城市化區(qū)域典型生態(tài)防洪策略選擇研究

侯 坦 高 成

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市下墊面不透水面積所占比例增大，地區(qū)人口密度急劇加大，城市生態(tài)環(huán)境條件被破壞[1-2]，進(jìn)而引起局部氣候和城市水循環(huán)條件發(fā)生變化，即城市化水文效應(yīng)，導(dǎo)致降雨量增加[3].因而對(duì)城市河流的防洪要求日益提高.

城市河流指流域中非滲水面積率高于10%，完全恢復(fù)至開發(fā)前狀態(tài)可能性極小、生態(tài)功能明顯退化的河流[4].河道設(shè)計(jì)既要考慮生態(tài)安全，又要滿足防洪要求，即通過(guò)對(duì)城市河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)實(shí)現(xiàn)生態(tài)防洪.通過(guò)重建緩沖帶、設(shè)置生態(tài)護(hù)坡或人工濕地、培育河濱生境，降低洪水風(fēng)險(xiǎn)，減少洪水災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)生態(tài)防洪目標(biāo)[5].在現(xiàn)有的研究和河湖治理實(shí)踐中，提出了一些生態(tài)景觀與防洪相結(jié)合的綜合治理措施，比如生態(tài)濕地的布設(shè)、河道岸坡生態(tài)化等[6-7].對(duì)于整治后的生態(tài)防洪效果，現(xiàn)有研究成果更多地在于防洪校核，也有部分成果指出植被群對(duì)河流具有很強(qiáng)的阻水作用，糙率越大，景觀對(duì)水流的阻力越大，流速越小，水位越高[8].然而在生態(tài)防洪策略選擇方面，尚未考慮生態(tài)措施布設(shè)位置和規(guī)模對(duì)河道行洪的影響程度.因此本文以城市生態(tài)河道的防洪效果為研究對(duì)象，利用MIKE11模型對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行概化，分析傳統(tǒng)城市護(hù)岸及生態(tài)護(hù)岸的防洪效果，并將人工濕地與城市生態(tài)河道相結(jié)合，并分析研究人工濕地的大小及不同布設(shè)位置的減災(zāi)效果影響，為低影響開發(fā)和生態(tài)河道的進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒.

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

桐廬縣麻蓬單元位于桐廬縣老城區(qū)的西北部，總用地為455.90 萬(wàn)m2.四季分明，光照充足，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛.年平均日照1936h，年平均氣溫16.5℃，年均總降雨量1462mm.

本次所研究的麻蓬溝為麻蓬區(qū)域主要排水河道，匯水面積約76.12萬(wàn)m2.全長(zhǎng)約2351.6m，平均比降0.25‰.河道為梯形斷面，底寬20m，頂寬30m，邊坡比為3∶10.河道上游底高程為12.5m，頂高程為14m，下游底高程為11.91m，頂高程為13.41m.上游為自由入流，下游匯入分水江，無(wú)中間入流.河道現(xiàn)為硬質(zhì)漿砌石護(hù)坡，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇.本次研究將其改造為生態(tài)河道并令其滿足防洪要求.

1.2 模型概化

MIKE11模型是模擬一維水流和水質(zhì)的國(guó)際化工程軟件，經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐驗(yàn)證，適用于包括復(fù)雜平原河網(wǎng)在內(nèi)的一維非恒定流計(jì)算.本次研究河道行洪過(guò)程，涉及水動(dòng)力模塊HD.HD 水動(dòng)力模塊中描述一維非恒定水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的控制方程組為圣維南方程組，由質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和能量守恒的動(dòng)量方程組成[9]，分別為：

式中，x、t分別為計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e ；Q為 過(guò) 流 流 量 ；h為 水 位 ；q為 旁 側(cè) 入 流流 量 ；C為 謝 才 系 數(shù) ；R為 水 力 半 徑 ；α為 動(dòng) 量 校 正 系數(shù)；g為重力加速度.

1.3 參數(shù)設(shè)定

城市生態(tài)河道設(shè)置糙率時(shí)，不同的植被類型有不同的糙率，對(duì)河道的防洪排澇能力影響也不同，影響自然河道糙率的因素很多，主要包括河槽內(nèi)的植被、河道護(hù)坡的植被和河道表面的粗糙程度等[10-11].由于影響糙率的因素復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的求解，可采用粗估法、水力學(xué)方法、理論公式方法進(jìn)行估測(cè)[8].

本次研究3種護(hù)坡類型，分別為漿砌石、草地、挺水植物，3種類型的護(hù)坡的糙率按照粗估法，結(jié)合水力計(jì)算手冊(cè)進(jìn)行估值，分別取值為0.025、0.03、0.035.

1.4 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

設(shè)計(jì)暴雨采用芝加哥雨型作為設(shè)計(jì)雨型.通過(guò)統(tǒng)計(jì)肖嶺站歷年較大雨量的時(shí)間分布，分析各次降雨的雨峰位置，得出暴雨綜合參數(shù)r=0.5.取短歷時(shí)120min雨量，計(jì)算時(shí)段為5min，雨峰位置位于第13時(shí)段.

設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配根據(jù)暴雨分析，并參考本流域及相近流域有關(guān)資料，綜合分析得出暴雨衰減指數(shù)Np取值如下：重現(xiàn)期T＜100年，Np=0.6.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

1.5 上下游邊界條件

本次計(jì)算主要針對(duì)于麻蓬溝，上游入流邊界采用設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，計(jì)算得出的設(shè)計(jì)洪水作為麻蓬溝的上游入流邊界條件，下游排放口設(shè)計(jì)洪水位采用同等雨量下計(jì)算得到的分水江的水位邊界控制，見(jiàn)表2.

表1 桐廬縣長(zhǎng)歷時(shí)設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程(20a一遇) (單位：mm)

表2 上下游水位邊界條件(20年一遇)

2 生態(tài)河道防洪效果研究

2.1 護(hù)坡植被類型對(duì)防洪效果的影響

本次研究包括漿砌石、草地、挺水植物3種護(hù)坡類型.3種條件下的河道行洪過(guò)程最高水位如圖1所示.

圖1 不同糙率下的最高水位

由圖1可知，隨著糙率的增大，河道的最高水位逐漸升高；且糙率對(duì)河道上游最高水位的影響最大，越往下游影響越小.在河道出口，由于受下游邊界水位的影響，最高水位相同.

將普通的漿砌石護(hù)坡改為生態(tài)護(hù)坡后，河道的糙率隨之增加，對(duì)河道的行洪產(chǎn)生影響，導(dǎo)致水流流速減慢，水位雍高，不能滿足防洪的要求.但同時(shí)也增加了河道的滯洪能力，延長(zhǎng)了最高水位的出現(xiàn)時(shí)間.

2.2 河道布設(shè)不同面積的人工濕地對(duì)防洪效果的影響

本次研究所設(shè)計(jì)的人工濕地，為沿河拓寬的三角形水域，濕地最深處與河底高程相同，沿垂直河道方向逐漸升高，最終與河岸高程相同.植被選擇挺水植物，河道和濕地的糙率設(shè)定為0.035.人工濕地布設(shè)概化圖如圖2所示.

圖2 人工濕地布設(shè)概化圖

在河道中游1100m 處布設(shè)人工濕地，面積分別為為10000m2、20000m2、30000m2.計(jì)算得到河道行洪過(guò)程中的最高水位如圖3所示.

圖3 添加人工濕地后的最高水位

由圖3可知，將不同面積的人工濕地設(shè)置在河道中游，對(duì)河道上游的最高水位有一定的削弱作用，對(duì)中上游的的削弱效果最為明顯，且濕地面積越大，削峰效果越好.而對(duì)于河道下游，削峰效果不明顯.

在河道上添加人工濕地，擴(kuò)大了河道的蓄水面積，使得上游的洪水可以先在濕地中蓄積和停滯，降低最高水位，延遲最高水位的出現(xiàn)時(shí)間，減輕下游河道的泄洪壓力.

2.3 人工濕地在河道的不同位置對(duì)防洪效果的影響

改變?nèi)斯竦卦诤拥郎系南鄬?duì)位置，分別在河道上游200m、中游1100m 和下游2000m 處布置人工濕地，濕地面積均為20000m2，河道和濕地的曼寧糙率為0.035，河道在行洪過(guò)程中的最高水位如圖4所示.

圖4 改變?nèi)斯竦匚恢煤蟮淖罡咚?/p>

由圖4可知，改變?nèi)斯竦卦诤拥郎系奈恢?，?dāng)濕地布設(shè)在河道上游時(shí)，對(duì)于最高水位的削峰作用僅限于河道上游；將濕地布設(shè)在河道中游，對(duì)濕地的上游部分河道都有明顯的削峰效果；將濕地布設(shè)在河道下游，對(duì)整條河道都有較好的削峰作用.不管濕地布設(shè)在何處，對(duì)濕地上游的河道均有削峰的作用，濕地水面可以短暫的蓄滯洪水，避免上游水位過(guò)高；對(duì)于濕地下游的河道，洪峰不受明顯影響，但最高水位的出現(xiàn)時(shí)間得以推遲，有利于河道下游的泄洪.

2.4 綜合考慮河道糙率與濕地面積及位置對(duì)防洪效果的影響

結(jié)合2.1～2.3節(jié)中的結(jié)論，綜合得到最終的生態(tài)河道改造方案：河道上游選擇草地護(hù)坡，糙率為0.03；河道下游布置濕地，糙率為0.035，面積為30000m2，最終得到最適宜的河道生態(tài)防洪方案，如圖5所示.

圖5 最終方案、漿砌石護(hù)坡最高水位與岸頂高程相比較

由圖5可知，最終的生態(tài)防洪方案的最高水位，與岸頂高程相比滿足防洪要求；與改造前的硬質(zhì)漿砌石護(hù)坡的最高水位相比，中上游略高，下游水位略低，總體相差無(wú)幾，且兼顧生態(tài)需要，可作為麻蓬溝的生態(tài)改造方案.

3 結(jié) 論

1)對(duì)于傳統(tǒng)的城市河道，當(dāng)糙率為單一變量時(shí)，隨著糙率的增加，河道的最高水位也增大.且不同糙率的護(hù)坡對(duì)上游最高水位影響最大，對(duì)中游影響次之，對(duì)下游影響最小.

2)在河道中游布設(shè)濕地后，對(duì)河道上游及中游的最高水位影響較為明顯，且濕地面積越大，削減作用越明顯；將人工濕地布設(shè)于河道下游時(shí)，可以對(duì)整條河道進(jìn)行削峰，防洪效果最好.