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        MIKE11模型法和“平湖法”在平原河網區(qū)調蓄演算中的對比分析

        2021-11-04 01:51:12
        廣東水利水電 2021年10期
        關鍵詞:泵站模型設計

        趙 蕾

        (廣東珠榮工程設計有限公司,廣州 510610)

        隨著快速城市化發(fā)展,土地原有用途發(fā)生改變,下墊面條件發(fā)生變化,整體建立排澇模型進行調蓄演算分析,確定泵站的排澇能力,對滿足城市防洪排澇要求,高標準河涌治理有重要意義。平原河網區(qū)調蓄演算主要包括Mike11模型法和“平湖法”,Mike11模型法利用MIKE軟件水動力模塊(HD)建立蓄排澇數(shù)學模型進行計算;“平湖法”采用水量平衡法進行調蓄演算,兩方法在平原河網區(qū)調蓄演算中均應用廣泛。本文以東莞市交椅灣河網區(qū)為例,采用兩種方法進行對比計算分析。

        1 工程概況及邊界條件

        1.1 工程概況

        東莞市交椅灣河網區(qū)位于出???,區(qū)域受外潮頂托,內澇嚴重。項目區(qū)涉及河涌9條,排水出口分別建東泵閘、西泵閘和沙涌水閘,以滿足區(qū)域防潮排澇要求。東泵站設計流量為100 m3/s,東水閘凈寬為 30 m,西泵站設計流量為172 m3/s,西水閘凈寬為 50 m,沙涌水閘凈寬為30 m(見圖1)。

        圖1 項目區(qū)工程布置示意

        1.2 邊界條件

        1) 設計洪水過程線

        本項目各河涌設計洪水采用推理公式法計算成果,各河涌20年一遇洪水過程線見圖2。

        圖2 各河涌20年一遇洪水過程線示意

        2) 內涌水位

        最低運行水位:根據(jù)《泵站設計規(guī)范》(GB 50265—2010),最低運行水位應滿足調蓄區(qū)預降最低水位要求。根據(jù)《東莞市濱海灣新區(qū)防洪排澇專項規(guī)劃》,調蓄區(qū)預降最低水位為-0.5 m,最低運行水位取-0.5 m。

        最高控制水位:長安鎮(zhèn)南部地塊高程在2.2~3.5 m,交椅灣新河20年一遇最高水位宜控制在1.5 m,以保證長安鎮(zhèn)南部片區(qū)不受澇。

        設計運行水位:根據(jù)《泵站設計規(guī)范》(GB 50265—2010),當泵站前池與調蓄區(qū)相連時,以調蓄區(qū)設計低水位與設計蓄水位的平均值作為設計運行水位,設計運行水位為1.0 m。

        3) 洪潮遭遇工況

        根據(jù)《廣東省防洪(潮)標準和治澇標準(試行)》中相關規(guī)定,結合水文站歷年降雨、潮位資料分析,本項目洪潮遭遇工況采用內涌20年一遇洪水遭遇外海5年一遇潮位過程(見圖3),峰峰相碰。

        圖3 外海5年一遇潮位過程線示意

        4) 調度原則

        根據(jù)暴雨預報,在暴雨來臨前,通過東、西泵閘將新河水位預排至-0.5 m,若外海潮位低于新河內水位則開水閘自排;若外海潮位高于新河內水位,則關閉水閘,打開泵站抽排。

        2 Mike11模型法

        2.1 計算原理

        Mike11水動力模塊采用6點Abbott~Ionescu有限差分格式對圣維南方程組求解。圣維南方程組其連續(xù)和動量方程如下:

        (1)

        (2)

        式中:

        Q、A——流量和河道斷面面積;

        q、x、t——河道側向來水流量、沿水流方向的橫坐標和時間;

        g、h——重力加速度和水位;

        R、C——水力半徑和謝才系數(shù)。

        圣維南方程中的連續(xù)性方程和動量方程通過有限差分法進行離散,計算網格由流量點和水位點組成,其中流量點和水位點在同一時間步長下分別進行計算。計算網格由模型自動生成,水位點是橫斷面所在的位置,流量點位于兩個相鄰水位點之間。

        2.2 模型建立

        Mike11水動力模型數(shù)據(jù)文件包含河網文件、斷面數(shù)據(jù)、邊界條件和模擬參數(shù)文件。

        2.2.1河網文件

        本項目河網概化包括河道概化和建筑物概化。

        1) 河道概化

        河網結構的設計需要洞察模擬區(qū)域的水力學要素,并理解模型如何工作。1個河網包括河段、節(jié)點、網格點、數(shù)字點等,本項目區(qū)河網包含河涌10條,根據(jù)實測地形圖繪制河網結構,分別設置各河涌Topo ID、上游端點里程、下游端點里程、河道類型、上下游與其他河道的連接信息等(見表1)。

        表1 各河涌基本參數(shù)

        2) 建筑物概化

        建筑物概化應表明建筑物的主要特征,包括水閘閘底板高程、水閘孔數(shù)、單孔凈寬、泵站流量等,本次共設置2座泵站,3座水閘。各建筑參數(shù)設置見表2所示。

        表2 各建筑物特征參數(shù)

        Mike11中泵站的模擬分為泵(Pumps)和控制性建筑物(discharge)。泵模式設置簡單,靈活性較差,適用于工況簡單,外江水位比較固定河段。控制性建筑物模式調度運行比較豐富靈活,精準度高,適用于建筑物較多,調度運行規(guī)則較復雜,外江水位變化較大的河段。本項目外江為感潮區(qū),24 h潮位為不規(guī)則半日潮,且涉及建筑物較多,調度運行原則較復雜,因此推薦采用控制性建筑物模式。

        控制性建筑物應分別設置調度目標及優(yōu)先度、調度控制,調度目標優(yōu)先度通過Priority設置,值越小,優(yōu)先度越高,調度控制設置包括判斷條件(Logical Operands)、控制點和目標點(Control and Targetpoint)、控制點數(shù)值(Control Strategy)。

        2.2.2斷面文件

        本項目橫斷面文件采用實測橫斷面數(shù)據(jù),使概化后河網的調蓄容積與實際河網容積基本一致,主要參數(shù)包括河長、起始距、河床高程等。本次根據(jù)地形沿程變化,共設置100個斷面,斷面間距為100~300 m。

        2.2.3邊界條件

        邊界條件定義了模型與外部環(huán)境之間的相互作用。邊界條件必須離開關心區(qū)域足夠距離,以確保關心區(qū)域的某些因素改變不會影響邊界條件。

        本項目邊界條件包含開邊界和附加邊界,開邊界為外海5年一遇潮位過程;附加邊界為各河涌20年一遇設計洪水過程,采用分布源邊界條件(Distributed Source)。

        2.2.4模擬參數(shù)文件

        模擬參數(shù)文件主要定義模擬的初始條件和河床糙率。本項目初始水位為-0.5 m,時間步長選用10 min,滿足克朗數(shù)小于10的要求。根據(jù)《水力計算手冊》(第二版),本項目涉及河涌順直、無沙灘、無潭,糙率選取0.03。

        2.3 模型成果

        經計算,泵站總設計流量272 m3/s,其中西泵設計流量為172 m3/s,東泵設計流量為100 m3/s;閘孔總凈寬為130 m,其中西水閘50 m、沙涌水閘50 m、東水閘30 m時,交椅灣新河最高水位為1.48 m,各河涌水位過程線見圖4,東泵站出流流量過程見圖5,西泵站出流流量過程見圖6。

        圖4 各河涌水位過程線示意

        圖5 東泵站流量過程示意

        圖6 西泵站流量過程示意

        3 “平湖法”

        3.1 計算原理

        “平湖法”一般用于平原區(qū)比降較緩的澇區(qū)確定水閘、泵站的規(guī)模,將澇區(qū)內的河涌等具有調蓄作用的水域作為同等容積的湖泊來對待,在水閘、泵站排水時,僅引起河網水體水平升降,忽略水面比降,采用以水量平衡為基本原則進行調蓄計算,通過反復試算確定合理的水閘、泵站規(guī)模。其計算公式如下:

        V末=V初+Q-Δt-q-Δt

        (3)

        式中:

        V末——時段末蓄澇容積;

        V初——時段初的容積;

        Q——時段平均入流量;

        q——平均泄流;

        Δt——計算時段。

        3.2 水域概化

        對于“平湖法”,水域概化就是建立澇區(qū)內河網的綜合水位—涌容關系曲線。本項目參與調蓄的河涌包括交椅灣新河、廈崗涌、孖斗涌、賽古涌、坭涌、上沙正涌、沙涌、苗涌及龍涌,根據(jù)河道測量資料及地形圖計算出本項目水位—涌容曲線成果如圖7所示。

        圖7 本項目水位—涌容曲線示意

        3.3 計算成果

        經計算,泵站總設計流量為268 m3/s,其中西泵設計流量為170 m3/s,東泵設計流量為98 m3/s;閘孔總凈寬為130 m,其中西水閘50 m、沙涌水閘50 m、東水閘30 m時,交椅灣新河最高水位為1.48 m。

        4 Mike11模型法與“平湖法”的對比分析

        1) 原理分析

        Mike11模型法的計算原理為非恒定流,采用圣維南方程組進行計算;“平湖法”計算原理為水量平衡法。

        2) 成果差異分析

        根據(jù)表3,Mike11模型法泵站總設計流量成果為272 m3/s,“平湖法”為268 m3/s,成果差異的主要原因分析如下。

        表3 Mike11模型法和“平湖法”計算成果對比

        “平湖法”中各條河涌來水流量過程按峰峰疊加考慮,忽略了澇區(qū)各河涌洪水匯流及演進過程;Mike11模型法將附加邊界條件(各河涌設計洪水過程)設置為分布式邊界條件(Distributed Source),且模擬過程中一定程度上考慮了洪水匯流及演進過程;“平湖法”較Mike11模型法來水洪峰高,但澇區(qū)內洪量基本一致,兩方法進入交椅灣新河總洪水過程線見圖8。

        圖8 兩方法總洪水過程線示意

        Mike11模型法和“平湖法”均可根據(jù)來水流量、水泵水位~流量關系、河涌容積等試算泵站出流流量。匯入交椅灣新河水量越多,新河水位越高,泵站出流流量越大。由于0~10 h來水流量Mike11模型法較“平湖法”小,泵站出水流量及排水量也較小,同時由于澇區(qū)總水量一致,10~24 h待排水量Mike11模型法較“平湖法”大,內河涌最高控制水位相同情況下,泵站出水流量及排水量Mike11模型法較“平湖法”大(見圖9)。

        圖9 兩方法泵站出流流量過程示意

        經分析,Mike11模型法考慮了各河涌洪水匯流及演進過程,計算過程更符合實際情況,成果相對合理。

        3) 多泵站聯(lián)排分析

        針對同一澇區(qū)由多泵站聯(lián)合排澇情況,為使項目區(qū)內澇水均衡自各排澇泵站排出,Mike11模型法以水位為控制條件可同時試算各泵站設計流量;“平湖法”應先試劃分各泵站排澇分區(qū),各排澇分區(qū)以水位為控制條件分別試算各泵站設計流量。較Mike11模型法,“平湖法”計算量大、繁瑣。

        4) 工程經濟性分析

        Mike11模型法可推算出項目區(qū)各河涌各斷面水位,“平湖法”僅能計算出項目區(qū)平均水位。針對澇區(qū)大,內河涌較長的堤防整治工程,Mike11模型法可準確提供河涌各斷面水位,為堤頂高程設計提供充實依據(jù),進而優(yōu)化項目工程量,較“平湖法”準確度高且經濟性優(yōu)。

        綜上,Mike11模型法法考慮各河涌洪水匯流及演進過程,成果更合理;針對多泵站聯(lián)排澇區(qū),計算簡單且工作量?。荒苡嬎愠龈骱佑扛鲾嗝嫠?,計算成果完善,有利于節(jié)約工程投資,平原河網區(qū)調蓄演算推薦采用Mike11模型法。

        5 結語

        1) 通過建立項目排澇區(qū)域水動力模型,對20年一遇暴雨遭遇外海5年一遇潮位進行了調蓄演算,MIKE11模型法和“平湖法”計算成果表明擬定的泵站、水閘規(guī)模滿足項目區(qū)域排澇要求。

        2) 對于平原河網區(qū)調蓄演算,Mike11模型法和“平湖法”計算成果差異不大,Mike11模型法考慮各河涌洪水匯流及演進過程,計算成果更合理。

        3) Mike11模型控制性建筑物(discharge)模式調度運行比較豐富靈活,精準度高,泵(Pumps)模式設置簡單,外江水位變化較大且建筑物調度運行復雜區(qū)域建議采用控建筑物(discharge)模式進行模擬計算。

        4) Mike11模型法較“平湖法”在平原河網區(qū)調蓄演算中計算量小,能夠計算出各河涌各斷面設計水位,成果更完善合理,有利于節(jié)約工程投資。

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