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）

0 引言

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。

1 研究背景

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 研究方法

2.1 研究區(qū)雨潮參數(shù)計算

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 水面線計算

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 結(jié)果與分析

3.1 雨潮參數(shù)計算結(jié)果

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

3.2 水面線結(jié)果及河道行洪能力分析

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。

4 結(jié)語

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。