楊柳河人工濕地凈化工程設計洪水計算分析

郭富興

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114002)

1 楊柳河流域概況

1.1 水文氣象

楊柳河全長58.5 km，流域面積287.92 km2，河道平均比降2.38‰，多年平均徑流量4 201萬 m3。楊柳河集水面大，河床上窄下寬，堤防高低不均，多彎曲，每遇洪水，太子河回水頂托，時間長，河水易漫堤成災。

楊柳河流域屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，氣候宜人。根據鞍山市氣象局1961-2000年40年氣象資料統計，主要氣象要素為：多年平均氣溫為9.4℃，其中7月最高為25℃，1月最低為-9.2℃，年極端最高氣溫為36.5℃，年極端最低氣溫為-29.9℃；多年平均降水量為703.7 mm，年內分配不均勻，主要集中在5-9月，約占全年降水量的80%，其中7月份最大，占全年降水量的30%，最大年降水量1 041.8 mm，最小年降水量為383.8 mm；多年平均蒸發量為1 750.2 mm(20 cm蒸發皿)，5月蒸發量最大為300.3 mm，1月蒸發量最小為37.2 mm；該地區日照充足，大部分地區全年日照時數為2 540 h；多年平均相對濕度為60%；多年平均風速為3.5 m/s，最大風速為21 m/s，最多風向SSW；最大積雪深度為2.7 cm；最大凍土深度為118 cm。

1.2 河流水系

楊柳河為太子河左側支流。楊柳河上游分為唐家房支流和大屯支流，大屯支流發源于海城市大屯鎮的朱大砬子，海拔高程為620.8 m，流經腰屯、白石寨、駙馬營、大屯、大團山、中所屯；唐家房支流發源于千山區唐家房鎮摩云山雙塔嶺的偏嶺，流經馮家屯、太平溝、什間房、東果子園、英家堡子、唐家房、地所屯、解家堡、兩支流在千山區東鞍山鎮房身村匯流。楊柳河流經鞍山市千山區、海城市和遼陽市的遼陽縣，于新臺子鎮小河口匯入太子河。楊柳河全長58.5 km，流域面積287.92 km2，河道平均比降2.38‰，多年平均徑流量4 201萬 m3。其中騰鰲堡以上為山區，控制面積264.63 km2，全長41.62 km，河道比降3.82‰，騰鰲堡至河口為平原區。楊柳河集水面大，河床上窄下寬，堤防高低不均，多彎曲，每遇洪水，太子河回水頂托，時間長，河水易漫堤成災。

2 工程項目概況

2.1 工程項目區域概況

工程地處的遼寧省鞍山市現轄1市、2縣和6個區，38個街道辦事處，58個鎮和7個鄉，總人口344.7萬人。總土地面積92.52萬 hm2，耕地面積24.3萬 hm2。工業總產值為1 398.2億元；農業總產值55.6億元。農民年人均純收入3 782元，城市居民年人均純收入6 851元。城市交通便利，四通八達。以千山風景區為龍頭的旅游業成為牽動全市經濟發展的新產業，近幾年國民經濟保持了較快的增長。

項目建設場地位于通海大道西側，哈大客運高鐵東側，楊柳河北岸，日處理量50 000 m3，平均流量為0.578 7 m3/s。建設場地主要為河灘地。本項目規劃紅線占地22.41 hm2，設計水生植物種植面積約90 000 m2。處理后出水達到楊柳河功能區劃標準，并通過分段設置攔水壩形成階梯狀水面，達到蓄水效果，同時打造出沿河生態景觀帶。鞍山楊柳河人工濕地凈化工程建設項目地理位置圖見圖1。

圖1 鞍山楊柳河人工濕地凈化工程建設項目地理位置圖

2.2 楊柳河濕地凈化工程具體方案

楊柳河人工濕地工程具體選址于騰達大道楊柳河橋至楊柳河高速鐵路橋區間河段上，河段長度約2.2 km。本工程應用生態修復原理，以恢復河道自身的凈化能力為根本出發點，凈化水質。建設自由表面流人工濕地，并配套景觀、堤防及道路等工程，本工程內原有主河道保留，在河道的灘涂地修建為人工濕地。在人工濕地內種植蘆葦、香蒲等水生植物，以達到凈化河水水質的效果。

楊柳河沿途排出的污水通過污水管網排入到寧遠屯污水處理廠進行處理。本工程主要對寧遠屯污水處理廠排出的水進行凈化，將污水處理廠經過處理后的水通過排水渠，引入濕地前端的人工生物塘，然后通過進水溢流堰自流到人工濕地凈化區進一步凈化。本工程依據現有地形，將原有河灘地下挖，使沿原有河道自然形成子堤，將主河道和人工濕地分隔開。利用挖出土方將北側部分區域墊高，形成護坡頂部比較平坦的區域，在此修建人工假山和景觀亭，同時還準備修建濕地監測站。

人工濕地范圍內現狀河道概況，人工濕地現狀左岸堤頂高程為20.5～21.0 m，右岸堤頂高程為20.5～21.0 m，最低河底高程為14.5～15.0 m，水面高程為15.1～15.6 m。人工濕地建成后，左右岸堤頂高程保持現狀堤頂高程不變。

3 設計洪水計算分析

3.1 計算依據及已有成果引用

項目位置位于楊柳河下游騰鰲堡大橋處，控制流域面積264.63 km2。楊柳河發源于千山區唐家房鎮摩云山。于東鞍山與其它支流匯合后越過中長路，經騰鰲堡鎮在小河口入太子河，騰鰲堡以下為遼陽市與鞍山市界河，楊柳河全長58.5 km，流域面積287.92 km2，河道平均比降2.38‰，多年平均徑流量4 201萬 m3。

楊柳河上沒有水文站，無實測水文資料計算本河流的設計洪水。本次設計洪水采用《鞍山市城市防洪規劃》(遼寧省水利水電勘測設計研究院2005年3月)報告中的計算成果。本次設計楊柳河以騰鰲堡橋上作為水面線推算起始控制斷面。騰鰲堡以上為山區，設計洪水采用《遼寧省中小河流設計暴雨洪水計算方法》(1998年)計算，騰鰲堡以上設計洪水成果見表1。楊柳河騰鰲堡以上20 a一遇設計洪峰為866 m3/s。

表1 楊柳河騰鰲堡以上設計洪水成果表

起始斷面水位流量關系曲線依據曼寧公式推求。在計算過程中，過水斷面為2004年測量成果，糙率參照河床組成選定，水面比降參照河底比降。騰鰲堡橋上水位流量關系參數見表2和圖2。

圖2 楊柳河騰鰲堡橋上水位流量關系圖

表2 楊柳河騰鰲堡橋上斷面水位流量關系計算參數表

3.2 水面線計算

3.2.1 計算采用參數

水面線計算范圍為下游騰鰲堡橋至鞍山城橋。起點水位采用騰鰲堡橋上游實測斷面的水位流量關系曲線。橫斷面斷面間距一般為500～1 000 m，各橋梁等跨河建筑物處設置橫斷面，橫斷面為實測斷面。

糙率結合現狀河勢、河床質及植被等情況選用，各計算斷面主槽糙率在0.025～0.030之間選用，灘地糙率在0.050～0.080之間選用。

3.2.2 擬定方案設計水面線計算成果

楊柳河擬定方案設計水面線和最低河底高程見圖2。經計算求得新建工程處20年一遇洪峰流量為866 m3/s，所對應的設計水位為23.78 m。

圖3 楊柳河擬定方案設計水面線和最低河底高程

3.3 沖刷與淤積分析計算

按照設計圖，選擇典型斷面進行沖刷計算。選用《堤防工程設計規范》(GB50286-98)公式(1)進行沖刷計算，具體如下：

(1)

式中：hB為局部沖刷深度(m)；hp為沖刷處水深(m)，以近似設計水位最大深度代替；vcp為平均流速(m/s)；v允為河床面上允許不沖流速(m/s)；n為與防護岸坡形狀有關，一般取n=1/4。

根據河道土壤性質，允許不沖流速選取1.10。具體計算結果見表3。

表3 典型斷面沖刷深度計算表

3.4 設計洪水計算成果

本項目按照20年一遇洪水標準進行水文計算，經過分析計算，新建工程設計斷面處20 a一遇的洪峰流量866 m3/s所對應的設計水位為23.78 m，新建工程處堤防標準未達到20 a一遇規劃標準。

4 結語

綜上所述，楊柳河濕地項目為濕地恢復和生態凈化工程，按照20 a一遇洪水標準進行水文計算，經過分析計算，新建工程設計斷面處20 a一遇的洪峰流量為866 m3/s，所對應的設計水位為23.78 m，新建工程處堤防標準未達到20 a一遇規劃標準。本項目建設后，對河流流態和河勢的穩定不會產生不利影響，對現有防洪工程沒有影響。