基于生態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服務中心，遼寧 錦州 121200)

河道是城市發展和文化傳承的重要資源及物質載體，解決河道問題、有效改善水質以及促進水系循環是城市建設的重要內容。近年來，人們越來越關注水生態文明建設，城市規劃也更加注重生態景觀建設的主題，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，對降低洪水災害工程措施發揮著重要作用[1-2]。

河內植被為水生物的繁衍和生長創造了適宜的空間環境，但也使得水流阻力加大、河流水位提升以及過流能力的減小。因此，規劃設計水利工程時要全面考慮城市文化、河道景觀等諸多因素，建設生態系統良性循環的城市河流具有重要意義[3]。城市經濟發展的必要條件是生態景觀中的防洪體系建設，對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岸工程為例，采用數值模擬軟件和流體動力學實驗研究了不同景觀方案下的河流環境動力和水動力，在此基礎上驗證了設計方案的可行性，可為生態景觀方案設計提供一定支持。

1 工程概況

1.1 基本情況

大凌河是凌海市最大河流，流經凌海市11個鄉鎮和街道、區，流經長度84.0km。經過大有經濟區入海口處大凌河從南北走向轉變成東西走向，于油田三支路處形成90°急轉彎呈正南流向。由于未建設護岸工程，遇洪水時極易對右岸產生沖刷，特別是受遼寧第8號臺風“巴威”影響，凌海市及大凌河上游普降暴雨，加之白石水庫放水，洪峰到達凌海市流量3000m3/s，造成入海口處出現淘刷崩岸，若不及時實施護岸整治，不但會沖走大片灘地，造成嚴重水土流失，而且威脅當地生態安全。因此，為使得該處河岸得到徹底治理，有必要實施大凌河入海口護岸工程建設。

1.2 水文資料

凌海最大組合流量采用白石水庫初設成果，即白石水庫放流與白-凌區間組合的外包線，最大組合流量如表1所示。

表1 凌海站最大組合設計流量表 m3/s

根據《大凌河河道保護規劃》和《大凌河口二維水利計算報告書》，大凌河口各洪水頻率(P=20%、P=10%、P=5%、P=2%和P=1%)的水面線見表2，河口設計潮位見表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海口油田三支路上下游，工程下接2015年大凌河河口護岸上游端，向上游延伸520m至蘆葦公司排水干溝右岸現狀擋土墻結束，護岸總長度520.0m。采用格賓石籠平順護岸結構形式進行護岸，平順護岸上游采用格賓石籠封邊。

1.4 方案設計

糙率是反映過流邊界表面對水流產生阻力程度的重要參數，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植被、表面糙率等。為揭示河道防洪受生態景觀的影響規律，考慮景觀島、河道、河槽等情況設計4種景觀方案，并利用MIKE21 FM軟件進行模擬計算。結合類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 水位計算

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

1)垂向平均二維淺水方程：

(1)

(2)

2)動量方程：

(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；g為重力加速度；f為風摩擦系數；V、Vx、Vy為風速及其x、y向的分量，m/s；Ω為柯氏力參數，s-1；Pa為大氣壓強kg/(m/s2)；ρw為水的密度，kg/m3；S、Six、Siy為源匯項其x、y向的分量；τxx、τxy、τyy為剪切力分量。

3)根據防洪標準，依次計算設計頻率及超標準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景觀的影響狀況，必須科學規劃設計河道生態景觀。文章利用控制模型方程數值模擬了2015年大凌河河口護岸上游端至蘆葦公司排水干溝右岸現狀擋土墻結束處，其河道水位及流速受生態景觀糙率的影響，總長520m，樁號0+000-0+520(2015年護岸上游端為起點樁號0+000)[4-5]。

2.1 生態景觀糙率與水位

模擬計算動力相同情況下4種方案的中泓線水位變化趨勢，如圖1所示。結果顯示，糙率越大則上游水位越高，糙率較大時水位的受影響程度較低，糙率較小時水位上升趨勢更加明顯。各方案中泓線水位具有相同變化趨勢，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植物群方案J-0。區域內存在的景觀島改變了其上游水流，并形成一定的水位壅高，景觀島數量越多則造成的影響也越復雜，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，糙率改變時不同景觀方案下的河道水位標準差見表6。結果顯示，標準差最大的是景觀方案J-3，其次為景觀方案J-2，物質被群J-0的標準差最小，表明水動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 水位標準差

2.2 生態景觀糙率與流速

模擬計算水動力和地形條件相同情況下4種方案的泓線流速變化趨勢，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，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，糙率值越大則變幅值波動越明顯，相應的變化幅度越大[6]。多個生態景觀會同時給水流速度造成影響，所以需要整體規劃建設河道生態景觀，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。結果顯示，河床面突起高度為1.0m、4.0m時的水流速度△v分別為-0.481m/s和-1.984m/s，表明水動力和糙率相同情況下，淹沒狀態下上游水位壅高隨景觀島高度的增加逐漸增大，水流速度表現出線性減小趨勢。上游流速△v與突起高度差△z之間的線性關系為：△v=0.5027△z+0.0058，相關系數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流速

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

圖4 定點流速△v與突起高度差△z

3 結 論

文章以大凌河入海口護岸工程為例，對樁號0+000-0+520段設計4種景觀方案，采用數值模擬軟件和流體動力學實驗研究了不同景觀方案下的河流環境動力和水動力，主要結論如下：

1)洪水流動過程中糙率對水位的影響較大，糙率越大則景觀島上游水位越高，糙率較大時對水位的影響程度較低，而糙率較小時的水位上升幅度更加顯著。

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

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