Mike11在平原感潮河網(wǎng)區(qū)閘泵群聯(lián)合調(diào)度的排澇計算應(yīng)用

古蘇浪

(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510641)

珠江三角洲南部平原區(qū)地勢低洼，河涌水系發(fā)達，受外江洪潮水位影響，區(qū)域通過聯(lián)圍筑閘建泵的方式保障片區(qū)的防洪(潮)排澇安全。平原感潮河網(wǎng)區(qū)河涌水系相互連通，河涌多為雙向流，水動力復(fù)雜，對合理確定片區(qū)閘泵群的泵站規(guī)模存在一定的難度。以“廣州市番禺區(qū)南大圍防洪排澇工程”為例，采用Mike11構(gòu)建一維河網(wǎng)水動力模型，計算在閘泵群聯(lián)合調(diào)度下各泵站的設(shè)計流量。

1 研究區(qū)域概況

本次研究區(qū)域位于南大圍內(nèi)，處于廣州番禺區(qū)西北部，北望荔灣區(qū)、海珠區(qū)，東臨番禺區(qū)沙滘島，西接佛山市南海區(qū)三山新城，南迎番禺區(qū)大石街道。研究范圍面積為6.4 km2，為珠江三角洲沖積平原區(qū)，地勢平坦低洼，地面標高約為0.4～1.8 m。研究區(qū)域內(nèi)主要有農(nóng)田、綠地、城中村及居住小區(qū)，其中農(nóng)田綠地面積約有1.99 km2。

研究區(qū)域四面環(huán)水，外圍水系有三支香水道、大石水道及平洲水道，受洪水、潮水影響。研究區(qū)域內(nèi)河涌為平原感潮河網(wǎng)，有西碼頭涌、新合益涌、思賢滘涌、下北涌、沿沙尾涌、九牙涌、西碼頭涌—沿沙尾涌連通段。內(nèi)涌為雙向流，匯入三支香水道、平洲水道及大石水道。研究區(qū)域水系如圖1所示。

圖1 研究范圍水系示意

研究區(qū)域地勢低洼，受到外江洪潮威脅，及外江洪潮水位頂托下，區(qū)域澇水無法自排的內(nèi)澇威脅。研究區(qū)域通過聯(lián)圍筑閘建泵的方式解決區(qū)域的防洪(潮)排澇問題，規(guī)劃建設(shè)水閘8座，排澇泵站8宗。

2 模型構(gòu)建與計算

2.1 計算原理

Mike11模型基于以下3個要素：反映有關(guān)物理定律的微分方程組；對微分方程組進行有限差分；求解線性方程組的算法。并基于以下幾個假定：流體為不可壓縮、均質(zhì)流體；一維流態(tài)；坡降小、縱向斷面變化幅度小；符合靜水壓力假設(shè)。

圣維南方程是反映有關(guān)物理定律的微分方程，包括連續(xù)方程(質(zhì)量守恒定律)和動量方程(牛頓第二定律)：

(1)

(2)

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。

Mike11所用的有限差分格式為6點中心Abbott-Ionescu格式。該格式在每一個網(wǎng)格點按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點。Abbott-Ionescu 格式具有穩(wěn)定性好、計算精度高的特點。

離散后的線性方程組用追趕法求解。

2.2 河網(wǎng)概化

研究區(qū)域內(nèi)有農(nóng)田綠地約有1.99 km2，農(nóng)田地面標高約為0.8 m，可作為調(diào)蓄區(qū)。在模型中，搭建河道8條，分別為沿沙尾涌—西碼頭涌、沿沙尾涌、九牙涌、九牙涌右支、新合益涌、思賢滘涌、西碼頭涌、下北涌，河道總長為11 950 m。

沿沙尾涌—西碼頭涌設(shè)計河寬為4.0 m；沿沙尾涌設(shè)計河寬為6.0～16 m；九牙涌設(shè)計河寬為8.0～12 m；九牙涌右支設(shè)計河寬為12 m；新合益涌設(shè)計河寬為4.0～9.0 m；思賢滘涌設(shè)計河寬為4.0 m；西碼頭涌設(shè)計河寬為5.0～10 m；下北涌設(shè)計河寬為4.0～6.0 m。

河道斷面間距按不大于50 m布置。河道橫斷面兩側(cè)根據(jù)農(nóng)田范圍延長，進行概化計算，以使得計算泵站規(guī)模更加合理。

可控建筑物為水閘8宗，分別為沿沙水閘(閘孔總凈寬為8 m)、糞涌水閘(閘孔總凈寬為5 m)、九牙水閘(閘孔總凈寬為5 m)、新合益水閘(閘孔總凈寬為5 m)、思賢滘水閘(閘孔總凈寬為2.5 m)、下北水閘(閘孔總凈寬為6 m)、西碼頭水閘(閘孔總凈寬為 3 m)和東碼頭水閘(閘孔總凈寬為5 m)。水閘采用采用可控建筑物中的Underflow類型。泵站8宗，泵站采用可控建筑物中的Discharge類型，方便閘泵群的調(diào)度運行。模型河網(wǎng)概化如圖2所示。

圖2 研究區(qū)域河網(wǎng)概化示意

2.3 邊界條件

2.3.1流量邊界

本片區(qū)缺乏實測洪水資料，采用設(shè)計暴雨推求設(shè)計洪水。

1)設(shè)計暴雨

設(shè)計暴雨按2003年廣東省水文局頒布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》成果計算。經(jīng)計算，本區(qū)不同頻率的設(shè)計暴雨值見表1。

表1 南大圍各頻率設(shè)計暴雨

2)設(shè)計洪水

① 流域參數(shù)

根據(jù)2005年航測1∶2 000地形圖量計各河涌的流域面積、干流河長。各河涌流域參數(shù)見表2。

表2 河涌流域參數(shù)

② 設(shè)計洪水計算

采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中的廣東省綜合單位線和推理公式方法計算各排澇片的設(shè)計洪水,經(jīng)計算，各河涌設(shè)計洪水成果見表3。

表3 河涌設(shè)計洪峰成果

綜合單位線法計算洪水成果大于推理公式法成果，兩者相差20%以內(nèi)，符合要求。從工程偏安全考慮，采用綜合單位線法成果。

③ 設(shè)計洪水過程線

采用廣東省綜合單位線法計算區(qū)域設(shè)計洪水。各河涌設(shè)計洪水過程線見表4。

表4 區(qū)域各河涌邊界流量 m3/s

片區(qū)在遭遇20年一遇24 h暴雨下產(chǎn)生的總洪量為112.96萬m3。

2.3.2外江邊界水位

根據(jù)《廣州市防洪防澇系統(tǒng)建設(shè)標準指引》(2014年)，廣州市內(nèi)河水系排澇與外江洪(潮)水位遭遇關(guān)系：以內(nèi)澇為主，按內(nèi)河設(shè)計、校核標準下的暴雨洪水遭遇外江5年一遇設(shè)計洪(潮)水位。

因此，以潮位站“大石站”作為潮位設(shè)計站，外江5年一遇設(shè)計洪潮水位過程線見圖3。

圖3 設(shè)計洪(潮)水位過程線示意

2.3.3河道糙率

片區(qū)缺乏洪水及水面線實測資料，無法通過實測資料推算河道糙率，本次計算采用經(jīng)驗糙率值。河道為土渠，土底、石砌坡岸渠，根據(jù)《水力計算手冊》，本次計算河道糙率取0.03。

2.3.4水閘泵站調(diào)度規(guī)則

1)最高控制水位

研究區(qū)域地面標高為0.4～1.8 m。其中，農(nóng)田區(qū)域地面標高約為0.4 m，居住區(qū)域地面標高為1.3～1.8 m。同時根據(jù)《廣州市番禺區(qū)水系規(guī)劃》，確定河涌最高控制水位1.2 m。

2)水閘泵站調(diào)度規(guī)則

暴雨前，通過開閘或開泵將河涌水位降至0.0 m，預(yù)騰空河涌涌容，增大調(diào)蓄容積。暴雨時，外江水位高于1.3 m，內(nèi)涌水位低于外江水位時，水閘關(guān)閉，開泵排水；外江水位低于1.3 m時，水閘開啟自排。

2.4 計算結(jié)果

2.4.1設(shè)計標準

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL 252—2017)、《防洪標準》(GB 50201—2014)、《廣州市番禺區(qū)水系規(guī)劃》(2010年)，確定南大圍的設(shè)計防洪(潮)標準為200年一遇，排澇標準為20年一遇24 h暴雨不成災(zāi)。

2.4.2泵站規(guī)模

研究區(qū)域內(nèi)河涌均為雙向流，地勢平坦，河涌比降小，因此按分散排澇模式，于各涌口建設(shè)排澇泵站，使排澇效果最優(yōu)。

根據(jù)河涌水系分布現(xiàn)狀，將研究區(qū)域劃分為沿沙尾片區(qū)和東碼頭片區(qū)。沿沙尾片區(qū)河涌兩岸現(xiàn)有農(nóng)田綠地面積約40萬m2；東碼頭片區(qū)現(xiàn)有農(nóng)田綠地面積約65萬m2。農(nóng)田地面高程按0.8 m計算，最高控制水位1.2 m，則沿沙尾片區(qū)調(diào)蓄容積約為16萬m3、東碼頭片區(qū)調(diào)蓄容積約為26萬m3。根據(jù)研究區(qū)域設(shè)計洪水過程線，按水量平衡原理進行初步估算，得到沿沙尾片區(qū)泵站設(shè)計流量共約為13 m3/s、東碼頭片區(qū)泵站設(shè)計流量共約為11 m3/s。

沿沙尾片區(qū)有3處涌口，北向一處(沿沙泵站)，南向2處(糞涌泵站、九牙泵站)，則沿沙泵站擬定設(shè)計流量為6.5 m3/s，糞涌泵站、九牙泵站擬定設(shè)計流量均為3.25 m3/s。

東碼頭片區(qū)有5處涌口，北向1處(東碼頭泵站)、西向2處(下北泵站、西碼頭泵站)、南向2處(思賢滘泵站、新合益泵站)，則東碼頭泵站擬定設(shè)計流量為3.67 m3/s；下北泵站、西碼頭泵站、思賢滘泵站、新合益泵站擬定設(shè)計流量均為1.83 m3/s。各泵站分布情況如圖4所示。

圖4 水閘泵站分布示意

按上述擬定設(shè)計流量進行首次模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果，考慮水頭損失、河道寬度、農(nóng)田調(diào)蓄空間分布情況，調(diào)整泵站設(shè)計流量，經(jīng)多次模擬調(diào)算后，最終確定各泵站設(shè)計流量及河涌最高設(shè)計洪水位見表5。

表5 泵站設(shè)計流量及河涌最高水位統(tǒng)計

研究區(qū)域內(nèi)需建設(shè)的泵站總設(shè)計流量為25.6 m3/s，河涌20年一遇最高設(shè)計洪水位為1.16 m。從模型各河涌水位計算結(jié)果(見圖5)得出，泵站可以明顯有效降低河涌水位，安全度過外江高水位時段，滿足片區(qū)水位控制排澇要求。

圖5 模型各河涌水位過程線結(jié)果示意

3 結(jié)語

在平原感潮河網(wǎng)區(qū)，河涌水系相互溝通，在閘泵群聯(lián)合調(diào)度下，可采用Mike11概化河網(wǎng)及農(nóng)田調(diào)蓄區(qū)，構(gòu)建一維水動力模型進行排澇計算，合理確定各排澇泵站的設(shè)計流量及河涌水位，滿足區(qū)域防洪排澇要求。計算結(jié)果精度較高，模型易搭建，成果可供類似工程參考。