Mike11在平原感潮河网区闸泵群联合调度的排涝计算应用

古苏浪

(广州市水务规划勘测设计研究院有限公司，广州 510641)

珠江三角洲南部平原区地势低洼，河涌水系发达，受外江洪潮水位影响，区域通过联围筑闸建泵的方式保障片区的防洪(潮)排涝安全。平原感潮河网区河涌水系相互连通，河涌多为双向流，水动力复杂，对合理确定片区闸泵群的泵站规模存在一定的难度。以“广州市番禺区南大围防洪排涝工程”为例，采用Mike11构建一维河网水动力模型，计算在闸泵群联合调度下各泵站的设计流量。

1 研究区域概况

本次研究区域位于南大围内，处于广州番禺区西北部，北望荔湾区、海珠区，东临番禺区沙滘岛，西接佛山市南海区三山新城，南迎番禺区大石街道。研究范围面积为6.4 km2，为珠江三角洲冲积平原区，地势平坦低洼，地面标高约为0.4～1.8 m。研究区域内主要有农田、绿地、城中村及居住小区，其中农田绿地面积约有1.99 km2。

研究区域四面环水，外围水系有三支香水道、大石水道及平洲水道，受洪水、潮水影响。研究区域内河涌为平原感潮河网，有西码头涌、新合益涌、思贤滘涌、下北涌、沿沙尾涌、九牙涌、西码头涌—沿沙尾涌连通段。内涌为双向流，汇入三支香水道、平洲水道及大石水道。研究区域水系如图1所示。

图1 研究范围水系示意

研究区域地势低洼，受到外江洪潮威胁，及外江洪潮水位顶托下，区域涝水无法自排的内涝威胁。研究区域通过联围筑闸建泵的方式解决区域的防洪(潮)排涝问题，规划建设水闸8座，排涝泵站8宗。

2 模型构建与计算

2.1 计算原理

Mike11模型基于以下3个要素：反映有关物理定律的微分方程组；对微分方程组进行有限差分；求解线性方程组的算法。并基于以下几个假定：流体为不可压缩、均质流体；一维流态；坡降小、纵向断面变化幅度小；符合静水压力假设。

圣维南方程是反映有关物理定律的微分方程，包括连续方程(质量守恒定律)和动量方程(牛顿第二定律)：

(1)

(2)

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。

Mike11所用的有限差分格式为6点中心Abbott-Ionescu格式。该格式在每一个网格点按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。Abbott-Ionescu 格式具有稳定性好、计算精度高的特点。

离散后的线性方程组用追赶法求解。

2.2 河网概化

研究区域内有农田绿地约有1.99 km2，农田地面标高约为0.8 m，可作为调蓄区。在模型中，搭建河道8条，分别为沿沙尾涌—西码头涌、沿沙尾涌、九牙涌、九牙涌右支、新合益涌、思贤滘涌、西码头涌、下北涌，河道总长为11 950 m。

沿沙尾涌—西码头涌设计河宽为4.0 m；沿沙尾涌设计河宽为6.0～16 m；九牙涌设计河宽为8.0～12 m；九牙涌右支设计河宽为12 m；新合益涌设计河宽为4.0～9.0 m；思贤滘涌设计河宽为4.0 m；西码头涌设计河宽为5.0～10 m；下北涌设计河宽为4.0～6.0 m。

河道断面间距按不大于50 m布置。河道横断面两侧根据农田范围延长，进行概化计算，以使得计算泵站规模更加合理。

可控建筑物为水闸8宗，分别为沿沙水闸(闸孔总净宽为8 m)、粪涌水闸(闸孔总净宽为5 m)、九牙水闸(闸孔总净宽为5 m)、新合益水闸(闸孔总净宽为5 m)、思贤滘水闸(闸孔总净宽为2.5 m)、下北水闸(闸孔总净宽为6 m)、西码头水闸(闸孔总净宽为 3 m)和东码头水闸(闸孔总净宽为5 m)。水闸采用采用可控建筑物中的Underflow类型。泵站8宗，泵站采用可控建筑物中的Discharge类型，方便闸泵群的调度运行。模型河网概化如图2所示。

图2 研究区域河网概化示意

2.3 边界条件

2.3.1流量边界

本片区缺乏实测洪水资料，采用设计暴雨推求设计洪水。

1)设计暴雨

设计暴雨按2003年广东省水文局颁布的《广东省暴雨参数等值线图》成果计算。经计算，本区不同频率的设计暴雨值见表1。

表1 南大围各频率设计暴雨

2)设计洪水

① 流域参数

根据2005年航测1∶2 000地形图量计各河涌的流域面积、干流河长。各河涌流域参数见表2。

表2 河涌流域参数

② 设计洪水计算

采用《广东省暴雨径流查算图表》中的广东省综合单位线和推理公式方法计算各排涝片的设计洪水,经计算，各河涌设计洪水成果见表3。

表3 河涌设计洪峰成果

综合单位线法计算洪水成果大于推理公式法成果，两者相差20%以内，符合要求。从工程偏安全考虑，采用综合单位线法成果。

③ 设计洪水过程线

采用广东省综合单位线法计算区域设计洪水。各河涌设计洪水过程线见表4。

表4 区域各河涌边界流量 m3/s

片区在遭遇20年一遇24 h暴雨下产生的总洪量为112.96万m3。

2.3.2外江边界水位

根据《广州市防洪防涝系统建设标准指引》(2014年)，广州市内河水系排涝与外江洪(潮)水位遭遇关系：以内涝为主，按内河设计、校核标准下的暴雨洪水遭遇外江5年一遇设计洪(潮)水位。

因此，以潮位站“大石站”作为潮位设计站，外江5年一遇设计洪潮水位过程线见图3。

图3 设计洪(潮)水位过程线示意

2.3.3河道糙率

片区缺乏洪水及水面线实测资料，无法通过实测资料推算河道糙率，本次计算采用经验糙率值。河道为土渠，土底、石砌坡岸渠，根据《水力计算手册》，本次计算河道糙率取0.03。

2.3.4水闸泵站调度规则

1)最高控制水位

研究区域地面标高为0.4～1.8 m。其中，农田区域地面标高约为0.4 m，居住区域地面标高为1.3～1.8 m。同时根据《广州市番禺区水系规划》，确定河涌最高控制水位1.2 m。

2)水闸泵站调度规则

暴雨前，通过开闸或开泵将河涌水位降至0.0 m，预腾空河涌涌容，增大调蓄容积。暴雨时，外江水位高于1.3 m，内涌水位低于外江水位时，水闸关闭，开泵排水；外江水位低于1.3 m时，水闸开启自排。

2.4 计算结果

2.4.1设计标准

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2017)、《防洪标准》(GB 50201—2014)、《广州市番禺区水系规划》(2010年)，确定南大围的设计防洪(潮)标准为200年一遇，排涝标准为20年一遇24 h暴雨不成灾。

2.4.2泵站规模

研究区域内河涌均为双向流，地势平坦，河涌比降小，因此按分散排涝模式，于各涌口建设排涝泵站，使排涝效果最优。

根据河涌水系分布现状，将研究区域划分为沿沙尾片区和东码头片区。沿沙尾片区河涌两岸现有农田绿地面积约40万m2；东码头片区现有农田绿地面积约65万m2。农田地面高程按0.8 m计算，最高控制水位1.2 m，则沿沙尾片区调蓄容积约为16万m3、东码头片区调蓄容积约为26万m3。根据研究区域设计洪水过程线，按水量平衡原理进行初步估算，得到沿沙尾片区泵站设计流量共约为13 m3/s、东码头片区泵站设计流量共约为11 m3/s。

沿沙尾片区有3处涌口，北向一处(沿沙泵站)，南向2处(粪涌泵站、九牙泵站)，则沿沙泵站拟定设计流量为6.5 m3/s，粪涌泵站、九牙泵站拟定设计流量均为3.25 m3/s。

东码头片区有5处涌口，北向1处(东码头泵站)、西向2处(下北泵站、西码头泵站)、南向2处(思贤滘泵站、新合益泵站)，则东码头泵站拟定设计流量为3.67 m3/s；下北泵站、西码头泵站、思贤滘泵站、新合益泵站拟定设计流量均为1.83 m3/s。各泵站分布情况如图4所示。

图4 水闸泵站分布示意

按上述拟定设计流量进行首次模拟计算，根据计算结果，考虑水头损失、河道宽度、农田调蓄空间分布情况，调整泵站设计流量，经多次模拟调算后，最终确定各泵站设计流量及河涌最高设计洪水位见表5。

表5 泵站设计流量及河涌最高水位统计

研究区域内需建设的泵站总设计流量为25.6 m3/s，河涌20年一遇最高设计洪水位为1.16 m。从模型各河涌水位计算结果(见图5)得出，泵站可以明显有效降低河涌水位，安全度过外江高水位时段，满足片区水位控制排涝要求。

图5 模型各河涌水位过程线结果示意

3 结语

在平原感潮河网区，河涌水系相互沟通，在闸泵群联合调度下，可采用Mike11概化河网及农田调蓄区，构建一维水动力模型进行排涝计算，合理确定各排涝泵站的设计流量及河涌水位，满足区域防洪排涝要求。计算结果精度较高，模型易搭建，成果可供类似工程参考。