MIKE 11 模型在東莞市防洪分析中的應(yīng)用

黃 程

（廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院 廣東廣州 510635）

1 前言

近年來，特別是“2006年7月”、“2008年6月”等幾場大暴雨給東莞市東引運(yùn)河、寒溪河流域造成了嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，暴露出流域內(nèi)目前的防洪排澇系統(tǒng)已不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。

由于流域內(nèi)東引運(yùn)河、寒溪水與其支流之間，流域與東江流域之間水流互相交換，東引運(yùn)河與石馬河、潼湖等水體貫通，流域下游洪水與潮水相互作用，水動(dòng)力條件復(fù)雜，同時(shí)流域內(nèi)水利工程眾多，對洪水過程影響較大。使用傳統(tǒng)方法難以模擬流域水系間以及水利工程調(diào)度等眾多因素的相關(guān)影響，給流域防洪關(guān)鍵點(diǎn)的分析以及防洪方案的制定都帶來很大的難度。因此，需借助一維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行流域防洪能力分析，工程方案比較等工作。

2 流域概況

東引運(yùn)河建成于1970年，上游引水口位于橋頭鎮(zhèn)建塘口，破東江堤筑閘，無壩引水入企石小海河，于橫瀝半仙山入寒溪水，過峽口水閘后，向西南轉(zhuǎn)，進(jìn)入東莞市區(qū)，再向下經(jīng)虎門鎮(zhèn)區(qū)至磨碟口河至長安排澇站，全長102.6km。沿河建有水閘19 座，其中5 座節(jié)制閘，14 座排水閘。

3 模型構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

3.1 模型研究范圍

模型研究范圍包括東引運(yùn)河、寒溪水流域以及與其相連的東江三角洲、茅洲河等水系，模型內(nèi)共設(shè)有29 座水閘（含規(guī)劃及流域外），8 座泵站，以及3 個(gè)蓄滯洪區(qū)。

3.2 模型構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

MIKE 11 軟件是由世界上著名丹麥水資源及水環(huán)境研究所（DHI）研制，用于在河口、河流、灌溉系統(tǒng)、渠道等地表水體模擬水體流動(dòng)、水質(zhì)變化、泥沙運(yùn)移等一維水利專業(yè)工程軟件。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為MIKE 11 軟件較其他一維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢之一，在于將水工建筑物高度集成化和可視化，為本次防洪分析中眾多水工建筑物的模擬及優(yōu)化調(diào)度提供了技術(shù)平臺。

3.2.1 水工建筑物設(shè)置

根據(jù)流域內(nèi)各主要水工建筑物的特性及調(diào)度方式，主要利用MIKE 11 中的“Control Str.”建筑物來實(shí)現(xiàn)?！癈ontrol Str.”建筑物可能是MIKE 11 中功能最強(qiáng)大和全面的建筑物，除可以提供攔河閘（壩）、穿堤建筑物和蓄滯洪區(qū)等建筑物外，還可以模擬泵站、橋梁等其它建筑物（其它地方單獨(dú)設(shè)，如泵站）。

“Control Str.”建筑物主要設(shè)置要素包括建筑物類型、基本參數(shù)、水頭損失、控制方案及其控制方式。

東引運(yùn)河、寒溪水流域地處平原地區(qū)，29座水閘均為平原水閘，在“Control Str.”建筑物以“Underflow”類型進(jìn)行設(shè)置。8 座泵站均為排水泵站，一般與水閘結(jié)合在一起，MIKE 11 中可與水閘設(shè)在同一斷面，一般以“Discharge”類型或“Pump”建筑物（調(diào)度較簡單時(shí)）進(jìn)行設(shè)置。

3 個(gè)蓄滯洪區(qū)通過在建筑物類型中設(shè)置為側(cè)向建筑物，并添加蓄滯洪區(qū)的水位—容積參數(shù)，這樣河網(wǎng)中水體可依據(jù)調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)蓄。

3.2.2 調(diào)度規(guī)則設(shè)置

流域內(nèi)建有眾多的控制性建筑物，調(diào)度規(guī)則的合理設(shè)置是實(shí)現(xiàn)流域防洪優(yōu)化調(diào)度，平衡上下游防洪安全的關(guān)鍵。

MIKE 11 中的調(diào)度方案的優(yōu)先級是If/else if/end 的關(guān)系，根據(jù)用戶設(shè)定的優(yōu)先級別（1為最高級，順序最后一個(gè)方案為無條件執(zhí)行方案）依次往下執(zhí)行其調(diào)度控制方式。計(jì)算模式可以是表格（Tabulated，默認(rèn)）、PID 算法（PID operation）、動(dòng)量方程（Momentum equation）、迭代（Iterative solution）、全開（Fully Open）、關(guān)閉（Close）、固定值（Unchanged）、變值（Change with）、定值（Set equal to）等，其中以表格最為常用，通常為與時(shí)間有關(guān)的序列文件，如各時(shí)刻的控制過閘流量、水閘開度等。

控制方式由判斷條件、控制條件及控制方式三部分組成，對于控制點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)Mike 11為可控結(jié)構(gòu)物提供了豐富的參數(shù)，如計(jì)算水位、流量、水深、水位差、流量差、和、平均值、累積值、面積、時(shí)間，閘門高程、閘前后水位差、流量差等都可以進(jìn)行控制。

這里以峽口水閘調(diào)度為例進(jìn)行簡單說明。為保障東江供水安全，東引運(yùn)河、寒溪水流域的洪水盡量限制外排，峽口水閘只有上游水位高于4.5m 才開閘泄洪，即“Full Open”條件為“This Gate dH >0.0”（上游水位大于下游水位）和“Hups >4.5”（上游水位大于4.5m）。

4 流域防洪分析

東引運(yùn)河、寒溪水流域的防洪問題主要集中在峽口以上流域，這里僅介紹模型在峽口以上流域的防洪分析成果。

4.1 峽口以上現(xiàn)狀防洪能力分析

為分析現(xiàn)狀條件下各水閘以及河道流動(dòng)情況和排洪能力，沿程節(jié)制閘按保持常開，其余水閘按照能排即排的原則進(jìn)行調(diào)度。在內(nèi)洪為主設(shè)計(jì)工況下東引運(yùn)河沿程各主要排洪水閘的最大過流量及最大上、下游水位差見表1。

從表1 可看出，企石水閘的最大過流和最大上下游水位差分別為198m3/s和1.27m；峽口水閘的最大過流和最大上下游水位差分別為1560m3/s和1.09m。作為東引運(yùn)河、寒溪水流域峽口以上最主要的排洪出口，兩個(gè)水閘的過流能力明顯不足。

表1 主要排洪水閘最大過流及上下游水位差

流域發(fā)生設(shè)計(jì)工況（同頻率內(nèi)、外洪為主工況外包）時(shí)，最大行洪調(diào)度現(xiàn)狀沿程水面線建塘至企石水閘河段的兩岸高程略高于50年一遇水面線（內(nèi)、外洪為主工況的最高水位外包，下同），平均高約1.0m。企石水閘至黃沙河匯入口河段的兩岸高程基本上低于50年一遇水面線1.0m 左右；黃沙河匯入口至峽口河段的兩岸高程基本上低于100年一遇水面線1.5m 左右。

以往認(rèn)為，影響東引運(yùn)河、寒溪水流域峽口以上水位的主要因素是河道阻水及東江頂托。根據(jù)上述結(jié)果，除局部河段阻水嚴(yán)重（水面坡降大）外，東引運(yùn)河、寒溪水流域峽口以上河段流域洪水期，企石水閘、峽口水閘和東莞市城區(qū)分流，三個(gè)出口均過流不足。其中城區(qū)段為人工開挖河段，過流能力有限；企石水閘位于流域上游，外江水位亦較高；重建不到10年的峽口水閘也是阻水的關(guān)鍵因素，需要擴(kuò)建。

4.2 水閘調(diào)度分析

為更有效的控制洪水分配，提出合理可行的水閘調(diào)度方案，需對水閘的調(diào)度進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)3 種對比方案：

（1）最大行洪方案。該方案各水閘能開即開，各節(jié)制閘保持常開。

（2）分區(qū)排洪方案。該方案各節(jié)制閘均關(guān)閉，各個(gè)區(qū)域獨(dú)立排洪。

（3）企石水閘關(guān)閘方案。該方案企石水閘關(guān)閉。主要研究為避免企石水閘開閘污染東江飲用水源，而關(guān)閉企石水閘對流域防洪的影響程度。

各方案在發(fā)生全流域內(nèi)洪為主各頻率設(shè)計(jì)洪水時(shí)，沿程最高水位見圖1。從圖1 可以看出，對比最大行洪方案和分區(qū)排洪方案，在遭遇全流域內(nèi)洪為主50年一遇、20年一遇和10年一遇洪水時(shí)，若關(guān)閉企石節(jié)制閘將使企石以上最高水位分別升高約0.20、0.15和0.10m；在遭遇全流域內(nèi)洪為主5年一遇洪水時(shí)，最大行洪方案與分區(qū)行洪方案沿程最高水位相當(dāng)。對比最大行洪方案和企石水閘關(guān)閘方案，在遭遇全流域內(nèi)洪為主20年一遇、10年一遇和5年一遇洪水時(shí)，若關(guān)閉企石水閘將使仁河水以上最高水位分別平均升高約0.15、0.20和0.35m；在遭遇全流域內(nèi)洪為主50年一遇洪水時(shí)，最大行洪方案與分區(qū)行洪方案沿程最高水位相當(dāng)。

根據(jù)上述水閘調(diào)度分析，主要控制性水閘的調(diào)度推薦方案如下：（1）為保護(hù)東江引用水源，考慮全流域發(fā)生20年一遇以上洪水時(shí)才開啟企石水閘；（2）為配合企石水閘啟閉，考慮全流域發(fā)生20年一遇以上洪水時(shí)關(guān)閉企石節(jié)制閘；（3）為保護(hù)東江引用水源，考慮全流域發(fā)生2年一遇以上洪水時(shí)才開啟峽口水閘。

4.3 峽口以上工程方案及其效果分析

根據(jù)上述現(xiàn)狀分析結(jié)果，經(jīng)實(shí)地調(diào)研和上下游多方案、多調(diào)度計(jì)算，設(shè)計(jì)以下工程方案：（1）干流全線河道整治；（2）峽口水閘擴(kuò)建，新建峽口泵站；（3）擴(kuò)建企石水閘；（4）新建江子埔和生態(tài)園兩個(gè)濕地，起到消峰、調(diào)蓄洪水的作用。以上各工程方案在流域遭遇內(nèi)洪為主50年一遇設(shè)計(jì)洪水，外洪100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)的沿程最高水位見圖2。從圖2 可以看出，峽口以上流域在實(shí)施了上述工程方案以后，可在流域遭遇內(nèi)洪為主50年一遇洪水時(shí)，比現(xiàn)狀情況下降低峽口以上水位0.93～1.74m，說明規(guī)劃方案效果明顯。

5 結(jié)束語

借助MIKE 11 軟件建立的一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，對東引運(yùn)河、寒溪水流域的現(xiàn)狀行洪能力進(jìn)行分析，準(zhǔn)確找出了影響流域行洪的關(guān)鍵位置，使得流域防洪治理工程可以有的放矢。同時(shí)進(jìn)行了流域內(nèi)水閘的優(yōu)化調(diào)度方案設(shè)計(jì)和防洪工程方案的效果分析，為流域的調(diào)度方案的制定和防洪工程的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 GB50201—94 防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計(jì)劃出版社.

2 SL104—95 水利工程水利計(jì)算規(guī)范[S].北京：中國水利水 電出版社.

3 SL278—2002 水利水電工程水文計(jì)算規(guī)范[S].北京：中國 水利水電出版社.

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