基于MIKE11模型在智能化调度的感潮区模拟计算

刘志成，雷保曈

（1.广州市水务规划勘测设计研究院，广东 广州 510640；2.河南省水利勘测设计研究有限公司四川分公司，四川 成都 610000）

近年来，因全球气候变暖、冰川融化、内陆河涌注入海洋增多等原因，导致海平面上升显著[1]。我国广东省地区常年受风暴潮影响，造成人民生命财产安全受到威胁[2]。感潮区的河涌排涝与本身河涌涌容、外江高潮位、下垫面因素、地形特征、暴雨历时与暴雨强度、水闸泵站调度方式等原因密切相关。而与传统水文计算方法相比，MIKE11模型可以精准定位不同控制断面从而得出不同控制断面的水位流量过程线[3]，得出受涝危险区域。以广州南站周边水系为例，采用广东省综合单位线法、广东省洪峰流量经验公式、推理公式法三种方法相互结合计算不同排涝分区的设计洪水，并将实测外江潮位资料作为不同河口的外边界条件导入MIKE11模型，结合外江水闸泵站的调度方式，模拟南站周边水系不同河涌的水面线。

1 概况

广州南站周边水系密集，均属于中小型河涌，不同河涌之间相互交错，受潮汐作用明显。广州南站地处珠江三角洲冲积平原，地势低平，由北部向东南部倾斜，东北部多为浅丘台地，拥有大量农田果树；中南部是大片的冲积平原。南站区域内有省属气象站市桥站，市桥站多年平均降雨量为1650 mm，实测最大24 h雨量为390 mm。南站周边水系河涌自北向南分为3个排涝分区，共计河涌36条。排涝分区名为屏山河排涝区、石北围排涝区和古东村排涝区。本次模型的设计工况为内河涌排涝分区内发生20 a一遇的大暴雨时，外江遭遇多年平均最高潮位。

2 MIKE11模型与降雨径流模型耦合

2.1 降雨径流模型

本次模拟计算的设计暴雨均值Ht和变差系数CV，均通过《广东省暴雨参数等值线图》（2003版）查算得出[4]。广东省综合单位线法、广东省洪峰流量经验公式、推理公式法三种方法相互结合计算出南站周边不同排涝区的20 a一遇（P=5%）的设计洪水。根据经验得知，广东省综合单位线法适合大于100 km2以上流域汇水计算，广东省洪峰流量经验公式适合小于10 km2流域，而推理公式法适用于大于50 km2以上的汇水计算。从偏安全角度出发，本次设计洪水选择数值较大者代入模型。

2.2 MIKE11模型

2.2.1 基本原理

MIKE11软件是由丹麦DHI公司开发的用于河网计算、模拟河道水流一维运动的软件，具有精确模拟、可靠性强等特点[5]。本文将MIKE11的HD模块与广东省综合单位线法、广东省洪峰流量经验公式、推理公式法的设计洪水结果进行耦合计算，作为模型搭建的主干结构。MIKE11的模型利用Saint－Venant（见式1）的有限差分法进行离散，计算不同点的流量和水位来模拟水流的流动[6]。

式中：h为水位，m；A为过水面积，m2；q为支流流入或流出，m3/s；R为为水力半径，m；Q为过水流量，m3/s；C为Ch zy系数；α为动能校正系数。

2.2.2 模型参数设定

（1）Network和Cross-section参数文件

综合考虑1∶500地形图、现状排水管网、现状土地利用规划画出南站周边水系排涝分区，将整治后的河道断面文件与水系布局线位导入MIKE11 Sim11文件里。

（2）Boundary

Open边界：南站周边水系里不同河道出口处外江潮位采用附近潮位站大石站的多年平均最高潮位作为河涌的开边界条件。

Point边界：采用通过广东省综合单位线法、广东省洪峰流量经验公式、推理公式法计算出不同排涝分区的设计洪水。

Distribute边界：将设计洪水分割成不同河段并且均匀加入到河网文件里[7]。

Closed边界：该处水流流速为0，形成闭合[8]。

由南站周边河涌设计洪峰模数与面积曲线比可知，设计洪水模数随着排涝片面积的增大逐渐减缓，符合暴雨与下垫面的一般规律。

（3）HD文件

通过研究调查南站周边水系不同的河道断面资料，河道土壤特征、植被覆盖绿化状况来率定模型糙率。为了更好的迎接暴雨的来临，模型起调水位选择景观常态水位以下50 cm以方便腾空涌容。

（4）Simulation Period

南站周边水系水动力学模型的模拟时间需将设计洪水与潮位边界相对应。模拟时间为5天，模型输出结果时间设定为每分钟输出一次结果。

（5）Structures

南站周边水系建筑物包括水闸、泵站、桥梁、堰以及箱涵。

（6）智能化调度

模型计算时，将整个排涝区当成一个整体系统。当外江水位处于低潮位时且内涌水位已大于景观水位，则打开水闸，利用潮汐动力将内涌河水重力自排；当外江潮水位高于内涌水位且内涌水位低于景观水位时，排涝区的所有水闸全部处于关闭状态抵抗外江洪水，形成统一的闭合系统；当外江潮水位高于内涌水位时且内涌高于景观水位时，逐级打开排涝片区泵站，通过泵站抽排涝水，直至恢复到常态景观水位为止。

3 模型计算结果

将广东省综合单位线法、广东省洪峰流量经验公式、推理公式法计算的设计洪水与MIKE11模型耦合，可得出南站周边水系的P=5%的设计水面线。通过设计水面线的展示结果，可得出南站周边水系不同排涝片区的排涝极限水位。北部大石排涝区极限水位为7.5 m，中部屏山河排涝区为8 m，南部古东村排涝区为7.5 m。

通过对比周边测站大石站与市桥站的水文气象数据，和调查广州南站不同排涝分区的洪痕和水浸内涝点来验证模型的合理性。结果表面，模型结果与现状实际情况相符，计算结果可以为南站周边区域城市竖向标高制定和城市排水规划提供参考。

4 结论与建议

文章采用了MIKE11水动力学模型与广东省综合单位线法、广东省洪峰流量经验公式、推理公式法的设计洪水相互耦合，计算了广州南站周边水系的整治后的排涝极限水位，得出以下结论：

（1）感潮区河网计算需考虑内洪与外江潮位相互结合的最不利工况。在接到天气预报消息后，提前通过水闸与泵站自排将排涝片区的水位预排50 cm，以腾空涌容，更好的迎接风暴潮所带来的影响。

（2）广州南站河网区的河涌，地势平坦，相互连通性强。当发生洪涝灾害时，需整体考虑排涝片区的洪水，将整个水系当成一个完整的系统。在防洪工况下，关闭排涝区域内所有水闸，防止外江水的涌入给排涝分区带来危害。在排涝工况下，通过水闸与泵站相结合，灵活调度，控制涝区洪水。

（3）南站周边地势较低，常常由于外江高潮位的影响，内河涌顶托不能自行外排，建议在排涝区河涌出口处新建泵站，缓解排涝压力。

（4）针对排涝区不同的内涝点，有条件的可建设二级泵站，将涝水排入河涌，缓解内涝灾害。