張志崇,劉 銳,郭學仲,陳曉霞,范寶山
(1.中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130061;2.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心,吉林 長春 130061;3.哈爾濱市水文水資源勘測總站,黑龍江 哈爾濱 150000)
由于平原地區(qū)地勢平坦,河流流速緩慢,河道淤積問題普遍存在。河道淤積會導致河道行洪斷面面積不足,影響汛期河道行洪,存在安全隱患。為解決此類問題,需對水系河道進行綜合整治,如采取清淤、河道調(diào)整和水系連通等措施。在工程實施前首先要確定河道的洪水過流能力,評估工程實施前后的河道防洪度汛功能。推求河道水面線是河道水文及洪水預報的常用方式,一般有實時監(jiān)測和數(shù)值模型兩種方法。然而,實時監(jiān)測耗時長、成本高,如果在流域環(huán)境較為復雜的區(qū)域,不利于監(jiān)測人員和設備安全。數(shù)值模擬法由于簡便易操作、風險和成本低,可模擬多種工況,應用更為廣泛?;跀?shù)值模擬法開展的河道水面線推求的研究較多,如蔣楠、高成[1]基于HEC-RAS 和MIKE11 模型模擬錦江水面的水面線,并與實測水面線對比,兩個模型均達到了較高精度,但對糙率敏感性的不同造成了二者結(jié)果存在一定的差異;盧真建[2]基于MIKE11 模型計算了流琶江蓄滯洪區(qū)河段不同頻率的水面線,為蓄滯洪區(qū)運行調(diào)度管理,以及水閘、泵站、堤防等工程設計提供了依據(jù);王光明等[3]基于HEC-RAS 模型對東漢時期漢江古洪水進行研究,對進一步研究漢江洪水運動規(guī)律具有一定意義;郭志慧等[4]基于MIKE11 模型和ASTER GDEM 數(shù)據(jù)探究了一種在無地形測量資料地區(qū)可行的水面線推求方法。此外,還有諸多適用于不同情景水面線推求的方法研究及應用案例[5-8]。
一般的河道洪水水面線推求只考慮單一的降雨~徑流關(guān)系。然而,對于近海河段而言,汛期洪水受雨水、潮水共同影響,其河道水動力學特性更為復雜,雨潮組合作用影響下的水面線推求相關(guān)研究較少。此次研究以大連花園口經(jīng)濟區(qū)老龍頭河、圣水河、陶房河的河流整治工程前后的河道條件為輸入,探究一種缺資料小流域雨潮組合影響下的汛期河道水面線推求方法,評估河流整治工程對河道防洪功能的改善效果。
大連花園口經(jīng)濟區(qū)位于遼東半島南端黃海北岸,東、北與莊河市接壤,西與普蘭店市以碧流河為界,距離大連市主城區(qū)約115 km。花園口經(jīng)濟區(qū)內(nèi)有陶房河、圣水河和老龍頭河等河流穿境入海。由于花園口經(jīng)濟區(qū)總體地勢低,且陶房河、圣水河和老龍頭河主要為天然河道,下游淤積嚴重,河道行洪斷面面積不足,防洪(潮)標準較低,現(xiàn)狀無堤防,存在較大安全隱患,嚴重影響了區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。為了解決這一問題,由大連花園口經(jīng)濟區(qū)城鄉(xiāng)建設管理局主要負責建設花園口水系整治工程,對區(qū)域主要水系進行綜合治理,完善區(qū)域防洪(潮)體系。此次研究根據(jù)工程建設內(nèi)容及區(qū)域水文、氣象資料,基于HEC-RAS[9]構(gòu)建一維恒定流模型,對工程實施前后的水面線進行計算,分析雨潮組合影響下的河道防洪能力的改善情況。
2.1.1 設計暴雨
陶房河、圣水河和老龍頭河均屬無水文資料地區(qū),且集水面積小。此次研究采用小流域洪水計算方法,由設計暴雨推求設計洪水。設計暴雨統(tǒng)計參數(shù)根據(jù)《遼寧省中小河流(無資料地區(qū))設計暴雨洪水計算方法》(遼寧省水文水資源勘測局1998 年)[10]查算,計算成果見表1。
表1 陶房河圣水河和老龍頭河流域設計暴雨參數(shù)表
2.1.2 設計洪水
設計洪水的計算采用推理公式遼寧法[10],計算公式:
式中:QP為設計洪峰流量,m3/s;φP為設計洪峰徑流系數(shù);iP為匯流時間的設計面暴雨強度,mm/h;F為流域面積,km2;PτP為τ歷時設計面雨量,mm;τ為匯流歷時,h。
τ可按下式計算:
式中:L為河流長度,km;J為河道平均比降;x,y為地區(qū)參數(shù)。
由于每次降雨的歷時不同,因此,PτP的計算可分為3 個時段計算,可按下式計算:
當τ≤1 h 時,
當1 h<τ≤6 h 時,
當τ>6 h 時,
式中:n0p為10 min~1 h 的暴雨衰減指數(shù);n1p為1~6 h 的暴雨衰減指數(shù);n2p為6~24 h 的暴雨衰減指數(shù)。計算公式:
2.1.3 設計潮位
此次研究中,設計潮位計算是基于小長山實測潮位資料,使用極值I 型分布(Gumbel)曲線[11]計算重現(xiàn)期潮位。
極值I 型分布函數(shù):
式中:α為分布的尺度參數(shù);u為分布的位置參數(shù)。利用已有的最大潮位數(shù)據(jù)x1,x2,……,x3估計出參數(shù)α,u的數(shù)值。
由于樣本容量有限,參數(shù)α,u的數(shù)值可采用矩法參數(shù)估計,計算公式:
式中:γ為歐拉常數(shù),取值0.577 2;μ和σ分別表示潮位的均值和標準差,可由樣本系列計算后獲得。
重現(xiàn)期為R(頻率P=1/R)時的潮位計算公式:
2.2.1 雨潮組合工況確定
考慮到研究區(qū)城市區(qū)防洪標準為50 年一遇,鄉(xiāng)村區(qū)防洪標準為20 年一遇,此研究分別進行現(xiàn)狀河道及工程實施后河道50 年一遇(P=2%)、20年一遇(P=5%)洪水水面線計算。模型邊界條件:各河段設計洪峰流量設置為模型上游流量邊界條件;下游水位邊界條件需考慮擋潮閘影響,施工前未設置擋潮閘,天然河道相應頻率潮位設置為下游水位邊界條件,下游邊界控制斷面位于河流入??谔帲皇┕ず?,擋潮閘上游斷面設計洪水位設置為下游水位邊界條件,下游邊界控制斷面位于擋潮閘處。擋潮閘上游設計洪水位計算過程需考慮不同洪潮組合情況,選擇不利組合,采用堰流公式試算得出。當計算50 年一遇水面線時,擋潮閘上游設計洪水位由20 年一遇洪水和50 年一遇潮位組合計算確定;當計算20 年一遇水面線時,擋潮閘上游設計洪水位由10 年一遇洪水和20 年一遇潮位組合計算確定。
2.2.2 斷面及糙率設置
考慮到工程只涉及河道整治,整治后河網(wǎng)水系與原狀接近一致,因此,施工前后的水面線計算均使用現(xiàn)狀河網(wǎng)水系圖。當計算施工前河道水面線時,河道斷面輸入使用天然河道實測斷面;當計算施工后的河道水面線時,河道斷面輸入使用河道整治設計斷面,并根據(jù)工程設計內(nèi)容輸入水工建筑物資料信息。由于河段沒有水文測站,無法根據(jù)歷史洪水對河道糙率進行率定,糙率的取值參照《水力學》中渠道及天然河流的粗糙系數(shù)n值表,確定計算采用的河道主槽糙率為0.020~0.025,灘地糙率為0.033~0.040。
3.1.1 研究區(qū)設計洪水
根據(jù)遼寧法計算不同頻率的設計洪水過程線,結(jié)果如圖1 所示。其中,陶房河和圣水河的洪水過程線較為尖瘦,洪水歷時偏短,而老龍頭河洪水過程歷時更長。就洪峰流量而言,陶房河50 年一遇和20 年一遇設計洪峰流量分別為195.0,149.0 m3/s;圣水河50 年一遇和20 年一遇設計洪峰流量分別為294.0,221.0 m3/s;老龍頭河50年一遇和20年一遇設計洪峰流量分別為735.0,553.0 m3/s。
此次研究還對3 條河流的最大洪量進行了統(tǒng)計,陶房河、圣水河和老龍頭河50 年一遇設計洪水最大3 h 洪量分別為1.74×106,2.58×106和7.25×106m3;20 年一遇設計洪水最大3 h 洪量分別為1.31×106,1.94×106和5.38×106m3;50 年一遇設計洪水最大6 h 洪量分別為2.58×106,3.76×106和1.22×107m3;20 年一遇設計洪水最大6 h 洪量分別為1.94×106,2.82×106和8.91×106m3??梢?,老龍頭河由于集水面積較大,洪峰和洪量均在陶房河和圣水河之上,陶房河和圣水河因洪水歷時較短,洪水期河道水位變化較快,增加了防洪減災的難度。設計洪水結(jié)果不僅可以作為水面線計算的上邊界條件輸入,也可為相似地區(qū)無資料洪水計算提供依據(jù)。
3.1.2 研究區(qū)設計潮位
由樣本系列計算后獲得樣本平均值和樣本標準差,并分別作為潮位(2.713)和σ(0.17)。由公式(10)估算α取值為7.73,u取值為2.638。根據(jù)公式(11)計算不同重現(xiàn)期對應的潮位值,部分重現(xiàn)期對應潮位計算結(jié)果見表2。
表2 部分重現(xiàn)期對應潮位計算結(jié)果表
3.1.3 擋潮閘上游設計洪水位
施工后的河道水面線計算,將擋潮閘所在斷面設置為下游邊界控制斷面,擋潮閘上游斷面設計洪水位設置為下游水位邊界條件。根據(jù)遼寧法,各河段施工后擋潮閘上游設計洪水位結(jié)果見表3。陶房河較圣水河和老龍頭河水位偏低,且50年一遇和20 年一遇水位差值較小。水位最高的圣水河,50 年一遇和20 年一遇水位差值為36 條河流最高,說明流量變化導致的斷面水位變幅大。老龍頭河洪峰流量最大,但水位和水位差值均低于圣水河,說明3條河流中老龍頭河河道過流能力最強。
表3 各河段擋潮閘上游水位結(jié)果表 m
將各河段擋潮閘上游水面線作為研究對象,使用HEC-RAS 模型對陶房河、圣水河和老龍頭河各設計標準的洪水情況進行模擬,計算得出施工前后的水面線,結(jié)果見表4。工程施工后,陶房河各斷面設計洪水水位明顯降低,上游和下游變化較小,中游變化較大。圣水河與老龍頭河設計洪水水位降低幅度比陶房河低,且下游水位(近擋潮閘)高于天然河道,這是由于工程建設目標中,除了提高防洪能力,還有蓄水壓堿的功能要求,因擋潮閘的擋水功能,圣水河和老龍頭河下游部分斷面水位較施工前出現(xiàn)0~0.63 m 小幅升高。
表4 陶房河現(xiàn)狀及整治后設計洪水水面線 m
施工前后的水位差值大小反映了河流防洪能力的改善程度,水位差值越大,防洪過流能力提升越大。水面線計算結(jié)果說明,陶房河在工程實施后防洪過流能力改善效果最為顯著,圣水河與老龍頭河防洪過流能力也得到一定提升。對比不同頻率洪水條件下水位差值,可見洪峰流量越大,水位差值越小。如陶房河在遭遇20 年一遇洪水時,水位下降最高達1.76 m,在遭遇50 年一遇洪水時,水位下降最高為1.49 m。圣水河在遭遇50 年一遇洪水時,水位較未施工前下降最高僅為0.55 m。因此,對于超標準洪水,除河道整治以外還需借助其他措施才能滿足防汛要求。
研究中所使用的無資料小流域設計暴雨、設計洪水及設計潮位計算方法在大連花園口經(jīng)濟區(qū)適用性較好,可為相似流域提供計算方法依據(jù)。在近海河段,擋潮閘可以有效地抬高擋潮閘上游附近水面線,蓄水壓堿,改善地下水水質(zhì),防止周圍土壤生境惡化。河道整治工程實施后,主要河道斷面水面線下降,防洪能力得以改善。然而,洪峰流量越大,水面線下降效果減弱,因此,在應對超標洪水時,還需結(jié)合其他措施防洪減災。