基于生態(tài)景觀的凌海市城市河道防洪影響分析

馬三力

(錦州市凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 錦州 121200)

河道是城市發(fā)展和文化傳承的重要資源及物質(zhì)載體，解決河道問(wèn)題、有效改善水質(zhì)以及促進(jìn)水系循環(huán)是城市建設(shè)的重要內(nèi)容。近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注水生態(tài)文明建設(shè)，城市規(guī)劃也更加注重生態(tài)景觀建設(shè)的主題，在水利工程中防洪治河的重要作用日趨突出。降雨量作為城市河流的主要影響因素，夏天雨季和冰雪融化期屬于防洪工作的集中期，對(duì)降低洪水災(zāi)害工程措施發(fā)揮著重要作用[1-2]。

河內(nèi)植被為水生物的繁衍和生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的空間環(huán)境，但也使得水流阻力加大、河流水位提升以及過(guò)流能力的減小。因此，規(guī)劃設(shè)計(jì)水利工程時(shí)要全面考慮城市文化、河道景觀等諸多因素，建設(shè)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的城市河流具有重要意義[3]。城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要條件是生態(tài)景觀中的防洪體系建設(shè)，對(duì)于保障沿河防洪安全起著決定作用。文章以大凌河入海口護(hù)岸工程為例，采用數(shù)值模擬軟件和流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了不同景觀方案下的河流環(huán)境動(dòng)力和水動(dòng)力，在此基礎(chǔ)上驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，可為生態(tài)景觀方案設(shè)計(jì)提供一定支持。

1 工程概況

1.1 基本情況

大凌河是凌海市最大河流，流經(jīng)凌海市11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和街道、區(qū)，流經(jīng)長(zhǎng)度84.0km。經(jīng)過(guò)大有經(jīng)濟(jì)區(qū)入?？谔幋罅韬訌哪媳弊呦蜣D(zhuǎn)變成東西走向，于油田三支路處形成90°急轉(zhuǎn)彎呈正南流向。由于未建設(shè)護(hù)岸工程，遇洪水時(shí)極易對(duì)右岸產(chǎn)生沖刷，特別是受遼寧第8號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴威”影響，凌海市及大凌河上游普降暴雨，加之白石水庫(kù)放水，洪峰到達(dá)凌海市流量3000m3/s，造成入?？谔幊霈F(xiàn)淘刷崩岸，若不及時(shí)實(shí)施護(hù)岸整治，不但會(huì)沖走大片灘地，造成嚴(yán)重水土流失，而且威脅當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全。因此，為使得該處河岸得到徹底治理，有必要實(shí)施大凌河入海口護(hù)岸工程建設(shè)。

1.2 水文資料

凌海最大組合流量采用白石水庫(kù)初設(shè)成果，即白石水庫(kù)放流與白-凌區(qū)間組合的外包線，最大組合流量如表1所示。

表1 凌海站最大組合設(shè)計(jì)流量表 m3/s

根據(jù)《大凌河河道保護(hù)規(guī)劃》和《大凌河口二維水利計(jì)算報(bào)告書(shū)》，大凌河口各洪水頻率(P=20%、P=10%、P=5%、P=2%和P=1%)的水面線見(jiàn)表2，河口設(shè)計(jì)潮位見(jiàn)表3。

表2 大凌河河口段各頻率洪水水位 m

1.3 河道邊界

該工程位于大凌河入?？谟吞锶飞舷掠?，工程下接2015年大凌河河口護(hù)岸上游端，向上游延伸520m至蘆葦公司排水干溝右岸現(xiàn)狀擋土墻結(jié)束，護(hù)岸總長(zhǎng)度520.0m。采用格賓石籠平順護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行護(hù)岸，平順護(hù)岸上游采用格賓石籠封邊。

1.4 方案設(shè)計(jì)

糙率是反映過(guò)流邊界表面對(duì)水流產(chǎn)生阻力程度的重要參數(shù)，一般由沿河兩岸岸壁、河床以及植被景觀等自然條件決定，影響因素主要有景觀島和河槽內(nèi)植被、表面糙率等。為揭示河道防洪受生態(tài)景觀的影響規(guī)律，考慮景觀島、河道、河槽等情況設(shè)計(jì)4種景觀方案，并利用MIKE21 FM軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)合類(lèi)似河道的景觀資料合理選擇糙率值，如表5所示。

表5 研究河段的糙率取值

1.5 水位計(jì)算

計(jì)算范圍取河口段，河段長(zhǎng)度0.803km，計(jì)算斷面2個(gè)，即DH1-DH2，糙率按表5選取。應(yīng)用MIKE21 FM軟件中的HD模塊(垂向二維淺水方程)建模，采用ADI、DS計(jì)算方法和有限差分里散法進(jìn)行計(jì)算，基本方程如下：

1)垂向平均二維淺水方程：

(1)

(2)

2)動(dòng)量方程：

(3)

(4)

式中：h為水深；ζ為水面高程；p為x方向的單寬流量；q為y方向的單寬流量，其中p=uh、q=vh；u、v為沿水深x、y方向上的流速；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度；f為風(fēng)摩擦系數(shù)；V、Vx、Vy為風(fēng)速及其x、y向的分量，m/s；Ω為柯氏力參數(shù)，s-1；Pa為大氣壓強(qiáng)kg/(m/s2)；ρw為水的密度，kg/m3；S、Six、Siy為源匯項(xiàng)其x、y向的分量；τxx、τxy、τyy為剪切力分量。

3)根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)，依次計(jì)算設(shè)計(jì)頻率及超標(biāo)準(zhǔn)頻率下不同方案的洪水水面線成果。

2 防洪影響分析

為了分析河道防洪受生態(tài)景觀的影響狀況，必須科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)河道生態(tài)景觀。文章利用控制模型方程數(shù)值模擬了2015年大凌河河口護(hù)岸上游端至蘆葦公司排水干溝右岸現(xiàn)狀擋土墻結(jié)束處，其河道水位及流速受生態(tài)景觀糙率的影響，總長(zhǎng)520m，樁號(hào)0+000-0+520(2015年護(hù)岸上游端為起點(diǎn)樁號(hào)0+000)[4-5]。

2.1 生態(tài)景觀糙率與水位

模擬計(jì)算動(dòng)力相同情況下4種方案的中泓線水位變化趨勢(shì)，如圖1所示。結(jié)果顯示，糙率越大則上游水位越高，糙率較大時(shí)水位的受影響程度較低，糙率較小時(shí)水位上升趨勢(shì)更加明顯。各方案中泓線水位具有相同變化趨勢(shì)，其中變化幅度最顯著的是J-3方案，其次為J-2方案，水位變化最小的是無(wú)植物群方案J-0。區(qū)域內(nèi)存在的景觀島改變了其上游水流，并形成一定的水位壅高，景觀島數(shù)量越多則造成的影響也越復(fù)雜，所以方案J-3的水位壅高最大為1.2m，景觀島下游水位受景觀植被的影響較小，而上游受影響較大。

圖1 中泓線水位變化曲線

水位變化幅值與糙率變化程度保持一致，糙率改變時(shí)不同景觀方案下的河道水位標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)表6。結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)差最大的是景觀方案J-3，其次為景觀方案J-2，物質(zhì)被群J-0的標(biāo)準(zhǔn)差最小，表明水動(dòng)力和地形相同情況下，水位幅值變化隨糙率變化值的增加而增大。

表6 水位標(biāo)準(zhǔn)差

2.2 生態(tài)景觀糙率與流速

模擬計(jì)算水動(dòng)力和地形條件相同情況下4種方案的泓線流速變化趨勢(shì)，如圖2所示。

圖2 中泓線流速變化曲線

各方案中泓線水流速度具有相同變化趨勢(shì)，其中水流速度變化幅度最顯著的是J-3方案，其次為J-2方案，表明水流速度隨糙率的增加而減小。糙率不同而流量相同情況下，斷面平均糙率與流速邊幅直接相關(guān)，糙率值越大則變幅值波動(dòng)越明顯，相應(yīng)的變化幅度越大[6]。多個(gè)生態(tài)景觀會(huì)同時(shí)給水流速度造成影響，所以需要整體規(guī)劃建設(shè)河道生態(tài)景觀，從而定性分析水流速度的變化特征。

2.3 河床面突起高度與上游流速

水流相同、河道相同的情況下，水流速度受河床面突起高度的影響如圖3所示。結(jié)果顯示，河床面突起高度為1.0m、4.0m時(shí)的水流速度△v分別為-0.481m/s和-1.984m/s，表明水動(dòng)力和糙率相同情況下，淹沒(méi)狀態(tài)下上游水位壅高隨景觀島高度的增加逐漸增大，水流速度表現(xiàn)出線性減小趨勢(shì)。上游流速△v與突起高度差△z之間的線性關(guān)系為：△v=0.5027△z+0.0058，相關(guān)系數(shù)R2為0.995，具有較高的擬合度。

圖3 上游流速△v與突起高度差△z

2.4 河床面突起高度與景觀島頂點(diǎn)流速

水流相同、河道相同的情況下，景觀島頂點(diǎn)流速受河床面突起高度的影響如圖4所示。結(jié)果顯示，河床面突起高度為1.0m、4.0m時(shí)的水流速度△v分別為0.157m/s和1.925m/s，表明水動(dòng)力和糙率相同情況下，淹沒(méi)狀態(tài)下頂點(diǎn)流速隨景觀島高度的增加逐漸增大[7-12]。頂點(diǎn)流速△v與突起高度差△z之間的線性關(guān)系為：△v=-0.4592△z+0.0151，相關(guān)系數(shù)R2為0.986，具有較高的擬合度。

圖4 定點(diǎn)流速△v與突起高度差△z

3 結(jié) 論

文章以大凌河入海口護(hù)岸工程為例，對(duì)樁號(hào)0+000-0+520段設(shè)計(jì)4種景觀方案，采用數(shù)值模擬軟件和流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究了不同景觀方案下的河流環(huán)境動(dòng)力和水動(dòng)力，主要結(jié)論如下：

1)洪水流動(dòng)過(guò)程中糙率對(duì)水位的影響較大，糙率越大則景觀島上游水位越高，糙率較大時(shí)對(duì)水位的影響程度較低，而糙率較小時(shí)的水位上升幅度更加顯著。

2)植被群的阻水效應(yīng)比較明顯，糙率值越大則河道水位越高，相應(yīng)的洪水流速越小，各糙率下的流速變化趨勢(shì)基本一致，但變幅存在明顯差異。

3)水動(dòng)力和糙率相同情況下，淹沒(méi)狀態(tài)下上游水位壅高隨景觀高度的上升而增大，水流速度表現(xiàn)出線性減小趨勢(shì)；水動(dòng)力和糙率相同情況下，淹沒(méi)狀態(tài)下頂點(diǎn)流速隨景觀島高度的增加呈線性增大趨勢(shì)。