義縣河道生態(tài)治理中HEC-RAS技術(shù)的應(yīng)用研究

鄭亞峰

(錦州市義縣靠山屯水庫管理所，遼寧 錦州 121100)

0 引 言

伴隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快以及人水和諧理念的不斷深入，人們越來越重視河流水系良好的生態(tài)服務(wù)功能和濱河宜居的自然環(huán)境，河道綜合治理工程開始向“文化、休閑、舒適、優(yōu)美”的方向發(fā)展。為及時(shí)有效地掌握河床狀況、河灘植被、水位抬高等因素受河道治理工程措施的影響，探究水流受河道斷面結(jié)構(gòu)的作用以及不同水位條件下植被的配置方法，運(yùn)用HEC-RAS模型確定河道水面線，并考慮治理前后各個(gè)斷面的水位變化與不同部位糙率系數(shù)的差異評判工程實(shí)施效果，以期為河流水生態(tài)修復(fù)以及綜合治理方案設(shè)計(jì)提供參考[1-3]。

1 HEC-RAS軟件

美國水文研究中心開發(fā)的一款非恒定流或一維恒定流HEC-RAS模型，對于分析水體流動和確定洪泛區(qū)域具有較強(qiáng)適用性。其中，輸出設(shè)備、水文分析工具、資料記憶管理裝置以及圖表使用界面等為組成系統(tǒng)的主要模塊。根據(jù)模型分析成果，可為洪水安全分析、洪水區(qū)域管理研究、洪水危害程度以及淹沒范圍評判提供依據(jù)。HEC-RAS模型現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水面線推算領(lǐng)域，如河道整治工程，應(yīng)充分考慮橋涵沖刷、流速變化、壅水高度等對輸水的影響[4,5]。

目前，水面線推求的方法有能量方程式、圣維南方程組等，對于水位能夠顯著影響整治工程的天然河道水面線的推求，比較適用的推算方法為HEC-RAS模型。此外，在推求防洪規(guī)劃工程水面線時(shí)有學(xué)者應(yīng)用了HEC-RAS模型，從而實(shí)現(xiàn)對河道現(xiàn)狀防洪能力的直觀判斷。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

義縣大凌河破臺子大橋至萬佛堂河河口段，河流兩岸以平坦的河灘地為主，河灘地內(nèi)為大片草地、稀疏野生灌木帶，兩岸岸上有大片林地、耕地，河道岸坎均無防護(hù)措施。由于受河道河勢及對岸沖刷影響，河灘地內(nèi)生態(tài)措施薄弱，生態(tài)環(huán)境脆弱，河灘地內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)極易遭受破壞；其中，萬佛堂河河口上游左岸600m屬大凌河老河道，上游白石水庫泄洪，河勢經(jīng)沖刷擺動后，整休主槽移至河道右岸，左岸大片灘地及河槽生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水生生物及陸生生物均已逐漸減少。工程區(qū)內(nèi)右岸河段急劇縮窄，河道行洪斷面突然變小不利于行洪安全。因河道縮窄、水位雍高時(shí)，右岸防汛管理路及兩岸規(guī)劃的大凌河國家濕地公園易遭受洪水破壞，破壞防汛逃生通道，造成較大財(cái)產(chǎn)損失?？傮w而言，河道兩岸無任何防護(hù)措施，洪水來臨時(shí)極易發(fā)生沖刷，造成岸坎的淘空、坍塌和嚴(yán)重水土流失，灘地植被面積逐年減小，對河流兩岸的生態(tài)環(huán)境造成破壞[6,7]。

綜合治理工程起始點(diǎn)河心樁號K0+000、K2+388，治理段河長2.39km，河道主槽寬度變化較大，處于50-200m之間，河流彎曲系數(shù)1.06，河道平面形態(tài)較為穩(wěn)定。工程治理內(nèi)容有清淤疏浚、生態(tài)護(hù)岸、修筑潛壩、修建跌水、河岸綠化、濕地工程等，通過治理工程使破臺大橋上下游河段水域岸線開發(fā)利用得以合理規(guī)劃，岸線規(guī)劃利用功能與建設(shè)項(xiàng)目協(xié)調(diào)。根據(jù)河道的岸線資源條件，采取防洪防護(hù)工程建設(shè)，打造凌河精品工程，改善生態(tài)體系、穩(wěn)定河勢、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及保障行洪安全[8]。

2.2 計(jì)算條件

1)基本資料。工程測量工作于2018年3月完成，平面比例尺及斷面測量間距依據(jù)施工圖測量深度要求，滿足設(shè)計(jì)和計(jì)算工程量需要；河道帶狀地形圖比例尺為1：1000，河道大橫斷圖比例尺1：100。

2)河道糙率。河道糙率是河槽與水流相互作用的產(chǎn)物，其影響因素有水流、河槽兩大方面。例如，落入河流的枯落物能夠降低徑流流速，增加糙率；河道糙率受流速、水深等水流因素以及河灘內(nèi)植物密度、形狀、高矮、長勢等影響較大。天然河道糙率可以利用洪水調(diào)查水跡法或?qū)崪y水面線來反推，也可按照水位流量實(shí)測資料反推。由于該區(qū)段河道糙率無實(shí)測值，根據(jù)現(xiàn)場查勘，河道主槽及河灘現(xiàn)狀基本為裸露的雜填土、砂礫石、卵石等，灘槽變化不大，灘地寬度較小，依據(jù)相關(guān)規(guī)范、參考其他類似已建工程及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，確定水面線計(jì)算利用灘槽綜合糙率0.027-0.040。

3)起點(diǎn)水位。工程起推斷面考慮河道上下游平順性，最終選取K2-650斷面作為水面線計(jì)算的起始斷面；設(shè)計(jì)流量時(shí)Q=6580m3/s(P=10%)，Q=4353m3/s(P=20%)，采用單斷面比降法計(jì)算該斷面水位流量關(guān)系，確定該斷面20年、10a一遇設(shè)計(jì)洪水流量的相應(yīng)水位為72.89m、72.86m。

4)水面線計(jì)算。將水線面利用分段求和法和HEC-RAS水力模型計(jì)算，數(shù)學(xué)公式為：

(1)

式中：a1、a2為動能校正系數(shù)；v1、v2為上、下游斷面平均流速，m/s；hj、hf為沿程和局部水頭損失，m；z1、z2為上、下游斷面水位高程，m；g為水力參數(shù)，取9.8m3/s。

局部水頭損失hf利用以下公式求解，即：

(2)

式中：ξ為局部水頭損失系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 河道水面線計(jì)算

大凌河設(shè)計(jì)水面線計(jì)算利用HEC-RAS軟件V5.0實(shí)現(xiàn)，一般斷面間用能量方程式推算，如表1、2。結(jié)果顯示，河道治理前、后10a一遇洪水流速為1.42-6.02m/s、1.65-6.84m/s，20a一遇洪水流速為1.75-7.06m/s、1.87-7.06m/s。可見，同等標(biāo)準(zhǔn)下河道治理在一定程度上增大了水流速度，并且水深也有所增加。實(shí)踐工程中，河道清淤疏浚工程的實(shí)施，改變了右岸原有的岸線，有利于穩(wěn)定水流流態(tài)，增大河道過流能力，疏浚寬度80-160m，平均清淤深度0.52m，總治理長度1.332km。

表1 大凌河水面線復(fù)核成果(治理前)

表2 大凌河水面線計(jì)算成果(治理后)

在3.2 治理前后水位模擬

根據(jù)水位變化規(guī)律，可為區(qū)域防洪規(guī)劃、河道管理水生態(tài)修復(fù)等提供科學(xué)指導(dǎo)。結(jié)合實(shí)際情況，治理前水面線呈明顯的不平穩(wěn)變化特征，流速變化劇烈且水深忽高忽低。綜合治理工程的實(shí)施使得河道水深變化趨于平穩(wěn)，水面線更加平緩，河道的平均水深和最大水深較治理前均明顯增加。治理前部分河段漫堤現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，生態(tài)護(hù)岸、清淤疏浚工程的實(shí)施在一定程度上緩解了河岸受洪水的沖刷作用。

3.3 河流植物配置

1)植物的配置。根據(jù)水面線計(jì)算成果，可以為不同水位條件下河道治理工程中植物措施配置提供參考，不同水位深度的植物群落配置存在一定差異。例如，常水位以上濱水植物群落以水蔥、山桃、垂柳等為主，淺水區(qū)(水深0.3-0.9m)沉水、浮葉及挺水植物群落以荷花、蘆葦、莕菜和鳶尾為主，深水區(qū)(水深0.3-0.9m)漂浮植物及沉水植物群落以莕菜、黑藻及眼子菜為主。水生植物與自然界的長期適應(yīng)使得不同水深條件下水生植物配置存在較大差異，挺水植物植株高度一般與其水深適應(yīng)性相關(guān)，水深適應(yīng)能力越強(qiáng)則植株越高大，如旱金草、蘆葦?shù)?。?shí)踐表明，挺水植物受水深脅迫越大、根莖淹水深度越深，則根莖生長速度越低。0-10cm的淺水環(huán)境中比較適于千屈草扦插苗的生長，而在水深20cm、40cm梯度下生長受到明顯抑制甚至不能存貨。有學(xué)者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水深30cm最宜生長香蒲和茭草，水深0-30cm、0cm最宜生長菖蒲和水蔥。所以，在河道治理過程有必要考慮HEC-RAS水線面計(jì)算成果，將不同水生植物群落配置于常水位以下各水深區(qū)域內(nèi)，因此將常見濱水喬木、垂柳等零星栽植于臨河岸邊，常水位以上河漫灘區(qū)適當(dāng)栽植耐水濕的灌木和水陸兩棲植物。

2)水生植物的施工方法：根據(jù)設(shè)計(jì)要求及對栽植區(qū)域進(jìn)行水底整地，整地要求須根據(jù)不同水生植物生長水深控制高程，整地后再進(jìn)行起苗、運(yùn)輸、栽植，栽植時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)及施工圖要求進(jìn)行栽植，同時(shí)對根莖和裸根苗必須采取保水保濕措施，并在兩天內(nèi)種植，起苗開始暴露時(shí)間不宜超過3h。栽植除荷花之外的水生植物時(shí)，在有利條件下應(yīng)使水位降低至露出地面進(jìn)行栽植，即為無水栽植；栽植荷花時(shí)控制水深為10cm至20cm為宜進(jìn)行栽植，即為有水栽植，最后栽植荷花。水生植物栽植：全面整地，水下插入或旱地栽植。

3)陸生生態(tài)綠化施工方法：對生態(tài)工程區(qū)域進(jìn)行全面整理，在施工準(zhǔn)備期前，要對地下障礙物、雜物、廢棄物以及場地清理，將雜草翻到地下；為提高樹木成活率以及減少病蟲對林木的危害，把地下病菌、害蟲翻轉(zhuǎn)至地面并經(jīng)日照和高溫處理將其殺死。在土地整理完成后，按設(shè)計(jì)要求分區(qū)域進(jìn)行全面客土和穴狀客土，再根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行放樣，之后再進(jìn)行栽植和樹木配植。其中，喬木栽植：采用樹盤穴狀整地栽植；灌木栽植：以大面積片植進(jìn)行全面整地或單點(diǎn)點(diǎn)綴形式穴壯整地栽植，即單進(jìn)叢整地；地被栽植：草坪、低矮灌木(花木類)采取全面整地撒播草籽和條狀栽植。

4 結(jié) 論

大凌河義縣段河道治理前，兩岸無任何防護(hù)措施，洪水來臨時(shí)極易發(fā)生沖刷，造成岸坎的淘空、坍塌和嚴(yán)重水土流失，灘地植被面積不斷減小，沿岸生態(tài)環(huán)境受到破壞。通過采取清淤疏浚、生態(tài)護(hù)岸、修筑潛壩、修建跌水、河岸綠化、濕地工程等，能夠穩(wěn)定河勢、確保行洪安全、保護(hù)和修復(fù)生態(tài)環(huán)境。

根據(jù)水面線計(jì)算成果，治理前水面線呈顯著不平穩(wěn)變化特征，水深忽高忽低且水流流速變化劇烈；治理后河道水深和水面線更加趨于平穩(wěn)，河道的平均和最大水深較治理前均明顯增加。生態(tài)護(hù)岸、清淤疏浚工程的實(shí)施在一定程度上緩解了河岸受洪水的沖刷作用，有效減少了河道漫堤的發(fā)生。

為科學(xué)合理的配置濱水植物群落，要考慮水面線成果和不同河段特點(diǎn)，保證不同水生植物群落的配置與常水位以下不同水深區(qū)域的協(xié)調(diào)適應(yīng)性。即，30cm以下水深、30-90cm水深、常水位以上河漫灘部分栽植菖蒲、、蘆葦或莕菜、部分水陸兩棲植物或耐水濕灌木(女貞、千屈草、水蔥)，而常見濱水喬木多栽植于臨河道岸邊。