伍 希

(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510640)

1 概述

近年受全球氣候變化影響，極端天氣頻繁發(fā)生，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。如2021年鄭州“7.20”暴雨，降雨量累計(jì)達(dá)到732 mm，其中小時(shí)降水量最大達(dá)到201.9 mm，更是創(chuàng)下歷史極值[2]。鄭州此次極端降雨過程引發(fā)了嚴(yán)重的城市內(nèi)澇問題，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成了不可估量的損失[3]。

沿海地區(qū)由于極端天氣造成的洪澇災(zāi)害尤為嚴(yán)重[4]。以廣州市為例，該地區(qū)常受臺(tái)風(fēng)侵襲，造成河口潮位暴漲，如2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”，中大站最高潮位達(dá)到3.27 m，為建站以來(lái)最高記錄值[5]。同時(shí)，廣州地處南亞熱帶，雨量豐沛，汛期暴雨頻發(fā)，如2020年廣州市增城區(qū)的“5.22”及“6.8”兩場(chǎng)特大暴雨，均造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失以及廣泛的社會(huì)關(guān)注[6]。又由于廣州位于珠江河口地區(qū)，其上游北江、東江的洪水經(jīng)由市內(nèi)眾多水道入海，因而還受到外江洪水侵?jǐn)_[7]?；谝陨戏治?，廣州市存在暴雨、洪水、臺(tái)風(fēng)三碰頭的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)城市水安全保障提出了極大的挑戰(zhàn)。

應(yīng)對(duì)由于極端天氣造成的城市洪澇災(zāi)害問題，一直是廣州市水務(wù)發(fā)展的重要研究課題。受外江潮(水)位頂托影響，城市部分片區(qū)的澇水往往無(wú)法自排，需在河口建設(shè)排澇泵站。以往泵站工程多采用“平湖法”[8]進(jìn)行調(diào)蓄計(jì)算，以確定設(shè)計(jì)流量以及相關(guān)特征水位。由于“平湖法”僅從水量守恒角度分析計(jì)算，未考慮河道水動(dòng)力因素，在應(yīng)用于河口泵站工程時(shí)，常出現(xiàn)泵站設(shè)計(jì)流量與上游河道過流能力不匹配的現(xiàn)象，造成工程無(wú)法實(shí)現(xiàn)既定排澇目標(biāo)。水動(dòng)力模型同時(shí)滿足水量和動(dòng)量守恒[9]，將其應(yīng)用于泵站規(guī)模論證，可有效避免上述問題。

MIKE11模型是較成熟的商業(yè)軟件，其水動(dòng)力學(xué)(HD)模塊可對(duì)各類一維非恒定流問題進(jìn)行模擬計(jì)算[10]。本文以廣州市海珠區(qū)大干圍泵站工程為例，應(yīng)用MIKE11 水動(dòng)力學(xué)(HD)模型，論證泵站規(guī)模及特征參數(shù)。

2 工程概況

工程位于廣州市海珠區(qū)西南部石溪排澇片區(qū)，總集雨面積為2.50 km2，區(qū)內(nèi)主要排澇河涌為石溪涌、大干圍涌、烏球渠(石溪—大干圍連接段)，排澇出口為石溪涌口和大干圍涌口，外江承泄區(qū)為珠江后航道。

大干圍涌起點(diǎn)位于東南西環(huán)高速公路丫髻沙大橋，上接DN1000雨水管，下游出后航道流入珠江。大干圍涌明渠段總長(zhǎng)度約1.43 km，水面寬度約5～15 m。石溪涌起于石溪村，上游部分河段現(xiàn)狀為暗渠，通過石溪～瑞寶連通段與瑞寶涌連接；下游經(jīng)石溪閘站流入后航道。石溪涌明渠段總長(zhǎng)約1.4 km，河寬約9.3～17.5 m。烏球渠連通大干圍涌和石溪涌，現(xiàn)狀總長(zhǎng)約0.85 km，河寬約3.0～15 m。

大干圍涌口現(xiàn)狀建有1孔水閘，總凈寬為5 m，閘底高程為-1.5 m，設(shè)計(jì)過閘流量為19.67 m3/s。石溪涌口現(xiàn)狀建有水閘、泵站：水閘為1孔，總凈寬為5 m，閘底高程為-1.5 m，設(shè)計(jì)過閘流量為34.6 m3/s；泵站設(shè)計(jì)流量為5.33 m3/s，裝機(jī)容量為230 kW，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1.62 m。石溪排澇片區(qū)水系及相關(guān)水利設(shè)施分布情況示意見圖1。

圖1 石溪排澇片水系示意

本工程擬在大干圍涌口新建泵站，使片區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到50年一遇。本文通過應(yīng)用MIKE11水動(dòng)力模型，模擬計(jì)算洪水期泵站的運(yùn)行調(diào)度過程，以合理確定泵站設(shè)計(jì)流量及相關(guān)特征參數(shù)。

3 模型建立

3.1 模型簡(jiǎn)介

MIKE 11 HD主要用于洪水預(yù)報(bào)及調(diào)度措施、河渠/灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)調(diào)度及河口風(fēng)暴潮的研究，是目前世界上應(yīng)用最為廣泛的商業(yè)軟件，具有計(jì)算穩(wěn)定、精度高、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，可方便靈活模擬閘門、水泵等各類水工建筑物，尤其適合應(yīng)用于水工建筑物眾多、控制調(diào)度復(fù)雜的情況[11]。MIKE 11計(jì)算模塊基于以下3個(gè)要素：① 反映有關(guān)物理定律的微分方程組；② 對(duì)微分方程組進(jìn)行線性化的有限差分格式；③ 求解線性方程組的算法。

MIKE 11計(jì)算模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流Saint-Venant方程組[12-13]：

(1)

(2)

式中：

t——時(shí)間坐標(biāo)；

x——距離坐標(biāo)；

A——過水?dāng)嗝婷娣e；

Q——流量；

z——水位；

n——糙率；

R——水力半徑；

g——重力加速度常數(shù)，9.81 m/s2。

方程組利用Abbott-Ionescu 6點(diǎn)隱式格式求解。該格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算水位或流量。Abbott-Ionescu格式具有穩(wěn)定性好、計(jì)算精度高的特點(diǎn)。離散后的線形方程組用追趕法求解。

MIKE 11 SO模塊可對(duì)水工建筑物運(yùn)行設(shè)置復(fù)雜的調(diào)度規(guī)則，依據(jù)河道某處的水位或流量、水位差或流量差、蓄水量、時(shí)間等數(shù)十種邏輯判斷條件控制水工建筑物的運(yùn)行[14];模型根據(jù)建筑物上下游水文條件自動(dòng)判斷所處流態(tài)，選用相應(yīng)的流體力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。

MIKE 11 HD和SO建模需要以下各類數(shù)據(jù)或信息：河網(wǎng)平面及水工建筑物、邊界位置等平面信息；河道地形或河道縱橫斷面資料；模型邊界處水文數(shù)據(jù)；河道糙率；水工建筑物的基本設(shè)計(jì)參數(shù)及調(diào)度運(yùn)行規(guī)則。

3.2 模型建立

3.2.1河網(wǎng)和地形

一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型的范圍主要為石溪片區(qū)內(nèi)石溪涌、大干圍涌、烏球渠(連通段)3條河涌。水工建筑物包括現(xiàn)狀石溪閘站、大干圍水閘，擬新建大干圍泵站。模型下邊界為珠江后航道。

根據(jù)實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)，對(duì)河道平面及斷面進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對(duì)河口水工建筑物進(jìn)行模擬設(shè)置。

3.2.2水工建筑物概化

通過MIKE11內(nèi)置SO模塊，對(duì)水閘及泵站建筑物進(jìn)行概化。水閘過流按照寬頂堰流進(jìn)行概化，相關(guān)參數(shù)依據(jù)原設(shè)計(jì)成果調(diào)試后確定。

由于研究區(qū)域內(nèi)排澇河涌涌容較小，調(diào)蓄能力較弱，水位對(duì)于涌口抽排流量變化較敏感。因此，若泵站采用MIKE11 SO內(nèi)置模塊進(jìn)行模擬設(shè)置，常出現(xiàn)抽排流量響應(yīng)滯后，造成水位急劇上升或下降，出現(xiàn)露河底、漫頂?shù)痊F(xiàn)象，最終導(dǎo)致模擬計(jì)算結(jié)果失真。另一方面，MIKE11從計(jì)算穩(wěn)定性角度考慮，其內(nèi)置模塊會(huì)對(duì)流量急劇變化時(shí)段做平滑處理。而實(shí)際泵站抽排流量只與機(jī)組開啟數(shù)量有關(guān)，其流量過程呈近似階梯分布。

為準(zhǔn)確真實(shí)模擬泵站抽排過程，首先通過傳統(tǒng)的“平湖法”對(duì)片區(qū)進(jìn)行排澇調(diào)蓄計(jì)算，初步擬定機(jī)組設(shè)置及泵站抽排流量過程線。并以該過程線為依據(jù)，對(duì)泵站進(jìn)行概化設(shè)置，經(jīng)MIKE模型多次模擬試算，對(duì)流量過程進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

3.2.3計(jì)算工況

根據(jù)工程確定的整治目標(biāo)，工程實(shí)施后，片區(qū)可達(dá)到50年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。參照相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合廣州市內(nèi)澇防治相關(guān)要求，確定以下2種計(jì)算工況。

1) 工況1：內(nèi)涌50年一遇設(shè)計(jì)洪水為36.20 m3/s(石溪涌21.3 m3/s +大干圍14.9 m3/s)，遭遇外江多年平均最高潮位為2.09 m；

2) 工況2：內(nèi)涌5年一遇設(shè)計(jì)洪水為21.27 m3/s(石溪涌12.50 m3/s +大干圍8.77 m3/s)，遭遇外江200年一遇洪潮水位為2.76 m。

以上2種工況的雨潮遭遇，均采用峰峰疊加形式。

3.2.4初始條件

工程位于感潮區(qū)，河口日常關(guān)閘蓄水。初始水位即河道日常蓄水位1 m。片區(qū)在無(wú)雨時(shí)，無(wú)外水匯入河涌，初始流量為0 m3/s。

3.2.5邊界條件

上游進(jìn)口及區(qū)間采用流量邊界，流量過程通過綜合單位線法計(jì)算得到。下游出口采用水(潮)位邊界，根據(jù)各工況擬定潮位值，選取典型潮位過程線；工況1及工況2的水(潮)位、流量過程線采用峰峰疊加的形式(2工況設(shè)計(jì)洪水及水位過程如圖2～圖3所示)。

圖2 工況1流量及水位過程示意

圖3 工況2流量及水位過程示意

3.2.6時(shí)間步長(zhǎng)及空間步長(zhǎng)

為保證模擬計(jì)算收斂，時(shí)間步長(zhǎng)及空間步長(zhǎng)需滿足CFL條件[15]，其在一維淺水運(yùn)動(dòng)方程中的表達(dá)式如下：

(3)

式中：

Cr——科朗數(shù)；

Δt——時(shí)間步長(zhǎng),m；

Δx——空間步長(zhǎng),m，根據(jù)實(shí)測(cè)河道斷面間距確定；

v——斷面平均流速,m/s；

h——水深;

為便于計(jì)算結(jié)果分析，本研究采用定步長(zhǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)模型斷面間距設(shè)置及數(shù)值試驗(yàn)，確定時(shí)間步長(zhǎng)為10 s。

3.2.7糙率取值

一般而言，糙率通過實(shí)測(cè)河道流量及水位數(shù)據(jù)率定得到。由于缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參照臨近工程及相關(guān)文獻(xiàn)[16]關(guān)于糙率的建議取值，確定糙率為0.025。

4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，石溪排澇片的排澇總規(guī)模為24.75 m3/s(含現(xiàn)狀石溪泵站5.5 m3/s)，需擴(kuò)建泵站規(guī)模為19.25 m3/s。表1為2種工況下排澇規(guī)模及相關(guān)參數(shù)計(jì)算成果。

表1 不同工況下排澇規(guī)模計(jì)算成果

根據(jù)石溪涌及大干圍涌現(xiàn)狀河底高程，并參照周邊排水區(qū)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，最低運(yùn)行水位不應(yīng)小于-1.0 m；同時(shí)為了充分利用河涌調(diào)蓄空間，最低運(yùn)行水位不宜大于-0.5 m。根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，2種工況計(jì)算得到的最低運(yùn)行水位均滿足上述要求。

由于石溪—大干圍連通渠(烏球渠)現(xiàn)狀存在多處卡口，最窄處寬度僅2.8 m，最大過流能力僅4 m3/s。若將擴(kuò)建泵站均布置于大干圍涌口，則在設(shè)計(jì)工況下，將出現(xiàn)大干圍涌口來(lái)流小于泵站抽排流量的情況，排澇泵站無(wú)法發(fā)揮設(shè)計(jì)排澇效益；而西側(cè)石溪涌則由于涌口泵站抽排能力不足，造成水位過高，局部低洼地區(qū)發(fā)生內(nèi)澇。

由于烏球渠束窄段緊鄰民居，可拓寬空間小，實(shí)施難度較大；卡口斷面涉及跨河橋，需對(duì)其進(jìn)行拆除重建，在一段時(shí)期內(nèi)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦某鲂性斐捎绊憽Ｒ虼?，現(xiàn)階段對(duì)烏球渠拓寬的可行性較小。

經(jīng)模型驗(yàn)證，在維持烏球渠現(xiàn)狀的情況，當(dāng)大干圍涌涌口新建泵站規(guī)模為14.25 m3/s(機(jī)組配置：6+6+2.25 m3/s)，同時(shí)擴(kuò)建石溪泵站規(guī)模至10.5 m3/s(現(xiàn)狀5.5 m3/s+擴(kuò)建5 m3/s)，則可基本實(shí)現(xiàn)2條河涌水位同升同落，從而使整個(gè)片區(qū)水位維持在管控水位以下(大干圍涌口排水時(shí)段內(nèi)水閘及泵站流量過程見圖4)。

圖4 大干圍涌口水閘及泵站流量過程示意

分析石溪涌、大干圍涌在整個(gè)模擬計(jì)算過程中的水位外包線，表明在設(shè)計(jì)工況下，片區(qū)內(nèi)河涌各斷面的水位基本可控制在管控水位以下。其中，大干圍0+430斷面左岸岸頂高程1.09 m低于該處水位外包值1.25 m，在設(shè)計(jì)工況下將出現(xiàn)漫頂。若繼續(xù)降低涌口管控水位，將減小河道可利用調(diào)蓄涌容，造成泵站規(guī)模進(jìn)一步加大，增加工程投資；由于泵站機(jī)組數(shù)量限制，泵站總規(guī)模增大將造成單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)流量過大，對(duì)泵站運(yùn)行調(diào)度不利。

綜上，建議在后期條件允許的情況下，對(duì)大干圍涌、烏球渠進(jìn)行擴(kuò)寬，以增大河涌調(diào)蓄能力和過流能力；對(duì)大干圍涌右岸局部低洼河段堤岸進(jìn)行加高。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)工程所在石溪片區(qū)實(shí)測(cè)河道地形資料及涌口相關(guān)閘泵建筑物資料，應(yīng)用MIKE11水動(dòng)力模型，對(duì)設(shè)計(jì)洪潮遭遇下的片區(qū)排澇過程進(jìn)行模擬分析計(jì)算，確定了擬新建大干圍泵站的設(shè)計(jì)流量、機(jī)組配置及涌口控制水位，為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

MIKE11水動(dòng)力模型結(jié)合內(nèi)置SO模塊，在應(yīng)用于河口泵站規(guī)模論證計(jì)算中，具有較好的計(jì)算精度和穩(wěn)定性，較之常規(guī)采用的“平湖法”調(diào)蓄計(jì)算，其考慮了河道水動(dòng)力因素，可準(zhǔn)確計(jì)算調(diào)整全過程的水面線變化情況，進(jìn)而分析泵站規(guī)模與河道過流能力的匹配問題，使計(jì)算結(jié)果更加貼合實(shí)際，為工程設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。