MIKE11模型法和“平湖法”在平原河网区调蓄演算中的对比分析

赵 蕾

(广东珠荣工程设计有限公司，广州 510610)

随着快速城市化发展，土地原有用途发生改变，下垫面条件发生变化，整体建立排涝模型进行调蓄演算分析，确定泵站的排涝能力，对满足城市防洪排涝要求，高标准河涌治理有重要意义。平原河网区调蓄演算主要包括Mike11模型法和“平湖法”，Mike11模型法利用MIKE软件水动力模块(HD)建立蓄排涝数学模型进行计算；“平湖法”采用水量平衡法进行调蓄演算，两方法在平原河网区调蓄演算中均应用广泛。本文以东莞市交椅湾河网区为例，采用两种方法进行对比计算分析。

1 工程概况及边界条件

1.1 工程概况

东莞市交椅湾河网区位于出海口，区域受外潮顶托，内涝严重。项目区涉及河涌9条，排水出口分别建东泵闸、西泵闸和沙涌水闸，以满足区域防潮排涝要求。东泵站设计流量为100 m3/s，东水闸净宽为 30 m，西泵站设计流量为172 m3/s，西水闸净宽为 50 m，沙涌水闸净宽为30 m(见图1)。

图1 项目区工程布置示意

1.2 边界条件

1) 设计洪水过程线

本项目各河涌设计洪水采用推理公式法计算成果，各河涌20年一遇洪水过程线见图2。

图2 各河涌20年一遇洪水过程线示意

2) 内涌水位

最低运行水位：根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)，最低运行水位应满足调蓄区预降最低水位要求。根据《东莞市滨海湾新区防洪排涝专项规划》，调蓄区预降最低水位为-0.5 m，最低运行水位取-0.5 m。

最高控制水位：长安镇南部地块高程在2.2～3.5 m，交椅湾新河20年一遇最高水位宜控制在1.5 m，以保证长安镇南部片区不受涝。

设计运行水位：根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)，当泵站前池与调蓄区相连时，以调蓄区设计低水位与设计蓄水位的平均值作为设计运行水位，设计运行水位为1.0 m。

3) 洪潮遭遇工况

根据《广东省防洪(潮)标准和治涝标准(试行)》中相关规定，结合水文站历年降雨、潮位资料分析，本项目洪潮遭遇工况采用内涌20年一遇洪水遭遇外海5年一遇潮位过程(见图3)，峰峰相碰。

图3 外海5年一遇潮位过程线示意

4) 调度原则

根据暴雨预报，在暴雨来临前，通过东、西泵闸将新河水位预排至-0.5 m，若外海潮位低于新河内水位则开水闸自排；若外海潮位高于新河内水位，则关闭水闸，打开泵站抽排。

2 Mike11模型法

2.1 计算原理

Mike11水动力模块采用6点Abbott～Ionescu有限差分格式对圣维南方程组求解。圣维南方程组其连续和动量方程如下：

(1)

(2)

式中：

Q、A——流量和河道断面面积；

q、x、t——河道侧向来水流量、沿水流方向的横坐标和时间；

g、h——重力加速度和水位；

R、C——水力半径和谢才系数。

圣维南方程中的连续性方程和动量方程通过有限差分法进行离散，计算网格由流量点和水位点组成，其中流量点和水位点在同一时间步长下分别进行计算。计算网格由模型自动生成，水位点是横断面所在的位置，流量点位于两个相邻水位点之间。

2.2 模型建立

Mike11水动力模型数据文件包含河网文件、断面数据、边界条件和模拟参数文件。

2.2.1河网文件

本项目河网概化包括河道概化和建筑物概化。

1) 河道概化

河网结构的设计需要洞察模拟区域的水力学要素，并理解模型如何工作。1个河网包括河段、节点、网格点、数字点等，本项目区河网包含河涌10条，根据实测地形图绘制河网结构，分别设置各河涌Topo ID、上游端点里程、下游端点里程、河道类型、上下游与其他河道的连接信息等(见表1)。

表1 各河涌基本参数

2) 建筑物概化

建筑物概化应表明建筑物的主要特征，包括水闸闸底板高程、水闸孔数、单孔净宽、泵站流量等，本次共设置2座泵站，3座水闸。各建筑参数设置见表2所示。

表2 各建筑物特征参数

Mike11中泵站的模拟分为泵(Pumps)和控制性建筑物(discharge)。泵模式设置简单，灵活性较差，适用于工况简单，外江水位比较固定河段。控制性建筑物模式调度运行比较丰富灵活，精准度高，适用于建筑物较多，调度运行规则较复杂，外江水位变化较大的河段。本项目外江为感潮区，24 h潮位为不规则半日潮，且涉及建筑物较多，调度运行原则较复杂，因此推荐采用控制性建筑物模式。

控制性建筑物应分别设置调度目标及优先度、调度控制，调度目标优先度通过Priority设置，值越小，优先度越高，调度控制设置包括判断条件(Logical Operands)、控制点和目标点(Control and Targetpoint)、控制点数值(Control Strategy)。

2.2.2断面文件

本项目横断面文件采用实测横断面数据，使概化后河网的调蓄容积与实际河网容积基本一致，主要参数包括河长、起始距、河床高程等。本次根据地形沿程变化，共设置100个断面，断面间距为100～300 m。

2.2.3边界条件

边界条件定义了模型与外部环境之间的相互作用。边界条件必须离开关心区域足够距离，以确保关心区域的某些因素改变不会影响边界条件。

本项目边界条件包含开边界和附加边界，开边界为外海5年一遇潮位过程；附加边界为各河涌20年一遇设计洪水过程，采用分布源边界条件(Distributed Source)。

2.2.4模拟参数文件

模拟参数文件主要定义模拟的初始条件和河床糙率。本项目初始水位为-0.5 m，时间步长选用10 min，满足克朗数小于10的要求。根据《水力计算手册》(第二版)，本项目涉及河涌顺直、无沙滩、无潭，糙率选取0.03。

2.3 模型成果

经计算，泵站总设计流量272 m3/s，其中西泵设计流量为172 m3/s，东泵设计流量为100 m3/s；闸孔总净宽为130 m，其中西水闸50 m、沙涌水闸50 m、东水闸30 m时，交椅湾新河最高水位为1.48 m，各河涌水位过程线见图4，东泵站出流流量过程见图5，西泵站出流流量过程见图6。

图4 各河涌水位过程线示意

图5 东泵站流量过程示意

图6 西泵站流量过程示意

3 “平湖法”

3.1 计算原理

“平湖法”一般用于平原区比降较缓的涝区确定水闸、泵站的规模，将涝区内的河涌等具有调蓄作用的水域作为同等容积的湖泊来对待，在水闸、泵站排水时，仅引起河网水体水平升降，忽略水面比降，采用以水量平衡为基本原则进行调蓄计算，通过反复试算确定合理的水闸、泵站规模。其计算公式如下：

V末=V初+Q-Δt-q-Δt

(3)

式中：

V末——时段末蓄涝容积；

V初——时段初的容积;

Q——时段平均入流量;

q——平均泄流；

Δt——计算时段。

3.2 水域概化

对于“平湖法”，水域概化就是建立涝区内河网的综合水位—涌容关系曲线。本项目参与调蓄的河涌包括交椅湾新河、厦岗涌、孖斗涌、赛古涌、坭涌、上沙正涌、沙涌、苗涌及龙涌，根据河道测量资料及地形图计算出本项目水位—涌容曲线成果如图7所示。

图7 本项目水位—涌容曲线示意

3.3 计算成果

经计算，泵站总设计流量为268 m3/s，其中西泵设计流量为170 m3/s，东泵设计流量为98 m3/s；闸孔总净宽为130 m，其中西水闸50 m、沙涌水闸50 m、东水闸30 m时，交椅湾新河最高水位为1.48 m。

4 Mike11模型法与“平湖法”的对比分析

1) 原理分析

Mike11模型法的计算原理为非恒定流，采用圣维南方程组进行计算；“平湖法”计算原理为水量平衡法。

2) 成果差异分析

根据表3，Mike11模型法泵站总设计流量成果为272 m3/s，“平湖法”为268 m3/s，成果差异的主要原因分析如下。

表3 Mike11模型法和“平湖法”计算成果对比

“平湖法”中各条河涌来水流量过程按峰峰叠加考虑，忽略了涝区各河涌洪水汇流及演进过程；Mike11模型法将附加边界条件(各河涌设计洪水过程)设置为分布式边界条件(Distributed Source)，且模拟过程中一定程度上考虑了洪水汇流及演进过程；“平湖法”较Mike11模型法来水洪峰高，但涝区内洪量基本一致，两方法进入交椅湾新河总洪水过程线见图8。

图8 两方法总洪水过程线示意

Mike11模型法和“平湖法”均可根据来水流量、水泵水位～流量关系、河涌容积等试算泵站出流流量。汇入交椅湾新河水量越多，新河水位越高，泵站出流流量越大。由于0～10 h来水流量Mike11模型法较“平湖法”小，泵站出水流量及排水量也较小，同时由于涝区总水量一致，10～24 h待排水量Mike11模型法较“平湖法”大，内河涌最高控制水位相同情况下，泵站出水流量及排水量Mike11模型法较“平湖法”大(见图9)。

图9 两方法泵站出流流量过程示意

经分析，Mike11模型法考虑了各河涌洪水汇流及演进过程，计算过程更符合实际情况，成果相对合理。

3) 多泵站联排分析

针对同一涝区由多泵站联合排涝情况，为使项目区内涝水均衡自各排涝泵站排出，Mike11模型法以水位为控制条件可同时试算各泵站设计流量；“平湖法”应先试划分各泵站排涝分区，各排涝分区以水位为控制条件分别试算各泵站设计流量。较Mike11模型法，“平湖法”计算量大、繁琐。

4) 工程经济性分析

Mike11模型法可推算出项目区各河涌各断面水位，“平湖法”仅能计算出项目区平均水位。针对涝区大，内河涌较长的堤防整治工程，Mike11模型法可准确提供河涌各断面水位，为堤顶高程设计提供充实依据，进而优化项目工程量，较“平湖法”准确度高且经济性优。

综上，Mike11模型法法考虑各河涌洪水汇流及演进过程，成果更合理；针对多泵站联排涝区，计算简单且工作量小；能计算出各河涌各断面水位，计算成果完善，有利于节约工程投资，平原河网区调蓄演算推荐采用Mike11模型法。

5 结语

1) 通过建立项目排涝区域水动力模型，对20年一遇暴雨遭遇外海5年一遇潮位进行了调蓄演算，MIKE11模型法和“平湖法”计算成果表明拟定的泵站、水闸规模满足项目区域排涝要求。

2) 对于平原河网区调蓄演算，Mike11模型法和“平湖法”计算成果差异不大，Mike11模型法考虑各河涌洪水汇流及演进过程，计算成果更合理。

3) Mike11模型控制性建筑物(discharge)模式调度运行比较丰富灵活，精准度高，泵(Pumps)模式设置简单，外江水位变化较大且建筑物调度运行复杂区域建议采用控建筑物(discharge)模式进行模拟计算。

4) Mike11模型法较“平湖法”在平原河网区调蓄演算中计算量小，能够计算出各河涌各断面设计水位，成果更完善合理，有利于节约工程投资。