基于MIKE11模型的南方感潮区城镇内涝整治方案研究与应用

冯斯安

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510610）

我国东南沿海经济发达，区域开发建设程度较高，人口密度大，内涝灾害造成的经济财产损失和人员伤亡十分严重[1-2]。随着城市发展建设，城市水文特性发生相应改变，湖泊、河涌等调蓄水体遭受侵占，绿地、农田等透水地面被覆盖，使得下渗量减少，地表径流量增加，汇流速度增大，加之短历时暴雨、外江高潮顶托等极端气候频发[3]，当前排涝压力增大。基于上述城镇区位的重要性及内涝成因的复杂性，对南方感潮区城镇的内涝整治方案进行系统研究十分必要。

当前针对内涝整治有较多相关研究，赵蕾[4]对比分析MIKE11模型与“平湖法”在平原区调蓄演算中的应用，为工程设计及内涝整治方案提供指导；汉京超[5]等以温州市为例，针对温州市中心城区排水格局，分析当前市政排水与水利排涝各自存在问题及其标准不衔接现状，系统提出应对措施；唐造造[6]等构建广州市荔湾区一维水动力模型，研究不同的河涌整治方案对排涝整治能力的提升效果；邴建平[7]等针对平原感潮区复杂排涝问题，研究闸泵联调的排涝分析步骤，同时将改进的平湖法运用于蓄排涝计算中；侯燕[8]等基于MIKE、GIS软件耦合河网、排水管网及地表汇流，模拟开封市内涝积水点，为内涝风险预测及防治提供支撑。本文选取广州市深涌流域为研究对象，构建MIKE11一维河网水动力模型，分析深涌流域现状排涝能力，针对不同内涝点分析原因，研究河涌整治、水系连通、泵站建设等方案对排涝整治的效果分析，以期为南方感潮区城镇内涝整治研究提供参考借鉴。

1 研究区概况

深涌流域位于广州市天河区东部，集雨面积18.85km2。深涌流域北部为山丘，南临珠江前航道，属平原感潮区，受上游洪水冲击及下游潮水顶托影响明显。深涌流域地势北高南低，广九铁路横穿深涌流域，铁路以北为低丘陵台地，地面高程2.5—94m之间，铁路以南为冲积平原地带，地面高程在1.8—3.5m之间，水系自北向南汇入珠江，流域内有骨干水系11条，总长18.9km，深涌主涌及南支涌建有防潮闸共2座，总净宽33m，涌口现状无强排泵站，深涌流域水系及地形图见图1、图2。

图1 深涌流域水系图

图2 深涌流域地形图

深涌流域现在存在内涝问题，根据调查统计，2019年现状存在7处内涝点，1处市区级内涝布防点，4处街道内涝布防点，内涝分布点见图3。内涝点主要分布在广九铁路南北两侧及上游牛奶厂片区，内涝点较为严重为车天车地和吉山幼儿园，近年在2016年5月10日、6月8日、2017年5月7日、2018年6月8日、2021年5月31日皆有发生积水现象。

图3 深涌流域内涝点分布图

2 模型构建

深涌流域水系复杂，河涌水面线受围内径流、外江潮位及涌口水闸共同控制，本次采用MIKE11构建一维水动力模型，通过构建深涌流域网河模型及现场调研综合分析内涝成因，从全流域综合考虑提出排涝整治方案。

2.1 模型原理

构建深涌流域一维水动力网河模型，核心方程式为一维非恒定圣维南方程组[8，9，10]，圣维南方程组由连续性方程及动量方程组成，连续性方程反映河道水量平衡，动量方程反映水体运动规律。

2.2 模型计算范围

本次模型概化深涌流域11条骨干水系，涌口水闸为宽顶堰式水闸，结合相关工程报告设置水闸尺寸及调度参数，本次共收集河道断面313个，模型河网及河道断面概化图见图4。暴雨排涝工况闸站调度为：当外江潮位低于内河涌水位时，开闸排水，后期排涝整治方案规划在涌口建泵，当外江潮位高于内河涌警戒水位时，关闸开泵强排。

图4 水动力模型河网及断面概化图

2.3 边界条件

模型边界需设置上游汇流流量边界及下游水位边界。流量边界设置：深涌流域铁路以北为山丘台地，以南为冲积平原，结合区域地形水系及管网分布，将深涌流域分为15个子汇水区，铁路以北入流流量采用综合单位法计算，铁路以南平原区地势低平，且建设密度较大，采用径流系数法进行计算，各汇水分区流量边界做点源或沿程分布汇流边界。水位边界设置：深涌流域位于天河区东部，处于中大水文站和黄埔潮位站之间，河涌与外江交汇口取中大站及黄埔站潮位过程内插值，本次共收集中大站和黄埔站约50年的潮位统计数据，根据雨洪遭遇分析，深涌流域内洪水与外江洪水遭遇具有随机性，模型水位外边界采用河涌涌口5年及50年一遇外江典型潮位过程，见图5。

图5 珠江前航道水位站分布及深涌涌口典型潮位过程

3 河涌现状过流能力分析

当深涌流域发生暴雨，涝水自北向南排入珠江，构建一维水动力模型进行计算，深涌流域50年一遇设计洪水位成果见图6。深涌流域内河涌总长18.9km，根据计算成果，深涌流域现状共有8.1km河段满足50年一遇排涝标准，主要分布在深涌流域南部，河道较宽，5.9km河段过流能力严重不足，主要分布在深涌流域中部铁路沿线及北部，见图7。

图6 深涌流域各河涌现状洪水位

图7 深涌流域河道过流能力示意图

根据深涌流域现状过流能力计算，并结合现场调研进行分析深涌主要内涝点成因：①黄村内涝点成因主要为三丫涌河道过流能力不足，平均河宽为6m，无法承接上游2.91km2山丘区域及周边0.86km2城镇区域涝水，加之河涌左岸区域地势低洼，加剧内涝风险；②车天车地内涝点成因为地势低洼，周边区域涝水汇集于此，同时现状管网存在淤积现象；③珠村内涝点成因与黄村相似，中支涌局部河段仅宽3m，周边珠村局部地势在1.7—2.4m，低于或接近外江多年平均高潮位，易受洪潮水位顶托涝水难以自排；④吉山幼儿园内涝成因主要为左支涌过铁路渠箱缩窄至6m，过流能力严重不足，造成上游水位壅高；⑤华润天河内涝点主要成因为地块开发，土地硬质化地表径流增加，雨水管网不满足过流要求。深涌流域主要内涝点成因见表1。综上所述，深涌流域内涝成因有两点：①铁路南北两侧河道、渠箱等过流能力不足壅高水位；②铁路以南黄村及珠村等局部区域地势较低，易受外江洪潮水位顶托，导致排水不畅。

表1 深涌流域主要内涝点成因统计表

4 排涝整治方案研究

针对行泄通道过流能力不足问题，本文提出河道整治方案（河道拓宽、水系连通），针对局部地势低洼易受顶托问题，本文提出泵站建设的整治方案，并综合分析水系连通的必要性及泵站规模。

4.1 河道整治方案

深涌流域现状三丫涌、中支涌珠村段、宝山排洪渠及左支涌过铁路河段河道过流能力不足，右支涌、中支涌中下游段河道较宽，行洪能力充足，据此本文提出两种河道整治方案，见图8。方案1对三丫涌、宝山排洪渠、左支涌及中支涌等过流能力不足河涌共6.8km河段进行河道拓宽，方案2对三丫涌、宝山排洪渠、左支涌及中支涌共4.3km河段进行河道拓宽，并在铁路以北绿地范围内新建2.4km水系，连通左右支涌，并综合分析两种方案的优缺点，见表2。方案一需拓宽河道长度较大，如三丫涌两岸为居民住宅，拓宽难度较大，没有充分右支涌行洪能力，但不涉及新建水系，投资较小；方案二新建连通水系能够有效缓解广园路以北内涝问题，缩短汇流路径，同时可分流左支涌29m3/s及三丫涌上游40m3/s流量至右支涌，降低宝山排洪渠及左支涌35cm设计洪水位，减轻左支涌下游排涝压力，右支涌设计洪水位上升5—40cm，仍能满足排涝要求。

表2 深涌河道整治方案对比分析表

综合分析：方案一需拓宽河道长度较长，且河道两岸多为建成区，拓宽难度较大，方案二于铁路以北绿地内新建水系，具有可实施性，同时右支涌河道较宽，行洪能力充足，新建水系将左支涌涝水分流至右支涌，实现流域内洪涝风险分担，增强流域内河涌间的调控，效果更优。

4.2 泵站建设方案

深涌流域铁路以南70%区域面积低于3.0m，局部20%区域面积低于2.0m，当发生50年一遇以潮为主设计工况：流域内5年一遇设计洪水遭遇外江50年一遇设计高潮位时，铁路以南70%区域将遭遇洪涝风险，在发生50年一遇以洪为主设计工况：流域内50年一遇设计洪水遭遇外江5年一遇设计高潮位时，铁路以南20%局部地势低洼区域内涝严重，综上分析，涌口建强排泵站十分必要。

本文提出两种泵站建设方案：方案一在涌口建超大泵站解决以洪、以潮为主内涝问题；②方案二在涌口建设规模较小泵站，用于解决以潮为主工况外江高潮位顶托导致铁路以南大部分区域水浸问题，针对以洪为主工况地势低洼处易水浸问题，采用建设雨水泵站解决。

结合构建深涌一维水动力模型，综合分析两种泵站建设方案优缺点，见表3。方案一深涌涌口建设超大泵站解决以洪、以潮为主，需在涌口泵站规模需达到190m3/s，才能有效降低铁路以南区域设计洪水位至1.8m，在泵站规模减小至170m3/s时，内河涌设计洪水位与开闸自排接近水面线降低效果较低，且涌口泵站占地较大，对于上游局部地势低洼地难以保证地面涝水较快排入河涌；方案二深涌涌口建设泵站解决以潮为主工况外江高潮位顶托问题，涌口泵站规模较小，泵站占地面积小，可实施性强，但上游建设多座雨水泵站，难以管理。综合分析深涌流域泵站建设方案二优于方案一。

表3 深涌泵站建设方案对比分析表

根据构建深涌模型，计算方案二涌口泵站规模，分别计算以潮为主工况涌口泵站70m3/s、60m3/s、55m3/s、50m3/s 4种不同泵站规模深涌右支涌设计洪水位，见图9，根据计算成果，在涌口泵站70m3/s时，铁路以南最高设计洪水位在2.3m以下，较现状工况设计洪水位低0.6m，结合地势低洼地建设雨水泵站，可有效解决洪潮水位顶托涝水难以自排问题。

图9 涌口泵站不同规模深涌右支涌设计水面线

5 结论

本文针对南方感潮城镇区的内涝问题，以广州市天河区深涌流域为例，通过构建一维河网水动力模型模拟计算深涌流域设计洪水位，分析深涌流域现状存在问题，并进行排涝整治方案研究：

（1）分析深涌流域排涝现状，深涌流域现状共有8.1km河段满足50年一遇排涝标准，主要分布在深涌流域南部，5.9km河段过流能力严重不足，主要分布在深涌流域中部铁路沿线及北部。深涌流域内涝主要成因为：①广九铁路切断南北流向水系，同时受两岸房屋侵占及城市开发建设影响，过路桥涵及河道束窄严重，过流能力严重不足；②局部地势低洼，易受外江潮位及内河洪涝水位顶托。

（2）本文提出包含河道拓宽及水系连通的河道整治方案，水系连通能够充分充分利用右支涌的行洪能力，将左支涌及宝山排洪渠分流29m3/s至右支涌，减轻其下游排涝压力，实现流域内不同河涌间的洪涝风险分担，增强调控，同时减少建成区河道拓宽长度，具有可实施性。

（3）本文提出涌口泵站建设方案，以解决外江高潮位顶托局部地势低洼内涝问题，并综合对比分析，深涌流域涌口泵站规模达到70m3/s，可解决外江高潮位顶托问题，在以潮为主工况铁路以南河道设计洪水位由3.0m降低至2.3m，再结合雨水泵站解决局部地势低洼区域涝水难以自排问题。□