不同清障方案下遼河平原復(fù)雜套堤過洪影響分析

崔 巍

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

1 基本情況

遼河全河套堤共194處，總長553.874km，涉及遼河沿岸的13個縣區(qū)、1個國營農(nóng)場[1]。遼河上的的套堤大致可以分為三種類型：第一種是保護居民和農(nóng)業(yè)設(shè)施、耕地等，這也是最為普遍的一種套堤；第二種是用作河道管理路；第三種是沿河支渠、泵站等導(dǎo)水堤[2]。遼河石佛寺回水末端至福德店段河道面積294.7km2，現(xiàn)有套堤54座，套堤內(nèi)土地面積42km2，占河道面積的14%。套堤堤高較小，一般不超過1.5m，且套堤橫向?qū)挾纫草^小，一般不超過400m，因此其阻水并不嚴(yán)重。遼河石佛寺壩下至盤山段河道面積555.3km2，現(xiàn)有套堤113座，套堤內(nèi)土地面積34.50萬畝，占河道面積的41%。套堤堤高一般均大于1.5m，個別可達4.0～5.0m，橫向?qū)挾纫话阍?00～1500m之間，阻水較嚴(yán)重。盤錦市區(qū)(大洼區(qū)、雙臺子區(qū)、興隆臺區(qū)、盤錦監(jiān)獄)段河道面積53.7km2，現(xiàn)有套堤27座，套堤內(nèi)土地面積17km2，占河道面積的31.7%，套堤堤高1～4m，橫向?qū)挾仍?00～1000m之間[3- 6]。遼河灘地均為遼河沖積而成，土地肥沃，農(nóng)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，是遼河兩岸包括保護區(qū)在內(nèi)的優(yōu)良農(nóng)田，各級政府和群眾均非常重視河灘地內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。從20世紀(jì)五六十年代開始，遼河河灘地農(nóng)業(yè)耕種便已形成規(guī)模，為保護農(nóng)田免受洪澇災(zāi)害威脅，逐漸建設(shè)成大大小小的民堤和圍堤。20世紀(jì)80年代末遼河整治時雖然大堤建設(shè)將套堤留在了河道內(nèi)，并計劃對其進行清除，但由于客觀條件限制，當(dāng)時并未實施[7- 11]。由于遼河套堤嚴(yán)重影響河道安全行洪，組織過數(shù)次針對河道內(nèi)的清障行動。目前，部分清障工作基本實施完成，并沿1050線(遼河封育區(qū)以內(nèi))附近的套堤修建了遼河管理路，但1050線至大堤之間的套堤未有系統(tǒng)清除[12]。遼河干流洪水預(yù)警技術(shù)研究近些年來取得一定研究成果[13- 15]，但對于遼河套堤過洪影響研究成果還較少，為此本文設(shè)置不同工況，采用水力學(xué)模型對遼河套堤過洪影響進行分析，研究成果可以為遼河干流科學(xué)防汛減災(zāi)決策提供技術(shù)支撐。

2 計算方法

2.1 模型原理

套堤的過洪影響采用二維水動力學(xué)模型。二維水動力學(xué)模型計算原理依據(jù)的是描述水流運動的二維非恒定流方程組，共包括3個方程:水流連續(xù)性方程、水流沿x方向的動量方程及水流沿y方向的動量方程，形式如下:

(1)

(2)

(3)

式中，h—水深，m；ζ—水面高程，m；p、q—x、y方向的單寬流量，m/s；其中p=uh，q=vh，u、v分別—x、y方向上沿水深的平均流速，m/s；C—謝才系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；f—風(fēng)摩擦系數(shù)；V、Vx、Vy—風(fēng)速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω—柯氏力參數(shù)，s-1；Pa—大氣壓強，kg/(m/s2)；ρw—水的密度，kg/m3；S、Six、Si—源匯項及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy—有效剪切力分量。根據(jù)以上方程組，利用迭代法求解即可得到每一時刻在(x，y)處的水位、水深h以及x，y方向的流速u、v。

2.2 邊界條件及計算參數(shù)

上邊界條件采用石佛寺水庫設(shè)計300年放流流量過程線，下邊界條件采用福德店50年來水進行計算，河段主槽糙率取值為0.025，灘地糙率取值為0.075，洪水成果表見表1—2。

表1 石佛寺水庫不同量級降水對應(yīng)的洪水成果表

表2 福德店站不同量級降水對應(yīng)的洪水成果表

3 套堤影響分析

3.1 水面線計算方案

20世紀(jì)80年代末，遼河整治建設(shè)堤防設(shè)計地形為套堤全部清除，石佛寺回水末端至福德店段農(nóng)村段堤防建設(shè)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～30年一遇，鐵嶺市100年一遇，石佛寺壩下至盤山段堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，盤錦市主城區(qū)段堤防建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，新城區(qū)10～20年一遇。為分析遼河套堤對水面線的影響，本文分以下2種工況計算河段設(shè)計水面線進行比較:①全清障，即保留河道內(nèi)管理路順堤，改建管理路橫堤，控制橫堤路頂與灘面高差不大于0.5m，其余套堤全部清除。②現(xiàn)狀地形，即保留套堤，套堤漫水而不潰決。

3.2套堤過洪影響分析

選取遼河L118至L124河段分別建立二維水力計算模型，河段長度16.6km，曲折系數(shù)1.23。本次只選取1個套堤(遼河右岸57～65#套堤組成的外圍套堤)，長10.7km，套堤與大堤距離為400～1700m，平均距離約1200m。套堤位置如圖1所示。

圖1 遼河右岸57～65#套堤位置示意圖

分別計算在流量為2500m3/s、3500m3/s和5250m3/s(設(shè)計流量)時套堤口門寬度分別為0、100、200、300、400、500、600、800條件下對套堤內(nèi)外水位的影響。起點水位根據(jù)L118的設(shè)計水位流量關(guān)系取值，主槽糙率0.025，灘地糙率0.075。各斷面在流量分別為2500m3/s、3500m3/s和5250m3/s時不同套堤口門寬度對河道斷面水位的影響及套堤上游局部的水位影響如圖2所示。

圖2 各斷面套堤及套堤上游局部過洪影響曲線

從各斷面套堤及套堤上游局部過洪影響曲線中可以看出套堤過洪影響曲線在口門寬度為0～400m時較陡，400m以后變緩，說明當(dāng)套堤口門寬度大于400m時，套堤對河道水位的影響變化很小，套堤對行洪的阻礙基本消除。

3.3 套堤簡化處理方式

分別采用一維和二維水力學(xué)模型對不同套堤斷面進行模擬試算，按照參數(shù)取值范圍和影響因素對套堤進行簡化處理，選取的河段流量設(shè)計值為5250m3/s，因此構(gòu)建的水力學(xué)模型的流量采用值也為該流量值，遼河大堤初始計算斷面的水位值為23.71m，河槽以及灘地的糙率值分別設(shè)置為0.025和0.075，各斷面的水位首先采用二維水力學(xué)模型計算沒有套堤情況下的水位模擬，在不改變邊界條件的基礎(chǔ)上采用一維水力學(xué)模型對其糙率進行調(diào)整，二維模型計算的成果結(jié)合套堤開口寬度進行復(fù)核，不同維度的水位復(fù)核差值要控制在±0.02m范圍內(nèi)，主槽和灘地復(fù)核后的一維模型糙率值變動范圍分別在0.023～0.03及0.07～0.085之間，有套堤情況下的一維和二維水力學(xué)模型不同斷面水位最后利用該值進行復(fù)核，并和不同維度之間的水位值進行復(fù)核對比，結(jié)果見表3。

表3 水面線復(fù)核及計算成果對比情況表

從復(fù)核對比結(jié)果可看出，計算的水面線在有套堤情況下一維模型要比二維模型高出的范圍值為0.01～0.2m，基本屬于較為合理的計算范圍，且屬于防洪安全層面的加高，因此本文對套堤處理方式下的一維水力學(xué)模型總體計算結(jié)果屬于較為合理的。本文最終確定對套堤可計算簡化的方式為：套堤過水?dāng)嗝娴膶挾葹?00m，除去堤防迎水范圍內(nèi)的堤防高程進行一定程度的加高到套堤頂部高程，此計算范圍內(nèi)的糙率設(shè)定值為0.01，若套堤距離堤防迎水層的間距在高于200m低于400m的范圍內(nèi)時，則將其計算水流過水?dāng)嗝娴膶挾仍O(shè)置為200m，若套堤距離堤防迎水測的距離低于200m，則設(shè)置的過水?dāng)嗝鎸挾瓤梢詾樽畹椭怠Ｔ诘谭劳鈧?cè)的多個連接的套堤用最外側(cè)套堤進行代替。

4 計算成果及分析

遼河河道內(nèi)194座套堤雖然經(jīng)過多次清障，使得其遼河封育范圍內(nèi)的主行洪河道基本暢通，但距離設(shè)計條件還有較為明顯的不足。通過分析相比于全部進行清障條件下石佛寺水庫回水末端到福德店水文站河段內(nèi)水位還要高出設(shè)計水位的范圍達到0～0.26m，套堤在這一河段內(nèi)相對較少，福德店到蘭家街段、蘭家街至老山頭段、通江口大橋及新調(diào)線橋上下游兩側(cè)主要分布現(xiàn)存的套，其對遼河總體行洪能力影響相對較弱，僅對其局部河段的行洪能力產(chǎn)生較為直接的影響。相比于全部進行清障的工況條件和現(xiàn)狀地形條件下石佛寺水庫壩下至盤山段水位相比于設(shè)計水位高出0.83m，且套堤也分布在該河段的兩側(cè)沿岸，是該河段防洪能力不能達到標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)條件的主要影響因素，此外相比于全部進行清障工況和現(xiàn)狀條件下盤錦市區(qū)段的設(shè)計水位值也較高，影響盤錦市區(qū)河段的行洪能力。主要河道堤防的行洪計算成果見表4。

表4 遼河套堤對各段河道水位影響統(tǒng)計表

5 結(jié)語

(1)相比于全部清障下石佛寺水庫回水末端到福德店水文站區(qū)間河段現(xiàn)狀條件下的設(shè)計水位高出范圍在0～0.26m之間，但該河段套堤分布相對較少，行洪影響程度低，福德店、蘭家街-老山頭、通江口大橋及新調(diào)線橋上下游段內(nèi)現(xiàn)存分布的套堤對局部河段行洪能力有所影響，但對遼河干流總體行洪能力影響相對較小。

(2)相比于全部清障下石佛寺水庫壩下至盤山河段現(xiàn)狀條件下的水位設(shè)計高出范圍在0～0.83m之間，現(xiàn)存遼河干流大量套堤主要分布在該河段內(nèi)，是該河段防洪標(biāo)準(zhǔn)不達標(biāo)的主因。

(3)本文水力模型計算時，主槽和灘地糙率值采用均值，在后期研究中，還需要結(jié)合遼河干流套堤內(nèi)河床進行復(fù)式糙率的分析，從而提高模型計算精度。