广东省佛山市南海南源水利水电勘测设计院有限公司 广东佛山 528200
摘要：以盐步电排站为例，介绍MIKE11软件在水利排涝演算中的应用。
关键词：MIKE11；排涝演算；电排站；水力计算；非恒定流；河网
0 引言
珠江三角洲的联围，围内河涌纵横交错，互为贯通，目前，围内的水文分析多采用“平湖法”，即假定围内河涌过水断面很大，河涌上下游水面比降为零，这样就大大简化了水量平衡演算工作。实际上根据变量动力平衡方程，联围内的河涌在排灌时上下游水位是存在比降的，因而“平湖法”假定是与实际不符的，分析结果有较大的误差。一般“平湖法”成果反映的水闸过水能力偏大，内涌水位排水时偏低，引水时偏高，尤其是联围范围较大，围内有多个水闸共同工作时影响更甚。另外，“平湖法”无法算出围内各河段的水位过程，围内工程规模如河涌断面、堤围高度、排水站水位等均较难确定。笔者近年来应用MIKE11软件，采用河网一维非恒定流水力计算推求河道断面水位、流量，模拟复杂的排涝演算过程，取得了满意的结果。本文以佛山市南海区大沥镇盐步电排站为例，介绍MIKE11软件在水利排涝演算中的应用。
1 MIKE11软件简介
河网非恒定流水力计算是目前解决平原网河地区水文分析计算的最有效方法之一。丹麦水力学研究所开发的MIKE11软件是目前国际水科学工程计算领域广泛应用并被大力推荐的一款先进可靠的专用工程计算软件，采用河网一维非恒定流水力计算推求河道断面水位、流量。河网非恒定流水力计算是一种先进的基于对一维河网水流物理运动的数学方法描述，并利用数值计算方法求解微积分方程组，进而通过方程组数值解动态反映河网水流运动状态的方法，计算结果包括各断面实时水位、流量等。
2 基本资料
盐步电排站位于南海区大沥镇盐联围片，总集雨面积13.068km2，由于该地区有黎边站、陆边站、盐步站和廻龙站4个出水口，黎边站、陆边站和廻龙站已于近年施工或调巩，因此只能在原有盐步排涝泵站位置扩建较大规模的泵站，将涝区的雨水汇集引到站址，再集中排出外江。考虑现有河涌的布置，电排及水闸自排拟在盐步站旧址排出外江。盐联围片集雨面积及内河涌示意图如图1所示。
图1 盐联围片集雨面积及内河涌示意图
3 计算原理
描述水流在明渠中运动的一维非恒定流基本方程是圣维南方程方程组，包括质量方程与动量方程：
式中：t、x－时、空变量；
Z、Q、U－分别是各断面的水位、流量和流速；
A、R－分别是各断面的过水断面面积、水力半径；
q－单位河长的均匀旁侧入流（包括降雨产汇流）；
n－河道糙率系数；
g－重力加速度。
由于圣维南方程组是一个二元一阶拟线性双曲型偏微分方程组，求得精确解非常困难。MIKE11软件采用Abbott六点隐式格式求解方程组，该离散格式并不在每一个网格点同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。Abbott六点隐式格式无条件稳定，可以在相当大的Courant数下保持计算稳定，可以取较长的时间步长以节省计算时间，这对于模拟平原区河网是十分有效的。
4 排涝演算
4.1河网概化
河网概化包括河道概化、控制建筑物概化。本次计算河网概化河道18条，没有概化的水面通过附加蓄水容积反映在计算河网中。河长参数依据现状河道调查情况确定，河底高程取规划河底高程，河道断面依据规划河道断面采用河边距～河底高程形式在计算中反映，河道糙率依据有关资料结合规划条件下河道情况综合考虑选取0.023。控制建筑物主要是排涝泵站，其概化需要的参数包括泵站流量、泵站运行水位、泵站运行调度规则等，均依据规划工程实际情况确定。概化控制建筑物4处，为盐步泵站、廻龙站、陆边站和黎边站。河网主要河涌参数见表1所示，河网水动力计算河网概化图见图2。
图2 河网概化图
3.2 水利计算条件
（1）内边界条件
内边界指进入河网的降雨径流。发生设计暴雨情况下，降雨经过下渗、蒸发、植物截流等因素作用后变成净产水量。平原区产水量通过径流系数折算，忽略坡面汇流过程，农田杂地、水面产水量直接演变为径流进入河网，鱼塘产水量考虑滞蓄部分水量后变成入河径流，城市及工业化地区产水经过城市雨水排水管网的调蓄作用后进入河网。计算时将各区入河水量根据河道汇水范围分配至各河道，同时将河道入流过程处理为旁侧单宽均匀入流进入河网。
（2）外边界条件
在设计条件下，不考虑水闸自排情况，按此设置边界外条件。
（3）初始条件
计算采用初始条件如下：①根据水情结合预报，在大暴雨来临前，内河涌考虑由常水位0.6m水位开始预排；②各河涌断面初始流量为0m3/s；③各控制建筑物初始时均处于关闭运行状态。
3.3 控制建筑物调度原则
汛期，预报大暴雨即将来临时，通过水闸及泵站预降内河水位，将内河水位提前预降至0.0m，以预留涌容滞蓄涝水；暴雨发生时，当内涌水位低于外江水位时，启用泵站，根据内涌来水情况确定开机流量，抢排涝水。
3.4 河网水力计算过程
具体计算过程如下：（1）根据规划区域地形图及现有的河涌布局，建立河网水力计算模型；（2）将内涌设计暴雨洪水过程线输入模型；（3）初步设定河涌、泵站规模及布局；（4）设定各泵站及河涌的初始条件和泵站的运行调度规则，进行排涝演算，计算过程亦需要满足常水位、最低运行水位和最高控制内水位的要求；（5）视计算结果，调整河涌、泵站的规模，重新计算，直至满足要求为止。
3.5 机电排涝计算成果
通过建立河网水动力数学模型计算，按照30年一遇24小时设计暴雨按内涌上游水位不超过远期控制内水位1.50m的标准，计算得到的盐联围片流量为42m3/s，其中陆边站2.95m3/s、廻龙站4.05m3/s、黎边站9 m3/s、盐步旧站16.8 m3/s、盐步泵站9.2 m3/s。河涌代表断面最高水位计算结果见表2所示，盐步排涝泵站排水过程线见图3所示。
由上述计算结果可知，盐联围片各河涌代表断面最高水位1.015m～1.458m，均不超过1.50m，能满足控制内水位的要求。
综上，本工程区域达到30年一遇24小时暴雨1天排完且控制内涌水位不超过1.50m的排涝标准，盐联围片的机电排涝规划流量为42.0m3/s，盐步泵站规划电排流量9.2 m3/s。
5 结语
应用MIKE11软件，可以同时考虑闸站和河涌的排水能力及河涌的蓄量，概念清晰，计算合理，可以进行多种水位，多种工程规模组合计算，可较全面地反映围内河涌配套工程、水闸、排站的工况，可得出逐时各闸得内外水位、过闸流量、流速、水量、各河涌水位、流量等数据，为选定闸、河涌的规模提供了依据。
作者简介：
彭炜森（1987－），男，研究生，工程师，从事水工设计、规划。
论文作者:彭炜森,李金金
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/6/19
标签：河网论文; 水位论文; 泵站论文; 断面论文; 河道论文; 河涌论文; 流量论文; 《基层建设》2018年第7期论文;