基于Mike Hydro Rive模型的海鷗圍水網圩區排澇分析應用

金修鵬 廣東珠榮工程設計有限公司

1.研究區域概況

海鷗圍位于廣州市番禺區石樓鎮東部，總面積為34.45km2，圍內地勢平坦，地面高程在-1～5m之間（珠基，下同），內河涌總長約41.59km，現有外排水閘21座，總凈寬約134m；泵站1座，流量為2.16m3/s，圍內排澇安全管控水位為1.2m。海鷗圍劃分為3個排澇分區，如圖1所示。水網圩區的排澇分析現多半已采用數學模型軟件進行求解，Mike Hydro river是其中使用較多的一款軟件，其應用范圍除在防洪排澇領域，也廣泛應用于水環境水生態方向。本文將基于最新的Mike Hydro river構建海鷗圍片區的現狀及規劃排澇模型，評估現狀是否能夠滿足排澇標準要求，并分析可能存在的具體原因，進一步規劃出合理的排澇建設方案。

圖1 海鷗圍現狀水系圖

2.模型構建

2.1 基本原理

Mike Hydro Rive一維水動力模型是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，方程組的具體形式如下：

式中：x和t分別為空間和時間坐標；Q和h分別為斷面流量和水位；A和R代表斷面過流面積和水力半徑；Bs為河寬；q為旁側入流量；C為謝才系數；g為重力加速度；α為垂向速度分布系數。Mike Hydro Rive一維水動力模型采用Abbott-Lonescu六點隱式差分格式求解。

2.2 河網文件

通過現場實際測量獲取海鷗圍水系圖后，一般需要根據研究目標對實際測量水系圖進行等效概化，使得概化前后河網調蓄容積基本一致。海鷗圍排澇片現狀水工建筑物有21個水閘和1個泵站，其調度規則為：當內河涌水位大于外江水位時，開閘自排；當內河涌水位小于及等于外江潮位時，關閘防止外江潮水涌入。內河涌河口水位高于起泵水位時，開機抽排內河涌水量，內河涌河口水位低于停泵水位時，關機停止抽排。

2.3 斷面文件

海鷗圍內河涌斷面測量平均間距約500m，河涌橫斷面明顯變化處進行了局部測量。考慮到海鷗圍排澇分區存在一定數量的池塘，本文將池塘調蓄容積考慮在附近河涌的斷面庫容中，可以體現出池塘對水量調蓄作用。

2.4 參數文件

參數文件主要是設置河床糙率和模型初始條件，根據現場調研確定河床糙率為0.028。目前，海鷗圍河涌水位為考慮景觀需求，常水位確定為0m，正常高水位0.5m，正常低水位-0.5m。排澇工況下可根據預報信息，在暴雨前夕將河涌水位預排至-1m附近，以增大河涌調蓄容積。因此，模型設置河涌的起調水位為-1m，起泵水位為0.5m，停泵水位為-1.5m。

2.5 邊界文件

Mike Hydro Rive邊界文件包括外邊界和內邊界，外邊界一般指流量邊界和水位邊界，內邊界指的是一些沿河長方向的側向匯入。在海鷗圍排澇分析中，流量邊界是指排澇分區內20年一遇設計暴雨產生的流量過程線，水位邊界指的是各內河涌河口處的典型潮位過程線。基于《廣東省暴雨徑流查算圖表》得出設計標準的流量過程線。水量沿河長均勻入河；典型潮位過程線成果是根據研究區域附近的三沙口潮位站歷史實測數據分析而來的，其高潮位接近多年平均最高潮位，低潮位接近汛期（5～9月）多年平均最低潮位。

3.模型成果分析

3.1 現狀排澇模型-成果分析

在設計工況下，海鷗圍現狀排澇模型結果表明：內河涌河口最高水位分布在0.9m～2m，部分河涌河口最高排澇水位超過了最高控制水位1.2 m的要求，不能滿足20 年一遇排澇要求，如圖2所示。通過分析水閘及泵站的過流曲線，現狀排澇模型中水工建筑物調度方式可以體現實際運行管理狀況，模型構建是合理的。

圖2 現狀工況-最高水位分布圖

根據現狀模型成果，得出海鷗圍排澇標準不達標的主要原因如下：①存在局部河段過窄。需要拓寬或清淤以滿足過流能力需求。②下游河道抽排能力不足。海鷗圍現狀僅瑞盛涌河口有抽排泵站，規模為2.16m3/s，其余河涌以水閘進行自排。③存在多處斷頭涌。

3.2 規劃排澇模型

3.2.1 方案思路

為滿足海鷗圍20年一遇排澇標準，從以下幾個方面進行排澇方案的規劃。首先是河涌整治工程，分析每條河涌的斷面數據，如河寬、河底高程等，并結合斷面上下游對比分析是否存在局部縮窄斷面及逆坡河段，重點考慮該局部河段的拓寬及清淤；其次是水系連通工程，分析對水網圩區而言，存在哪些關鍵性斷頭涌，將該斷頭涌與鄰近干支流連通起來，以此增強區域的水動力條件；最后是泵站規劃工程，該階段是以各內河涌河口為研究對象，分析河口處外排能力如何，海鷗圍片區每天約有1/5的時間外江潮位高過排澇控制水位，自排能力受限，可通過泵站抽排將多余水量排入外江。

根據以上規劃分析思路，對海鷗圍進行了排澇規劃。主要工程措施有：對瑞盛涌進行了河道整治，拓寬了瑞盛涌局部河段；將深沙涌與黃泥瀝連通，將江興涌、江鷗上涌、江鷗下涌及江鷗尾涌向西延長至與江鷗瀝連通，利用現狀渠道和魚塘將東開坊涌向兩側延長，分別與黃泥瀝、沙頭涌連通；規劃新建泵站工程。

3.2.2 成果分析

海鷗圍規劃排澇模型運行結果表明，通過實施上述規劃工程措施后，內河涌河口最高運行水位分布在0.9m～1.1m，低于最高控制水位1.2m的要求，滿足20年一遇排澇要求，可知規劃的工程措施是合理的，泵站參數選取較為合適，如圖3所示。通過分析規劃措施前后整個內河涌水系的流動性，發現規劃后斷頭涌附近水體的流動性明顯改善，增強了斷頭涌的水動力，提高了局部排澇能力，這也有利于改善斷頭涌的水生態及水環境。

圖3 規劃工況-最高水位分布圖

4.結論

（1）基于Mike Hydro Rive建立了海鷗圍現狀及規劃排澇模型。現狀排澇模型指出了當前海鷗圍不能滿足20年一遇的排澇要求，并指明主要原因有存在斷頭涌、下游抽排能力不足、河道過流能力不足等；以此為切入點，進一步提出解決方案，同時通過規劃排澇模型驗證了提出的方案措施，結果表明通過水系連通、新建泵站等工程措施可有效降低設計標準下海鷗圍內河涌河口最高水位，使之滿足內河涌水位管控水1.2m的要求。

（2）本次基于Mike Hydro Rive模型建立的水網圩區排澇分析，可為類似排澇工程分析提供方法工具和分析思路。如針對城區等更為復雜的排澇分析，可結合管網模型及二維地表模型進行耦合模擬，并考慮海綿工程措施，在源頭上就進行雨水的消納。