崔 巍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

1 基本情況

遼河全河套堤共194處，總長(zhǎng)553.874km，涉及遼河沿岸的13個(gè)縣區(qū)、1個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)[1]。遼河上的的套堤大致可以分為三種類型：第一種是保護(hù)居民和農(nóng)業(yè)設(shè)施、耕地等，這也是最為普遍的一種套堤；第二種是用作河道管理路；第三種是沿河支渠、泵站等導(dǎo)水堤[2]。遼河石佛寺回水末端至福德店段河道面積294.7km2，現(xiàn)有套堤54座，套堤內(nèi)土地面積42km2，占河道面積的14%。套堤堤高較小，一般不超過(guò)1.5m，且套堤橫向?qū)挾纫草^小，一般不超過(guò)400m，因此其阻水并不嚴(yán)重。遼河石佛寺壩下至盤山段河道面積555.3km2，現(xiàn)有套堤113座，套堤內(nèi)土地面積34.50萬(wàn)畝，占河道面積的41%。套堤堤高一般均大于1.5m，個(gè)別可達(dá)4.0～5.0m，橫向?qū)挾纫话阍?00～1500m之間，阻水較嚴(yán)重。盤錦市區(qū)(大洼區(qū)、雙臺(tái)子區(qū)、興隆臺(tái)區(qū)、盤錦監(jiān)獄)段河道面積53.7km2，現(xiàn)有套堤27座，套堤內(nèi)土地面積17km2，占河道面積的31.7%，套堤堤高1～4m，橫向?qū)挾仍?00～1000m之間[3- 6]。遼河灘地均為遼河沖積而成，土地肥沃，農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，是遼河兩岸包括保護(hù)區(qū)在內(nèi)的優(yōu)良農(nóng)田，各級(jí)政府和群眾均非常重視河灘地內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。從20世紀(jì)五六十年代開始，遼河河灘地農(nóng)業(yè)耕種便已形成規(guī)模，為保護(hù)農(nóng)田免受洪澇災(zāi)害威脅，逐漸建設(shè)成大大小小的民堤和圍堤。20世紀(jì)80年代末遼河整治時(shí)雖然大堤建設(shè)將套堤留在了河道內(nèi)，并計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行清除，但由于客觀條件限制，當(dāng)時(shí)并未實(shí)施[7- 11]。由于遼河套堤嚴(yán)重影響河道安全行洪，組織過(guò)數(shù)次針對(duì)河道內(nèi)的清障行動(dòng)。目前，部分清障工作基本實(shí)施完成，并沿1050線(遼河封育區(qū)以內(nèi))附近的套堤修建了遼河管理路，但1050線至大堤之間的套堤未有系統(tǒng)清除[12]。遼河干流洪水預(yù)警技術(shù)研究近些年來(lái)取得一定研究成果[13- 15]，但對(duì)于遼河套堤過(guò)洪影響研究成果還較少，為此本文設(shè)置不同工況，采用水力學(xué)模型對(duì)遼河套堤過(guò)洪影響進(jìn)行分析，研究成果可以為遼河干流科學(xué)防汛減災(zāi)決策提供技術(shù)支撐。

2 計(jì)算方法

2.1 模型原理

套堤的過(guò)洪影響采用二維水動(dòng)力學(xué)模型。二維水動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算原理依據(jù)的是描述水流運(yùn)動(dòng)的二維非恒定流方程組，共包括3個(gè)方程:水流連續(xù)性方程、水流沿x方向的動(dòng)量方程及水流沿y方向的動(dòng)量方程，形式如下:

(1)

(2)

(3)

式中，h—水深，m；ζ—水面高程，m；p、q—x、y方向的單寬流量，m/s；其中p=uh，q=vh，u、v分別—x、y方向上沿水深的平均流速，m/s；C—謝才系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；f—風(fēng)摩擦系數(shù)；V、Vx、Vy—風(fēng)速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω—柯氏力參數(shù)，s-1；Pa—大氣壓強(qiáng)，kg/(m/s2)；ρw—水的密度，kg/m3；S、Six、Si—源匯項(xiàng)及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy—有效剪切力分量。根據(jù)以上方程組，利用迭代法求解即可得到每一時(shí)刻在(x，y)處的水位、水深h以及x，y方向的流速u、v。

2.2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

上邊界條件采用石佛寺水庫(kù)設(shè)計(jì)300年放流流量過(guò)程線，下邊界條件采用福德店50年來(lái)水進(jìn)行計(jì)算，河段主槽糙率取值為0.025，灘地糙率取值為0.075，洪水成果表見表1—2。

表1 石佛寺水庫(kù)不同量級(jí)降水對(duì)應(yīng)的洪水成果表

表2 福德店站不同量級(jí)降水對(duì)應(yīng)的洪水成果表

3 套堤影響分析

3.1 水面線計(jì)算方案

20世紀(jì)80年代末，遼河整治建設(shè)堤防設(shè)計(jì)地形為套堤全部清除，石佛寺回水末端至福德店段農(nóng)村段堤防建設(shè)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～30年一遇，鐵嶺市100年一遇，石佛寺壩下至盤山段堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，盤錦市主城區(qū)段堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，新城區(qū)10～20年一遇。為分析遼河套堤對(duì)水面線的影響，本文分以下2種工況計(jì)算河段設(shè)計(jì)水面線進(jìn)行比較:①全清障，即保留河道內(nèi)管理路順堤，改建管理路橫堤，控制橫堤路頂與灘面高差不大于0.5m，其余套堤全部清除。②現(xiàn)狀地形，即保留套堤，套堤漫水而不潰決。

3.2套堤過(guò)洪影響分析

選取遼河L118至L124河段分別建立二維水力計(jì)算模型，河段長(zhǎng)度16.6km，曲折系數(shù)1.23。本次只選取1個(gè)套堤(遼河右岸57～65#套堤組成的外圍套堤)，長(zhǎng)10.7km，套堤與大堤距離為400～1700m，平均距離約1200m。套堤位置如圖1所示。

圖1 遼河右岸57～65#套堤位置示意圖

分別計(jì)算在流量為2500m3/s、3500m3/s和5250m3/s(設(shè)計(jì)流量)時(shí)套堤口門寬度分別為0、100、200、300、400、500、600、800條件下對(duì)套堤內(nèi)外水位的影響。起點(diǎn)水位根據(jù)L118的設(shè)計(jì)水位流量關(guān)系取值，主槽糙率0.025，灘地糙率0.075。各斷面在流量分別為2500m3/s、3500m3/s和5250m3/s時(shí)不同套堤口門寬度對(duì)河道斷面水位的影響及套堤上游局部的水位影響如圖2所示。

圖2 各斷面套堤及套堤上游局部過(guò)洪影響曲線

從各斷面套堤及套堤上游局部過(guò)洪影響曲線中可以看出套堤過(guò)洪影響曲線在口門寬度為0～400m時(shí)較陡，400m以后變緩，說(shuō)明當(dāng)套堤口門寬度大于400m時(shí)，套堤對(duì)河道水位的影響變化很小，套堤對(duì)行洪的阻礙基本消除。

3.3 套堤簡(jiǎn)化處理方式

分別采用一維和二維水力學(xué)模型對(duì)不同套堤斷面進(jìn)行模擬試算，按照參數(shù)取值范圍和影響因素對(duì)套堤進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，選取的河段流量設(shè)計(jì)值為5250m3/s，因此構(gòu)建的水力學(xué)模型的流量采用值也為該流量值，遼河大堤初始計(jì)算斷面的水位值為23.71m，河槽以及灘地的糙率值分別設(shè)置為0.025和0.075，各斷面的水位首先采用二維水力學(xué)模型計(jì)算沒有套堤情況下的水位模擬，在不改變邊界條件的基礎(chǔ)上采用一維水力學(xué)模型對(duì)其糙率進(jìn)行調(diào)整，二維模型計(jì)算的成果結(jié)合套堤開口寬度進(jìn)行復(fù)核，不同維度的水位復(fù)核差值要控制在±0.02m范圍內(nèi)，主槽和灘地復(fù)核后的一維模型糙率值變動(dòng)范圍分別在0.023～0.03及0.07～0.085之間，有套堤情況下的一維和二維水力學(xué)模型不同斷面水位最后利用該值進(jìn)行復(fù)核，并和不同維度之間的水位值進(jìn)行復(fù)核對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3 水面線復(fù)核及計(jì)算成果對(duì)比情況表

從復(fù)核對(duì)比結(jié)果可看出，計(jì)算的水面線在有套堤情況下一維模型要比二維模型高出的范圍值為0.01～0.2m，基本屬于較為合理的計(jì)算范圍，且屬于防洪安全層面的加高，因此本文對(duì)套堤處理方式下的一維水力學(xué)模型總體計(jì)算結(jié)果屬于較為合理的。本文最終確定對(duì)套堤可計(jì)算簡(jiǎn)化的方式為：套堤過(guò)水?dāng)嗝娴膶挾葹?00m，除去堤防迎水范圍內(nèi)的堤防高程進(jìn)行一定程度的加高到套堤頂部高程，此計(jì)算范圍內(nèi)的糙率設(shè)定值為0.01，若套堤距離堤防迎水層的間距在高于200m低于400m的范圍內(nèi)時(shí)，則將其計(jì)算水流過(guò)水?dāng)嗝娴膶挾仍O(shè)置為200m，若套堤距離堤防迎水測(cè)的距離低于200m，則設(shè)置的過(guò)水?dāng)嗝鎸挾瓤梢詾樽畹椭?。在堤防外?cè)的多個(gè)連接的套堤用最外側(cè)套堤進(jìn)行代替。

4 計(jì)算成果及分析

遼河河道內(nèi)194座套堤雖然經(jīng)過(guò)多次清障，使得其遼河封育范圍內(nèi)的主行洪河道基本暢通，但距離設(shè)計(jì)條件還有較為明顯的不足。通過(guò)分析相比于全部進(jìn)行清障條件下石佛寺水庫(kù)回水末端到福德店水文站河段內(nèi)水位還要高出設(shè)計(jì)水位的范圍達(dá)到0～0.26m，套堤在這一河段內(nèi)相對(duì)較少，福德店到蘭家街段、蘭家街至老山頭段、通江口大橋及新調(diào)線橋上下游兩側(cè)主要分布現(xiàn)存的套，其對(duì)遼河總體行洪能力影響相對(duì)較弱，僅對(duì)其局部河段的行洪能力產(chǎn)生較為直接的影響。相比于全部進(jìn)行清障的工況條件和現(xiàn)狀地形條件下石佛寺水庫(kù)壩下至盤山段水位相比于設(shè)計(jì)水位高出0.83m，且套堤也分布在該河段的兩側(cè)沿岸，是該河段防洪能力不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)條件的主要影響因素，此外相比于全部進(jìn)行清障工況和現(xiàn)狀條件下盤錦市區(qū)段的設(shè)計(jì)水位值也較高，影響盤錦市區(qū)河段的行洪能力。主要河道堤防的行洪計(jì)算成果見表4。

表4 遼河套堤對(duì)各段河道水位影響統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

(1)相比于全部清障下石佛寺水庫(kù)回水末端到福德店水文站區(qū)間河段現(xiàn)狀條件下的設(shè)計(jì)水位高出范圍在0～0.26m之間，但該河段套堤分布相對(duì)較少，行洪影響程度低，福德店、蘭家街-老山頭、通江口大橋及新調(diào)線橋上下游段內(nèi)現(xiàn)存分布的套堤對(duì)局部河段行洪能力有所影響，但對(duì)遼河干流總體行洪能力影響相對(duì)較小。

(2)相比于全部清障下石佛寺水庫(kù)壩下至盤山河段現(xiàn)狀條件下的水位設(shè)計(jì)高出范圍在0～0.83m之間，現(xiàn)存遼河干流大量套堤主要分布在該河段內(nèi)，是該河段防洪標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)的主因。

(3)本文水力模型計(jì)算時(shí)，主槽和灘地糙率值采用均值，在后期研究中，還需要結(jié)合遼河干流套堤內(nèi)河床進(jìn)行復(fù)式糙率的分析，從而提高模型計(jì)算精度。