基于MIKE21的变电站洪涝灾害评估研究

刘 强，孙才华

(国网河南省电力公司，河南 郑州 450052)

电力行业是对气象高敏感和高需求性的行业。近年来，随着气候变暖加剧，全球水循环加速，频繁发生的极端天气气候事件引发的气象灾害不断加剧[1-2]，严重威胁电网的正常稳定运行。

河南电网居于华中、华北、西北联网枢纽地位，在“西电东送、南北互供、全国联网”格局中处于重要位置，河南省共有覆盖全部地市的500 kV变电站47座，特高压换流站4座，变电站的安全运行对电网至关重要。然而，随着城市的发展，早期位于城区远郊的变电站逐渐已被城市包围，随着房屋、道路的修建，变电站周边下垫面条件发生巨变，其水文、排水、径流等条件与建站初期已经发生较大变化，在发生设计标准洪水时，变电站存在发生站外洪涝影响及站内积水的风险，抵御洪涝水的能力具有较大不确定因素，存在安全隐患。

在上述背景下，以助力精准防汛为出发点，以国家电网朝歌500 kV变电站为例进行洪涝灾害评估研究工作，以期满足现有防汛管理工作的要求，为运维管理人员的组织、安排、决策提供了支撑。

1 变电站及区域自然地理概况

1.1 变电站概况

朝歌变电站位于鹤壁市东南部浚县境内，西北距鹤壁淇滨区约9.0 km，东距浚县城区约14.0 km，西距钜桥镇约7.0 km，北距S305省道约250 m；站址西南距离淇河约9.0 km，东南距共渠西滞洪区、共产主义渠分别为2.1、4.9 km。站址区域位于低山丘陵区的岗坡地上，地形平坦开阔，地势由西北向东南倾斜，自然地面高程+86～+92 m，区域自然条件下排水通畅，自然排水方向为西北至东南。变电站及门口管涵位置如图1所示。

图1 变电站及门口管涵位置Fig.1 Schematic diagram of substation location

1.2 区域自然地理及水文气象概况

鹤壁市地处豫北地区，为海河流域，东、西、北三面与安阳市相连，南面与新乡市接壤，属太行山与平原过渡的浅山丘陵地区。地势西高东低、北高南低，市区以东海拔+100～+200 m；以西为低山丘陵，海拔+800 m以下；以北为丘陵地区，海拔+200 m以上；南部以平原为主。站址区域位于鹤壁市淇滨区与淇县、浚县之间。流经该区域内主要河流有淇河、思德河，皆为卫河(共产主义渠)支流，其中对站址防汛工作影响较大的是淇河、共产主义渠及共产主义渠西滞洪区,位置关系如图2所示。鹤壁市属暖温带半湿润型季风气候，由于受地形和季风影响，气候地区性差异较大。该区的气候特点是：四季分明、雨热同季，冬季干冷雨雪少，春季干旱风沙多，夏季炎热雨充沛，秋季气爽季节短。多年平均气温14.2 ℃，极端最低气温-17.5 ℃，极端最高气温42.2 ℃，多年平均降水量636.5 mm，历年最小降水量300.6 mm，最大降水量1 366.5 mm，多年平均无霜期220 d，多年蒸发量1 929 mm。因受季风气候和地形的影响，区域降水时空分布不均，主要集中在汛期，6—9月降水量占全年降水量的74%；区域分布上西部山区大于东部平原区。

图2 朝歌变与淇河、共产主义渠、共渠西滞洪区位置关系Fig.2 Location schematic between Zhaoge substation and Qi River，and Gongquxi basin

2 站外防涝评估

2.1 地表水二维数值模型

MIKE系列模型由丹麦水利研究所开发，用于洪水演进、城市内涝[3-4]、水质模拟[5-6]等方面。MIKE21是迄今拥有最多功能的二维水域物理、化学或生物学过程的模拟工具[7-11]。MIKE21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境问题[12]。MIKE21水动力学模块计算原理依据的是描述水流运动的二维非恒定流方程组，共包括3个方程[13]：水流连续性方程、水流沿x方向的动量方程及水流沿y方向的动量方程，形式如下[14-15]：

根据以上方程组，利用迭代法求解即可得到每一时刻在(x，y)处的水位z、水深h以及x、y方向的流速u、v。

2.2 模型概化

为了能够准确模拟变电站周边的洪水过程，从整个流域的角度分析区域内的补给、径流、排泄条件。经过初步分析，模型的北边界定在S26范辉高速，西边界为G4京港澳高速和淇河，南边界为S305省道，东边界为共产主义渠。模型面积近200 km2，模型范围如图3所示。

图3 初步模型范围Fig.3 Preliminary model range diagram

将S26范辉高速、G4京港澳高速概化为闭边界；由于模型范围内淇河达不到100年一遇，故发生100年一遇洪水时，淇河按漫溢考虑，模型中将淇河概化为固定水头边界，水头值为高出堤顶0.5 m，分段赋值；南边界及东边界地势较低，为模型排水出口，概化为固定水头边界，水头值为地面高程+0.3 m。朝歌变区域高程远高于淇河堤顶、南边界以及东边界高程(>15 m)，因水位边界影响范围有限，不足以影响主要研究区域内的模拟成果，故不再对下边界条件进行率定。

根据原模型的运行结果与流场的分布情况，对模型的边界进行缩小和优化。模型西边界根据实际地形及模拟结果取分水岭位置；北边界和南边界沿流场的走向取边界；东边界取在共渠西滞洪区边界位置处。将南、北以及西边界概化为闭边界，东边界概化为固定水头边界。模型剖分控制网格边长35 m以内，面积1 000 m2以内；对变电站周边300 m范围重点区域二次加密，网格边长20 m，面积200 m2以内；对进站道路西侧约10 m至东侧河沟范围二次加密，网格边长0.5 m以内，面积0.2 m2以内。变电站周围采用航飞地形图高程点、其余采用河南省1∶5 000高程数据进行网格高程插值，对插值结果进行检查并修正奇异点高程，得到模型范围地形云图。模型范围内可能阻碍洪水演进的线性地物为S305省道，根据实际高程将其刻画到模型中，道路上分布的涵洞也根据实际位置尺寸布置。村庄糙率10%，其他区域糙率6%,模型概化示意如图4所示。

图4 模型概化示意Fig.4 Schematic diagram of model generalization

2.3 计算方案及结果

模型设置4个计算方案，计算变电站周边重要位置处的水位、水深、流速等，方案设置见表1，净雨计算成果见表2。

表1 方案设置Tab.1 Scheme settings

模型共设置9处重要位置水文要素观测点，分别为朝歌变电站8个拐角的坐标以及变电站进站门口。水位观测点及增加挡墙如图5所示。

经模拟计算，各方案最高水位及最大水深成果见表3，表3中水位、水深、流速均为最大值。

表2 计算区域净雨过程Tab.2 Net rain process of computational domain

图5 水位观测点及增加挡墙示意Fig.5 Schematic diagram of water level observation points and added retaining wall

表3 各方案模拟成果Tab.3 Simulation results of each scheme

(1)方案1。变电站门口的排水涵洞过流能力不足，变电站门口淹没水深达0.81 m。发生100年一遇洪水时，大门口西北侧最大来水流量为1.54 m3/s，排水涵管的最大排水流量为0.52 m3/s，排水能力不足。

为解决上述问题，拟采用2种方法进行处理：①增大涵洞直径；②于进站道路西侧高地上修建挡水墙，改变进站道路西北向来流的径流方向，使雨水沿西围墙向南排泄。

(2)方案2。在进站道路西侧高地上修建挡墙，现状条件下，暴雨期间，变电站西围墙和西北围墙最大淹没水深不超过0.15 m，考虑到修建围墙之后水位的上涨以及水流的波动，设置挡墙高度为0.3 m，挡墙的范围是从进站门口西侧转角一直延伸到省道S305，挡墙长度约235 m。①加入挡墙后，西北侧来流沿挡墙及变电站西围墙、西北围墙向南流动，最后排入变电站东南侧洼地。②增加挡墙后，变电站西围墙北侧水位增高0.08 m，西围墙南侧水位增高0.01 m；水位稍微增加，但增加的幅度很小。③增加挡墙之前，变电站西北角、西南角外流速分别为0.13、0.38 m/s；增加挡墙之后，变电站西北角、西南角外流速分别变为0.33、0.49 m/s。流速稍有增加，但整体流速依然很小，无需考虑对变电站围墙的冲刷影响。

(3)方案3。当涵洞直径增大到1.0 m时，涵洞过流能力增加，但仍不能满足过流能力要求，变电站门口的最大淹没水深降低为0.58 m，变电站门口积水不再没过进站道路东侧地面汇入河沟。

(4)方案4。当将涵洞的直径增加到1.6 m，管涵过流能力满足要求，变电站门口不再受洪水淹没影响。

暴雨过程流场如图6所示。

图6 暴雨过程流场Fig.6 Flow field diagram of rainstorm process

由于增加涵洞直径投资成本高，工程量大，协调难度大，而挡墙方案具有投资小，施工简单，效果明显等优点，故建议采用挡墙方案以解决暴雨期间变电站门口排水能力不足的问题。

若由于外部因素修筑挡墙难以实现，则建议对朝歌变门口现有检查井改造成截流井，保证洪涝雨季管涵不满足洪水流量时，洪水通过截流井溢流。截流井后设置排雨水泵池，收集截流井溢流洪水，经水泵提升排入河道，水泵总设计流量为1.5 m3/s。

3 站内洪涝监测预警

3.1 内涝算法模型定制

朝歌站内涝算法模型主要是针对朝歌站的站内排水能力、地形条件等情况进行定制的计算实时站内积水深度的算法，算法输入为15 min频率的降雨量数据，通过算法计算之后，输出当前的站内累计积水深度、排水时间等数值。内涝算法流程如图7所示。

图7 算法流程Fig.7 Algorithm flow

3.2 监测预警标准制定

监测预警主要是针对内涝算法模型输出的当前站内积水深度和降雨强度等结果进行监测，当监测得到的当前站内积水深度或降雨强度超过一定的阈值范围，系统就会发出预警提示信息，预警阈值范围的制定主要就是针对上述2个监测量。

(1)站内累计积水深度。站内累计积水深度预警分级见表4。

表4 站内累计积水深度预警分级Tab.4 Warning and classification of accumulated water depth in the station

(2)当前降雨强度。降雨强度预警分级见表5。

表5 降雨强度预警分级Tab.5 Warning and classification of rainfall

4 结论

针对近年来极端天气和精准防汛的需求，以朝歌站为对象，基于MIKE21水动力模型进行了变电站站外暴雨时整个流域内洪涝水的发生、演进过程，得到变电站周边区域内的水文要素的时空变化过程，从而准确获取变电站周边位置的主要水文数据信息。对不同计算方案进行了对比分析，并给出了站外防洪的具体方案。同时对站内内涝及站内积水进行监测预警研究，其结果可为运维管理人员的组织、安排、决策提供强有力的支撑，对其他变电站的防汛工作也具有一定的借鉴意义。