MIKE模型在佛山乐平镇水系连通工程河道防洪中的运用

刘 东

（广东省佛山市三水区乐平镇水利所，广东 佛山 528137）

城市水环境综合治理工程以提升区域整体水环境为核心，通过控源截污、河网水系连通等工程实施，逐步改善区域内水系水质现状，实现人与自然生态环境的融合［1］。随着海绵城市设计理念的不断深入，河网水系连通调蓄功能逐渐被重视起来，不仅能实现水量调蓄和海绵设计，还能发挥河道自我修复功能，促进城市生态环境建设［2］。为实现水系的调蓄功能，不同运行工况下洪水水位的计算则显得尤为重要。目前在水文设计中防洪水位常用的计算方法为恒定流法、“平湖法”、模型模拟法等，其中模型计算中MIKE模型越来越广泛地运用其中［3］。MIKE模型不仅丰富洪水位运行调度设计，而且在计算速度、时间等方面优于其他计算方法，极大地提高了工作效率［4］。因此，在水系连通项目防洪调度设计中，应提倡MIKE模型的运用，在众多运行工况下选择最佳工况，提高设计效率。

本文以佛山市乐平镇水系连通和净化工程为例，通过MIKE模型对乐平镇水系乐平涌、左岸涌、西边涌、三丫涌及支毛涌与主干河涌相连形成整个河网水系模拟计算，分析河网主要断面在最高水位下，在不同工况下河网水系能够满足30年一遇24h设计暴雨1d排完的排涝标准，可为类似水利工程项目防洪调度计算提供一定借鉴经验。

1 项目情况

1.1 工程概况

佛山市乐平镇水系连通工程范围为三水区乐平镇塘西大道和乐南路路口东北角，西接塘西大道，南侧乐南大道，东临三丫涌，北靠规划路，南北长1209m，东西长1775m，呈不规则形状。项目周边有三丫涌、西边涌、左岸涌、乐平涌等4条河涌，本项目将连通三丫涌、西边涌水系形成景观水体并对景观水体进行净化。三丫涌、西边涌基本为明涌，现状明涌岸线形式多样。佛山市乐平镇水系连通和净化工程是连通西边涌、三丫涌水系的重要组成部分，总设计面积116.45万m2，其中水体面积54.07万m2，主要建筑物如下：一体化泵站设计流量6480m3/h，内置两台轴流泵，单泵流量3240m3/h；在调蓄湖湖体外围设有18～65m的生态护坡，其中河道放坡宽度约6～8m，外围设置有1条4m的防洪堤路及1条6m的生态护坡。本工作治涝目标与上位行接，按30年一遇24h设计暴雨1d排除不致灾。本工程为内涌整治治涝工程，工程等别为Ⅴ等，工程主要建筑物为5级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。项目建设总投资21792.26万元［5］。工程地理位置及工程布置如图1。

图1 工程地理位置及工程布置

1.2 水文概况

佛山市三水区乐平镇地处北江水系，北江主流在三水芦苞镇、西南街道分流入芦苞涌、西南涌至官窑附近汇合流入珠江。三丫涌是乐平镇境内沟通乐平涌与左岸涌的一条大致呈东北—西南走向的主干涌道，起点位于河南村附近接乐平涌，终点于竹山岗附近接左岸涌，三丫涌全长约10.1km，现状底宽5～15m，全程平均坡降约5.3/10000。乐平涌水系是沟通芦苞涌和西南涌的涌系，北部由乌岗总干涌接芦苞涌，经白土涌、独树岗涌和乐平涌后汇入乐平涌，最后经海州水闸流入西南涌。西边涌是乐平涌的主干支涌之一，起于乐平涌清湖站附近，出三水农场黄花窦后止于左岸涌，全长约6.17km。

1.3 运行调度

乐平镇水系连通工程区域范围外江承泄区为西南涌、芦苞涌，内河涌有乐平涌、西边涌、三丫涌、左岸涌等主支干河涌，这些主支干河涌与支涌、围内水塘、湖泊相互沟通，共同组成了河网水系。汛期排涝情况下，河涌内水流受外江水位、内部涝水量及边界水利工程调度等方面的影响，使得水流流向往复不定，难以准确划分各排水河涌排水范围，同时由于计算区域集雨面积较大，使得排水时水面比降因素不能忽略。根据工程建设要求，河涌低于河涌控制水位3.244m，所有智能井开启，旋转堰门关闭。当大同湖水位1.0，1.4，0.95m时，一体化泵井分别开启一台泵、二台泵和停泵。当河涌水位高出控制水位3.244m时，关闭所有水泵、智能井。若大同湖水位低于1.4m时，开启所有旋转堰门，河涌水进入大同湖；当大同湖水位达1.4m，由管理部门及政府应急部门决定是否继续开启旋转堰门，将洪涝水引入大同湖。

2 研究方法及模型建立

2.1 研究方法

河网非恒定流水力计算是一种先进的基于对一维河网水流物理运动的数学方法描述，并利用数值计算方法求解微积分方程组，进而通过方程组数值解动态反映河网水流运动状态的方法，计算结果包括各断面实时水位、流量等。本项目计算采用河网一维非恒定流水力计算推求河道断面水位、流量，计算在丹麦水力学研究所开发的MIKE11软件平台上进行。

2.2 河网概化

河网概化包括河道概化、控制建筑物概化。河网概化遵循突出主干河道，保留需重点研究的非主干河道，并使概化后河网的河道容积与实际河道容积基本上保持一致，概化河道断面过流能力、控制建筑物规模及调度情况与实际情况相一致的原则。本工程计算概化河道26条，概化控制建筑物8处。经过概化，河网共有水位计算节点95个，流量计算节点56个。

2.3 边界条件

工程MIKE模型边界分为内边界和外边界。其中内边界主要为进入到工程范围内河网的降雨径流，在暴雨来临前内河涌设计为常水位1.744m时开始预排；设计河涌断面初始流量和控制建筑物分别为0.0m3/s和关闭状态。工程范围外边界条件仅考虑作为泵站排涝，工程构筑物如水闸暂不作考虑。

2.4 模型工况

工程采用MIKE11进行整体河网模拟计算，根据规划区域地形图及河涌布局，建立河网水力计算模型，将内涌设计暴雨洪水过程线输入模型进行排涝演算，模拟在不同工况运行下大同湖的运行调度规程及乐平涌左岸涌片区的排涝体系情况，如表1。

表1 模型不同工况模拟防洪调度运行

3 结果与分析

3.1 排涝影响分析

根据MIKE模型模拟结果，当大同湖参与防洪排涝调度下（工况1、工况3～工况5），片区最高水位分别为2.953，2.957，3.037，3.106m，满足规范控制水位要求；当大同湖不参与防洪排涝调度（工况2），片区最高水位为3.25m，稍高于控制水位。

大同湖在一定条件下参与防洪排涝调度，相应的最高水位随着大同湖开闸水位的增加而逐渐升高，此时均能低于控制水位，表明大同湖开闸水位越低越有利于涝区的防洪排涝安全；另一方面，工况1和工况3模拟下，大同湖最高水位分别为2.953，2.957m，水位基本一致，表明大同湖提前预排有利于整体防洪排涝，但牺牲了大同湖部分水环境效益。工况4和工况5最高水位分别为3.037，3.106m，两者最高水位无显著性差异，表明大同湖外水位可设计为2.744m作为开闸水位，在暴雨强度下能满足控制水位要求，保障周边区域的防洪排涝安全。

进一步分析表明，在工况6和工况7下，现状排涝条件并遭遇10年一遇设计暴雨时，大同湖建成前后片区最高水位分别为4.915，4.018m，高于规范控制水位；但建成后比建成前水位降低了0.897m，表明大同湖防洪排涝效益明显。模型不同工况模拟下最高水位计算如表2，工程不同工况下MIKE模型的模拟成果如图2。

图2 工程不同工况下MIKE模型的模拟成果

表2 模型不同工况模拟下最高水位计算

3.2 防洪影响分析

根据MIKE模型对不同工况下模拟计算分析结果，在现状排涝体系并遭遇10年一遇设计暴雨时，大同湖建成前后片区最高水位分别为4.915m和4.018m，水位降低0.897m，表明大同湖能够增加整个河网的水面面积，有利河网防洪排涝。在规划排涝体系并遭遇30年一遇设计暴雨时，大同湖在一定水位条件下参与防洪排涝调度有利于整个河网水系，外水位≥2.744m时，开闸引水入湖，片区最高水位3.106m，满足规划水位要求；完全不参与排涝调度时，片区最高水位3.25m，超过控制水位，有洪涝风险。

虽然西边涌、三丫涌现状河涌水质不能满足大同湖进水水质达到Ⅳ类水的标准，当大同湖不参与防洪排涝调度时，周边区域最高水位超过控制水位，另结合涝区现状的排涝体系情况，建议大同湖参与防洪排涝调度。因此，在满足日常运行调度的前提下，周边区域遭遇暴雨时，大同湖应参与片区的防洪排涝调度，保障区域的防洪排涝安全，牺牲短时间内水质环境效益换取大范围防洪排涝效益，特别是现状排涝体系尚未完善而极端天气频发的情况下，大同湖参与防洪排涝调度重要性更加突出。

3.3 工程设计影响分析

乐平镇水系连通工程主要水工建筑物包括大同湖、3座旋转闸门和1座一体化泵站，3座旋转闸门上下游设置5～10m护底段以防冲刷；硬质驳岸挡墙墙身采用素混凝土，墙身高1.5m，墙顶标高1.744，墙顶与设计地面连接为放坡，坡度约1∶3，每隔15m设沉降缝一道，缝宽20mm，底板下设置4m长松木桩满足地基承载力；工程距离其他水利工程（丰岗水闸、海洲水闸、古云水闸和海洲电排站等）设施均超过10km。结合模拟工况，运行调度下最高水位对周边水利工程未造成不利影响。另一方面，两侧为三丫涌和西边涌，附近无取水口、码头等，不涉及饮用水源地，对周边水利工程无安全影响隐患。

4 结语

（1）结合佛山乐平镇水系连通工程，通过MIKE模型对不同运行工况下进行模拟，从排水排涝、防洪影响和工程设计影响等方面阐述大同湖的防洪效果。新建大同湖能够增加水域面积，有利于现状排涝体系；在10年一遇1d排干的标准和现状排涝条件下，大同湖使得洪水水位降低0.897m，防洪排涝效益明显；大同湖参与片区的防洪排涝调度，能够保障周边区域的防洪排涝安全。

（2）在水环境整治工程中，水系连通能够增加河网水系的调蓄能力，应重视和发挥调蓄湖在防洪中的作用，本工程将MIKE模型运用于不同工况下防洪水位的计算和分析，在最佳运行调度工况下发挥防洪能力，为类似工程项目提供借鉴。