養(yǎng)息牧河新民段防洪規(guī)劃水面線計(jì)算方法淺析

周 明

(沈陽市水利規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110015)

養(yǎng)息牧河是遼河的一級(jí)支流，發(fā)源于遼寧省阜新市彰武縣三家子村北，流經(jīng)彰武縣和新民市，在新民市吉祥堡東南匯入遼河，河道全長(zhǎng)123km，新民段河長(zhǎng)35km，處在新民市重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)和城郊經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)域之間。兩岸堤防大部分為民堤，防御標(biāo)準(zhǔn)低，未經(jīng)過大規(guī)模整治。2010年養(yǎng)息牧河新民段發(fā)生較大洪水，河槽漫溢，內(nèi)澇嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅兩岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，引起了各級(jí)黨委和政府對(duì)整治養(yǎng)息牧河的高度重視。盡快編制養(yǎng)息牧河新民段防洪規(guī)劃顯得十分必要也尤為迫切。

水面線計(jì)算是防洪規(guī)劃中一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)工作，是確定防洪工程建設(shè)規(guī)模，核算工程量，確定投資規(guī)模的重要依據(jù)。具有牽一發(fā)而動(dòng)全身甚至顛覆總體規(guī)劃的作用，因此，水面線計(jì)算工作既是編制防洪規(guī)劃的基礎(chǔ)，也是龍頭。對(duì)于編制好防洪規(guī)劃具有決定性的控制作用。

1 水面線計(jì)算中的技術(shù)問題

水面線計(jì)算的基本思路：首先根據(jù)河道的地形圖對(duì)規(guī)劃河道進(jìn)行分段，依據(jù)各實(shí)測(cè)分段縱橫斷面的自然情況，劃分橫斷面的主槽和灘地界限，從調(diào)查的歷史資料中選取與設(shè)計(jì)流量相近的洪痕調(diào)查資料，計(jì)算出水面比降，采用曼寧公式推求各分段斷面的糙率，再利用河道恒定非均勻流基本方程推算各斷面間的局部損失系數(shù)(如果計(jì)算的局部水頭損失不在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)，需要重新計(jì)算河道糙率)，最后通過確定的起始水位，按已求得的各橫斷面糙率和局部損失系數(shù)，利用河道恒定非均勻流基本方程推求設(shè)計(jì)洪峰流量下的各斷面的設(shè)計(jì)水位，并對(duì)計(jì)算成果進(jìn)行合理性分析。

1.1 規(guī)劃河道的分段

水面線計(jì)算時(shí)，根據(jù)規(guī)劃河道沿線橫斷面的水力要素特征，將規(guī)劃河道分成若干個(gè)計(jì)算河段。河道分段的原則是使每個(gè)計(jì)算河段內(nèi)的河床平均底坡，斷面形式和糙率，流量等斷面水力要素基本一致；一般對(duì)平原河流，每個(gè)計(jì)算河段內(nèi)的水位差控制在幾十厘米至1～2m之間，計(jì)算河段長(zhǎng)度控制在2～4km之間。若規(guī)劃河段遇到擴(kuò)散或收縮河段等縱橫斷面變化較大的河段，應(yīng)對(duì)計(jì)算河段適當(dāng)加密，以提高水面線的計(jì)算精度。同時(shí)，對(duì)于歷史洪水調(diào)查資料豐富的河段，在河段縱橫斷面資料中有河段水位沿程變化情況，即沿線高、中、低水位的洪痕線(同一時(shí)刻洪痕線)，洪痕坡度基本一致，也可作為劃分規(guī)劃河段的依據(jù)。

養(yǎng)息牧河流域新民段屬平原洼地，河道平均比降0.85‰，比降平緩。根據(jù)上述原則，計(jì)算河段長(zhǎng)度控制在2km，水位差控制在1.2m左右。目前能收集到的1980、2009年和2017年的平面以及斷面資料，通過平面演變分析及各年橫斷面套匯分析，本次規(guī)劃河段上下游河寬變化較大處和急彎處實(shí)測(cè)斷面增加5處。新民河段沿線橋梁、攔河閘壩等跨河建筑物4座，需測(cè)量建筑物所在斷面及其下游50m天然斷面。養(yǎng)息牧河下游距河口8.6km處設(shè)有小荒地水文站，集水面積為1783km2。1954年6月設(shè)站至今，有沿線實(shí)測(cè)高、中、低水位的洪痕線，水文站處河段控制長(zhǎng)度取1km。因此，35km規(guī)劃河道共布置28個(gè)實(shí)測(cè)斷面，斷面間距50～2000m，平均間距為1250m。

1.2 河道糙率的選取

河道糙率是水面線計(jì)算中一個(gè)敏感因素。河道糙率受河槽和水流兩種因素的相互影響。河槽邊壁的粗糙程度、河床泥砂的顆粒大小、灘地上的植被組成，河槽斷面縱橫的幾何特性都是影響糙率的主要因素；對(duì)于有實(shí)測(cè)洪水資料的，可采用實(shí)測(cè)的現(xiàn)狀河道縱橫斷面資料，利用曼寧公式反推糙率，即使用已選用的糙率進(jìn)行水面曲線計(jì)算，其計(jì)算的水位成果與實(shí)際水位進(jìn)行比較，兩者應(yīng)盡量接近，否則應(yīng)對(duì)糙率進(jìn)行修正；對(duì)于無實(shí)測(cè)資料或資料短缺的河道，可參考《水力計(jì)算手冊(cè)》，并結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r相類似的河道經(jīng)驗(yàn)確定。

養(yǎng)息牧河新民段發(fā)生大洪水時(shí)，因防洪工程體系薄弱，防洪封閉圈基礎(chǔ)價(jià)差，洪水調(diào)查非常困難，因此養(yǎng)息牧河新民段至今無歷史洪水調(diào)查成果。但新民段有小荒地水文站，其歷史洪水位、流量、水面比降等歷史洪水資料比較全面，有利于確定水文站劃分河段的糙率。統(tǒng)計(jì)小荒地水文站1954—2015年共62年實(shí)測(cè)洪水資料，利用曼寧公式繪制出洪水流量-糙率曲線，再根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)流量查出水文站河段的糙率。新民河段河槽和河灘地地質(zhì)條件基本一致，利用水文站河段的糙率，根據(jù)灘地植物組成的不同結(jié)合《水力計(jì)算手冊(cè)》，并參考當(dāng)?shù)亓又卫斫?jīng)驗(yàn)，適當(dāng)調(diào)整沿河其他河段糙率。根據(jù)新民段沿線橋梁、攔河閘壩等4座跨河建筑物的洪痕資料，通過實(shí)地調(diào)查走訪估算洪痕所對(duì)應(yīng)的流量，利用實(shí)測(cè)的現(xiàn)狀縱橫斷面資料反算河道糙率，以此驗(yàn)證糙率選取是否適當(dāng)。但需要注意選取糙率時(shí)，計(jì)算河道水位的變化也影響糙率的大小，小洪水時(shí)糙率大于大洪水時(shí)的糙率。在作防洪規(guī)劃時(shí)，從安全方面考慮，糙率可選取大一些，計(jì)算的水面線要高一些，這樣堤防設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高。因此，通過本次規(guī)劃驗(yàn)證，得到設(shè)計(jì)流量的主槽糙率為0.028～0.033，灘地糙率為0.065～0.075。

1.3 局部水頭損失的選取

一般情況下，對(duì)于逐漸收縮的河段，因其水流不會(huì)發(fā)生回流，可忽略局部水頭損失，但如果河道局部地方有較突出的變化或障礙物，如河槽斷面的擴(kuò)大、干支流交匯處、急彎段和河道中的橋墩等，水流與岸壁脫離，致使水流產(chǎn)生渦旋，形成回流，并產(chǎn)生較大的局部水流阻力。這時(shí)就需要考慮局部水頭損失。

通過上述河段劃分和糙率選取，對(duì)于規(guī)劃河段斷面擴(kuò)大處和河道急彎處等斷面要素變化大的河段要考慮局部水頭損失。通過調(diào)整河道糙率，試算局部水頭損失系數(shù)，既要使局部水頭損失系數(shù)在經(jīng)驗(yàn)取值范圍內(nèi)，又要使河道糙率在本次規(guī)劃驗(yàn)證值內(nèi)。本次重新調(diào)整河段糙率后，根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》中局部水頭損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，橋墩阻力局部水頭損失系數(shù)用0.18，彎道局部水頭損失系數(shù)取0.05，河道擴(kuò)散河段損失系數(shù)用-0.45～-0.75，局部損失系數(shù)為負(fù)，是要保證擴(kuò)散河段的局部水頭損失值為正而加的。

1.4 起始水位的確定

推求規(guī)劃河段水面線時(shí)，需要已知起始斷面的起始水位。對(duì)于推求支流河道的起始水位，需要先分析支流與匯入的干流洪水遭遇情況：如果干流與支流洪水遭遇，則應(yīng)分析干流為主支流相應(yīng)和支流為主干流相應(yīng)的兩種情況，選取兩種情況的外包線作為支流設(shè)計(jì)水面線；如果干流與支流洪水不遭遇，則應(yīng)分析支流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)干流流量相應(yīng)和干流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)支流流量相應(yīng)的兩種情況，取其兩種情況的外包線作為支流設(shè)計(jì)水面線。

養(yǎng)息牧河河口上游65km為石佛寺水庫。由于地理位置和地形影響，遼河流域暴雨中心籠罩范圍多出現(xiàn)于通江口至石佛寺之間的左側(cè)支流山區(qū)一帶，易在石佛寺處形成較大洪水。而石佛寺以下的右側(cè)支流地區(qū)降雨量較少，境內(nèi)多為丘陵、黃土沙丘，植被條件極差，產(chǎn)匯流條件較差。通過分析小荒地水文站與遼河養(yǎng)息牧河匯合口上下游水文站的洪峰發(fā)生時(shí)間，發(fā)現(xiàn)在石佛寺洪水到來之前養(yǎng)息牧河洪水已先行下泄。根據(jù)小荒地水文站1954—2015年共62年實(shí)測(cè)洪水資料分析可知，實(shí)測(cè)系列中排在前三位的洪水發(fā)生在1969、1975年和1991年，相應(yīng)遼河干流發(fā)生洪峰及時(shí)間情況見表1。

綜合以上分析：遼河石佛寺以上洪水與養(yǎng)息牧河洪水基本不遭遇。養(yǎng)息牧河發(fā)生

表1 養(yǎng)息牧河較大洪水與遼河洪峰發(fā)生時(shí)間對(duì)比表

較大洪水的年份遭遇遼河流量一般為平槽流量1000m3/s左右。水面線計(jì)算的起點(diǎn)斷面位于養(yǎng)息牧河與遼河入河口處，結(jié)合表1的結(jié)論，推求考慮到遼河、養(yǎng)息牧河洪水不遭遇，各頻率設(shè)計(jì)水面線的起點(diǎn)水位，選用養(yǎng)息牧河相應(yīng)流量與遼干為1000m3/s平槽流量進(jìn)行組合。流量組合后按照匯流點(diǎn)在遼干相應(yīng)斷面進(jìn)行水位插值計(jì)算。結(jié)果見表2。

表2 起點(diǎn)水位成果表

表2起點(diǎn)水位成果是以養(yǎng)息牧河來水為主，遼干相應(yīng)情況下的成果。當(dāng)以遼干來水為主時(shí)，即遼河干流發(fā)生50年一遇洪水時(shí)，養(yǎng)息牧河相應(yīng)洪峰流量?jī)H有60m3/s，此時(shí)養(yǎng)息牧河口的起點(diǎn)水位為35.13m。

養(yǎng)息牧河設(shè)計(jì)水面線計(jì)算分別采用“養(yǎng)息牧河設(shè)計(jì)、遼河相應(yīng)”以及“遼河設(shè)計(jì)、養(yǎng)息牧河相應(yīng)”兩種方式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果取兩種方式外包線作為養(yǎng)息牧河新民段設(shè)計(jì)水面線。

1.5 計(jì)算成果合理性分析

將不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)水面線計(jì)算成果與已有的實(shí)測(cè)洪痕調(diào)查的水面線繪制在同一張圖中。對(duì)不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)水面線成果進(jìn)行合理性分析。分析原則：計(jì)算水面線應(yīng)比較平順光滑，除擴(kuò)散或收縮河段等縱橫斷面變化較大的河段外，相臨斷面的水面線不存在明顯轉(zhuǎn)折或跳躍等現(xiàn)象；不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)水面線相互協(xié)調(diào)，各水面線不應(yīng)有交叉。

本次規(guī)劃計(jì)算得到的養(yǎng)息牧河新民段各標(biāo)準(zhǔn)水面線坡度基本一致，在遇橋梁、攔河閘壩等4座跨河建筑物時(shí)，水面線壅高0.05～0.18m，其余處水面線比較平滑，無明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。檢驗(yàn)水面線計(jì)算成果的重要依據(jù)是河道洪水痕跡。在同一張紙中繪制本次計(jì)算水面線與小荒地水文站實(shí)測(cè)水面線，各水面線均無交點(diǎn)，近似平行。經(jīng)水文站實(shí)測(cè)資料校核驗(yàn)證，本次計(jì)算成果合理、可靠。

2 結(jié)語

養(yǎng)息牧河新民段堤防設(shè)計(jì)是以水面線計(jì)算成果為重要依據(jù)。水面線計(jì)算成果的可靠性，不僅影響工程的投資，還影響到保護(hù)區(qū)的受災(zāi)程度。因此，規(guī)劃河道的劃分、河道糙率和局部水頭損失的選取、起始水位的確定等問題需要細(xì)心調(diào)整處理和多次分析研究。通過上述分析為類似河流防洪規(guī)劃中水面線的計(jì)算提供借鑒和參考。