治相關要求，確定以下2種計算工況。

1) 工況1：內(nèi)涌50年一遇設計洪水為36.20 m3/s(石溪涌21.3 m3/s +大干圍14.9 m3/s)，遭遇外江多年平均最高潮位為2.09 m；

2) 工況2：內(nèi)涌5年一遇設計洪水為21.27 m3/s(石溪涌12.50 m3/s +大干圍8.77 m3/s)，遭遇外江200年一遇洪潮水位為2.76 m。

以上2種工況的雨潮遭遇，均采用峰峰疊加形式。

3.2.4初始條件

工程位于感潮區(qū)，河口日常關閘蓄水。初始水位即河道日常蓄水位1 m。片區(qū)在無雨時，無外水匯入河涌，初始流量為0 m3/s。

3.2.5邊界條件

上游進口及區(qū)間采用流量邊界，流量過程通過綜合單位線法計算得到。下游出口采用水(潮)位邊界，根據(jù)各工況擬定潮位值，選取典型潮位過程線；工況1及工況2的水(潮)位、流量過程線采用峰峰疊加的形式(2工況設計洪水及水位過程如圖2～圖3所示)。

圖2 工況1流量及水位過程示意

圖3 工況2流量及水位過程示意

3.2.6時間步長及空間步長

為保證模擬計算收斂，時間步長及空間步長需滿足CFL條件[15]，其在一維淺水運動方程中的表達式如下：

(3)

式中：

Cr——科朗數(shù)；

Δt——時間步長,m；

Δx——空間步長,m，根據(jù)實測河道斷面間距確定；

v——斷面平均流速,m/s；

h——水深;

為便于計算結果分析，本研究采用定步長進行模擬計算。根據(jù)模型斷面間距設置及數(shù)值試驗，確定時間步長為10 s。

3.2.7糙率取值

一般而言，糙率通過實測河道流量及水位數(shù)據(jù)率定得到。由于缺少實測數(shù)據(jù)，參照臨近工程及相關文獻[16]關于糙率的建議取值，確定糙率為0.025。

4 計算結果

根據(jù)模擬計算結果，石溪排澇片的排澇總規(guī)模為24.75 m3/s(含現(xiàn)狀石溪泵站5.5 m3/s)，需擴建泵站規(guī)模為19.25 m3/s。表1為2種工況下排澇規(guī)模及相關參數(shù)計算成果。

表1 不同工況下排澇規(guī)模計算成果

根據(jù)石溪涌及大干圍涌現(xiàn)狀河底高程，并參照周邊排水區(qū)的相關經(jīng)驗，最低運行水位不應小于-1.0 m；同時為了充分利用河涌調(diào)蓄空間，最低運行水位不宜大于-0.5 m。根據(jù)表1計算結果，2種工況計算得到的最低運行水位均滿足上述要求。

由于石溪—大干圍連通渠(烏球渠)現(xiàn)狀存在多處卡口，最窄處寬度僅2.8 m，最大過流能力僅4 m3/s。若將擴建泵站均布置于大干圍涌口，則在設計工況下，將出現(xiàn)大干圍涌口來流小于泵站抽排流量的情況，排澇泵站無法發(fā)揮設計排澇效益；而西側石溪涌則由于涌口泵站抽排能力不足，造成水位過高，局部低洼地區(qū)發(fā)生內(nèi)澇。

由于烏球渠束窄段緊鄰民居，可拓寬空間小，實施難度較大；卡口斷面涉及跨河橋，需對其進行拆除重建，在一段時期內(nèi)對當?shù)鼐用竦某鲂性斐捎绊?。因此，現(xiàn)階段對烏球渠拓寬的可行性較小。

經(jīng)模型驗證，在維持烏球渠現(xiàn)狀的情況，當大干圍涌涌口新建泵站規(guī)模為14.25 m3/s(機組配置：6+6+2.25 m3/s)，同時擴建石溪泵站規(guī)模至10.5 m3/s(現(xiàn)狀5.5 m3/s+擴建5 m3/s)，則可基本實現(xiàn)2條河涌水位同升同落，從而使整個片區(qū)水位維持在管控水位以下(大干圍涌口排水時段內(nèi)水閘及泵站流量過程見圖4)。

圖4 大干圍涌口水閘及泵站流量過程示意

分析石溪涌、大干圍涌在整個模擬計算過程中的水位外包線，表明在設計工況下，片區(qū)內(nèi)河涌各斷面的水位基本可控制在管控水位以下。其中，大干圍0+430斷面左岸岸頂高程1.09 m低于該處水位外包值1.25 m，在設計工況下將出現(xiàn)漫頂。若繼續(xù)降低涌口管控水位，將減小河道可利用調(diào)蓄涌容，造成泵站規(guī)模進一步加大，增加工程投資；由于泵站機組數(shù)量限制，泵站總規(guī)模增大將造成單臺機組設計流量過大，對泵站運行調(diào)度不利。

綜上，建議在后期條件允許的情況下，對大干圍涌、烏球渠進行擴寬，以增大河涌調(diào)蓄能力和過流能力；對大干圍涌右岸局部低洼河段堤岸進行加高。

5 結語

根據(jù)工程所在石溪片區(qū)實測河道地形資料及涌口相關閘泵建筑物資料，應用MIKE11水動力模型，對設計洪潮遭遇下的片區(qū)排澇過程進行模擬分析計算，確定了擬新建大干圍泵站的設計流量、機組配置及涌口控制水位，為工程設計提供了依據(jù)。

MIKE11水動力模型結合內(nèi)置SO模塊，在應用于河口泵站規(guī)模論證計算中，具有較好的計算精度和穩(wěn)定性，較之常規(guī)采用的“平湖法”調(diào)蓄計算，其考慮了河道水動力因素，可準確計算調(diào)整全過程的水面線變化情況，進而分析泵站規(guī)模與河道過流能力的匹配問題，使計算結果更加貼合實際，為工程設計提供數(shù)據(jù)支撐。