沭陽縣小流域洪水過程岸坡沖刷分析

王海波，孫冬冬

(安徽華邦工程設計有限公司，安徽 淮北 235000)

河流對岸坡侵蝕沖刷是對我國土地資源的嚴重浪費，隨著人口數(shù)量的不斷增多，對土地需求也逐漸增加，因此，針對河道沖刷侵蝕問題的研究十分必要。董炳江等[1]對三峽庫區(qū)下游河道沖刷機理進行分析，認為水庫蓄水造成下游河水含沙量減少以及汛期持續(xù)時間長、流量大是造成河道大幅度沖刷的主要原因。胡杰龍等[2]以萬州港為工程原型，采用物理模型試驗分析滑坡涌浪對庫區(qū)岸坡的沖刷特征，認為沖刷深度與滑體體積關系較為密切。楊涵苑等[3]通過現(xiàn)場資料收集、數(shù)值模擬分析等多種方法研究若爾蓋下游塌岸現(xiàn)象，認為河水流量是影響河道塌岸的一個主要因素。楊金林等[4]通過三維數(shù)值模擬分析，研究了不同形態(tài)河道岸坡抗沖刷能力，認為岸坡抗沖刷能力與岸坡形態(tài)的坡角關系密切。根據(jù)前人研究可知，影響河道岸坡沖刷的因素眾多，江蘇沭陽縣水系發(fā)達，河流四通八達，本文結合沭陽縣小流域特點研究洪水過程對岸坡沖刷的影響。

1 岔流新開河小流域洪水計算

1.1 小流域概況

岔流新開河位于沭陽縣西北部，是沂北地區(qū)高低分治的高水河，上游承泄新沂市的淋頭河及阿湖水庫、大沙河及高塘水庫來水，在沭陽縣潼陽鎮(zhèn)岔流村西匯合向南至桐槐樹后又匯虞姬溝，至沂北閘處入新沂河，全長28.84km。新開河支流有：淋頭河、大沙河、引龍河、馬嶺河、虞姬溝、小馬莊地涵，流域面積873km2，其中淋頭河296km2(阿湖水庫193.7km2)，大沙河278km2(高塘水庫193.7km2)、引龍河9km2、虞姬溝173km2、小馬莊地涵64km2。沭陽縣處于岔流新開河流域內的面積共有80.51km2(新沂河與岔流新開河夾灘地區(qū))，涉及沭陽縣潼陽、顏集、新河、扎下四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。根據(jù)流域特征，HEC-HMS模型較為適用。

1.2 HEC-HMS模型

HEC-HMS模型在洪水計算過程中簡化了產流計算過程，但針對產流量的計算十分詳細，忽略了毛細水的上升以及土壤中水的垂向運動，同時河道水與地下水之間不存在相互轉化，地下含水層以基流形式出流，壤中流與地面徑流匯合后變?yōu)橹苯訌搅鳌２捎迷撃Ｐ陀嬎銋R流可分為產流計算、直接徑流、基流和河道匯流4個相互獨立的過程。HEC-HMS模型詳細計算過程如圖1所示[5]。

圖1 HEC-HMS模型計算過程

1.3 計算結果

(1)計算參數(shù)

根據(jù)岔流新開河工程特點，可分為6個子流域，計算參數(shù)見表1。

表1 岔流新開河HEC-HMS模型計算參數(shù)

(2)計算結果

不同頻率水位及流量計算計算結果見表2，從表2中可知岔流新開河在桐槐樹水位站處流量最大，繪制桐槐樹水位站洪水過程曲線，如圖2所示。

表2 岔流新開河水位及流量計算結果

圖2 不同頻率桐槐樹水位站洪水過程

2 友誼河小流域洪水計算

2.1 小流域概況

友誼河起于路南河，止于黃泥河，全長23.5km，負擔沭新公路以北、趕埠截水溝以東、沭新河以西、新五黃泥河以南面積的匯水，另外尚有沭新公路以南高程9.00m以下面積的洪水經兩個穿路南河地涵排入友誼河，匯水總面積114.05km2，其中圩區(qū)面積80.9km2。友誼河1979年疏浚復堤，現(xiàn)狀河底高程為1.2～3.5m，河道底寬16.0～28.0m，堤頂高8.6～9.0m。根據(jù)流域特點，大伙房模型較為適用。

2.2 大伙房模型

大伙房模型引入雙層入滲曲線進行產流折損計算，匯流計算過程中采用變強度、速度的經驗公式，蒸散發(fā)量采用兩層計算模式。詳細計算過程如圖3所示[6]。

圖3 大伙房模型計算過程

2.3 計算結果

(1)計算參數(shù)

根據(jù)友誼河工程特點，計算參數(shù)見表3。

表3 友誼河大伙房模型計算參數(shù)

注：E1～E5：一級響應時，4—8月的平均蒸散發(fā)能力對應值；E6、E7為二級、三級響應時，4—8月的平均蒸散發(fā)能力對應值。

(2)計算結果

友誼河水位及流量計算結果見表4。繪制爪溝橋水位站洪水過程線如圖4所示。

表4 友誼河水位及流量計算結果

圖4 不同頻率爪溝橋水位站洪水過程線

3 洪水過程岸坡沖刷分析

3.1 不同河道斷面河水沖刷計算模型

當河道斷面為等腰三角形時，其水力半徑R采用下式計算：

R=0.5hcosβ

(1)

式中，h—水位高度；β—岸坡坡角。

若河道斷面為等腰梯形，則水力半徑R采用下式計算：

(2)

式中，b—河床底寬。

流速一般按照曼寧公式[7]計算：

(3)

式中，J—水力坡降；n—糙率。

水流量Q采用連續(xù)方程計算：

Q=AU

(4)

式中，A—斷面面積。

楊榮富等[8]在正弦模型基礎上，對洪水模型進行了修正，修正后的洪水流量概化模型為：

(5)

式中，Q(t)—概化洪水過程；T—單次洪水歷時；Qm—洪峰流量；s—峰型參數(shù)；P—洪峰位置。

將式(1)、(5)代入式(4)可得等腰三角形河道水位過程線：

(6)

將式(2)、(5)代入式(4)可得等腰梯形河道水位過程線：

(7)

結合Partheniades[9]提出的河水侵蝕距離公式：

E=KΔt(rwRJ-τ)

(8)

式中，K—沖刷系數(shù)；τ—岸坡土體抗剪強度；γw—水的重度。

將式(1)、(6)代入(8)可獲取等腰三角形斷面的河道岸坡洪水沖刷量：

(9)

將式(2)、(7)代入(8)可獲取等腰梯形斷面河道岸坡洪水沖刷量：

(10)

3.2 單洪峰沖刷量計算

3.2.1等腰三角河道沖刷量分析

岔流新開河屬于三角形河道，經過HEC-HMS模型計算，該流域在P=20%時流量達到640m3/s，根據(jù)式(5)，確定峰值S取10，確定河道糙率為0.024，單次洪峰作用時間約17h，洪水過程如圖2所示，不同河道比降洪水過程沖刷量計算結果如圖5所示。由圖5可知，在河道比降為0.001時，不同土體抗剪強度土體沖刷量在0.43～0.63m3之間。

圖5 沖刷量計算結果(J=0.001)

3.2.2等腰梯形河道沖刷量分析

友誼河屬于梯形河道，經過大伙房模型計算，該流域在P=20%時流量達到33.99m3/s，確定峰值S取10，確定河道糙率為0.025，單次洪峰作用時間約25h，洪水過程如圖4所示，不同河道比降洪水過程沖刷量計算結果如圖6所示。由圖6可知，在河道比降為0.001時，不同土體抗剪強度土體沖刷量在0.07～0.12m3之間。

圖6 沖刷量計算結果(J=0.001)

4 結論

本文以江蘇沭陽縣小流域為例對單次洪水過程河道岸坡沖刷量進行分析，分別使用HEC-HMS模型、大伙房模型計算岔流新開河、友誼河不同頻率洪水過程曲線，通過概化模型計算不同土體抗剪強度河道岸坡沖刷量，河道比降對沖刷量的影響程度大于土體抗剪參數(shù)。