养息牧河新民段防洪规划水面线计算方法浅析

周 明

(沈阳市水利规划院，辽宁 沈阳 110015)

养息牧河是辽河的一级支流，发源于辽宁省阜新市彰武县三家子村北，流经彰武县和新民市，在新民市吉祥堡东南汇入辽河，河道全长123km，新民段河长35km，处在新民市重要的农业产区和城郊经济发展区域之间。两岸堤防大部分为民堤，防御标准低，未经过大规模整治。2010年养息牧河新民段发生较大洪水，河槽漫溢，内涝严重，严重威胁两岸人民群众的生命财产安全和区域经济发展，引起了各级党委和政府对整治养息牧河的高度重视。尽快编制养息牧河新民段防洪规划显得十分必要也尤为迫切。

水面线计算是防洪规划中一项十分重要的基础工作，是确定防洪工程建设规模，核算工程量，确定投资规模的重要依据。具有牵一发而动全身甚至颠覆总体规划的作用，因此，水面线计算工作既是编制防洪规划的基础，也是龙头。对于编制好防洪规划具有决定性的控制作用。

1 水面线计算中的技术问题

水面线计算的基本思路：首先根据河道的地形图对规划河道进行分段，依据各实测分段纵横断面的自然情况，划分横断面的主槽和滩地界限，从调查的历史资料中选取与设计流量相近的洪痕调查资料，计算出水面比降，采用曼宁公式推求各分段断面的糙率，再利用河道恒定非均匀流基本方程推算各断面间的局部损失系数(如果计算的局部水头损失不在经验值范围内，需要重新计算河道糙率)，最后通过确定的起始水位，按已求得的各横断面糙率和局部损失系数，利用河道恒定非均匀流基本方程推求设计洪峰流量下的各断面的设计水位，并对计算成果进行合理性分析。

1.1 规划河道的分段

水面线计算时，根据规划河道沿线横断面的水力要素特征，将规划河道分成若干个计算河段。河道分段的原则是使每个计算河段内的河床平均底坡，断面形式和糙率，流量等断面水力要素基本一致；一般对平原河流，每个计算河段内的水位差控制在几十厘米至1～2m之间，计算河段长度控制在2～4km之间。若规划河段遇到扩散或收缩河段等纵横断面变化较大的河段，应对计算河段适当加密，以提高水面线的计算精度。同时，对于历史洪水调查资料丰富的河段，在河段纵横断面资料中有河段水位沿程变化情况，即沿线高、中、低水位的洪痕线(同一时刻洪痕线)，洪痕坡度基本一致，也可作为划分规划河段的依据。

养息牧河流域新民段属平原洼地，河道平均比降0.85‰，比降平缓。根据上述原则，计算河段长度控制在2km，水位差控制在1.2m左右。目前能收集到的1980、2009年和2017年的平面以及断面资料，通过平面演变分析及各年横断面套汇分析，本次规划河段上下游河宽变化较大处和急弯处实测断面增加5处。新民河段沿线桥梁、拦河闸坝等跨河建筑物4座，需测量建筑物所在断面及其下游50m天然断面。养息牧河下游距河口8.6km处设有小荒地水文站，集水面积为1783km2。1954年6月设站至今，有沿线实测高、中、低水位的洪痕线，水文站处河段控制长度取1km。因此，35km规划河道共布置28个实测断面，断面间距50～2000m，平均间距为1250m。

1.2 河道糙率的选取

河道糙率是水面线计算中一个敏感因素。河道糙率受河槽和水流两种因素的相互影响。河槽边壁的粗糙程度、河床泥砂的颗粒大小、滩地上的植被组成，河槽断面纵横的几何特性都是影响糙率的主要因素；对于有实测洪水资料的，可采用实测的现状河道纵横断面资料，利用曼宁公式反推糙率，即使用已选用的糙率进行水面曲线计算，其计算的水位成果与实际水位进行比较，两者应尽量接近，否则应对糙率进行修正；对于无实测资料或资料短缺的河道，可参考《水力计算手册》，并结合当地情况相类似的河道经验确定。

养息牧河新民段发生大洪水时，因防洪工程体系薄弱，防洪封闭圈基础价差，洪水调查非常困难，因此养息牧河新民段至今无历史洪水调查成果。但新民段有小荒地水文站，其历史洪水位、流量、水面比降等历史洪水资料比较全面，有利于确定水文站划分河段的糙率。统计小荒地水文站1954—2015年共62年实测洪水资料，利用曼宁公式绘制出洪水流量-糙率曲线，再根据规划设计流量查出水文站河段的糙率。新民河段河槽和河滩地地质条件基本一致，利用水文站河段的糙率，根据滩地植物组成的不同结合《水力计算手册》，并参考当地柳河治理经验，适当调整沿河其他河段糙率。根据新民段沿线桥梁、拦河闸坝等4座跨河建筑物的洪痕资料，通过实地调查走访估算洪痕所对应的流量，利用实测的现状纵横断面资料反算河道糙率，以此验证糙率选取是否适当。但需要注意选取糙率时，计算河道水位的变化也影响糙率的大小，小洪水时糙率大于大洪水时的糙率。在作防洪规划时，从安全方面考虑，糙率可选取大一些，计算的水面线要高一些，这样堤防设计标准高。因此，通过本次规划验证，得到设计流量的主槽糙率为0.028～0.033，滩地糙率为0.065～0.075。

1.3 局部水头损失的选取

一般情况下，对于逐渐收缩的河段，因其水流不会发生回流，可忽略局部水头损失，但如果河道局部地方有较突出的变化或障碍物，如河槽断面的扩大、干支流交汇处、急弯段和河道中的桥墩等，水流与岸壁脱离，致使水流产生涡旋，形成回流，并产生较大的局部水流阻力。这时就需要考虑局部水头损失。

通过上述河段划分和糙率选取，对于规划河段断面扩大处和河道急弯处等断面要素变化大的河段要考虑局部水头损失。通过调整河道糙率，试算局部水头损失系数，既要使局部水头损失系数在经验取值范围内，又要使河道糙率在本次规划验证值内。本次重新调整河段糙率后，根据《水力计算手册》中局部水头损失系数经验值，桥墩阻力局部水头损失系数用0.18，弯道局部水头损失系数取0.05，河道扩散河段损失系数用-0.45～-0.75，局部损失系数为负，是要保证扩散河段的局部水头损失值为正而加的。

1.4 起始水位的确定

推求规划河段水面线时，需要已知起始断面的起始水位。对于推求支流河道的起始水位，需要先分析支流与汇入的干流洪水遭遇情况：如果干流与支流洪水遭遇，则应分析干流为主支流相应和支流为主干流相应的两种情况，选取两种情况的外包线作为支流设计水面线；如果干流与支流洪水不遭遇，则应分析支流设计标准干流流量相应和干流设计标准支流流量相应的两种情况，取其两种情况的外包线作为支流设计水面线。

养息牧河河口上游65km为石佛寺水库。由于地理位置和地形影响，辽河流域暴雨中心笼罩范围多出现于通江口至石佛寺之间的左侧支流山区一带，易在石佛寺处形成较大洪水。而石佛寺以下的右侧支流地区降雨量较少，境内多为丘陵、黄土沙丘，植被条件极差，产汇流条件较差。通过分析小荒地水文站与辽河养息牧河汇合口上下游水文站的洪峰发生时间，发现在石佛寺洪水到来之前养息牧河洪水已先行下泄。根据小荒地水文站1954—2015年共62年实测洪水资料分析可知，实测系列中排在前三位的洪水发生在1969、1975年和1991年，相应辽河干流发生洪峰及时间情况见表1。

综合以上分析：辽河石佛寺以上洪水与养息牧河洪水基本不遭遇。养息牧河发生

表1 养息牧河较大洪水与辽河洪峰发生时间对比表

较大洪水的年份遭遇辽河流量一般为平槽流量1000m3/s左右。水面线计算的起点断面位于养息牧河与辽河入河口处，结合表1的结论，推求考虑到辽河、养息牧河洪水不遭遇，各频率设计水面线的起点水位，选用养息牧河相应流量与辽干为1000m3/s平槽流量进行组合。流量组合后按照汇流点在辽干相应断面进行水位插值计算。结果见表2。

表2 起点水位成果表

表2起点水位成果是以养息牧河来水为主，辽干相应情况下的成果。当以辽干来水为主时，即辽河干流发生50年一遇洪水时，养息牧河相应洪峰流量仅有60m3/s，此时养息牧河口的起点水位为35.13m。

养息牧河设计水面线计算分别采用“养息牧河设计、辽河相应”以及“辽河设计、养息牧河相应”两种方式进行计算。计算结果取两种方式外包线作为养息牧河新民段设计水面线。

1.5 计算成果合理性分析

将不同设计标准水面线计算成果与已有的实测洪痕调查的水面线绘制在同一张图中。对不同设计标准水面线成果进行合理性分析。分析原则：计算水面线应比较平顺光滑，除扩散或收缩河段等纵横断面变化较大的河段外，相临断面的水面线不存在明显转折或跳跃等现象；不同设计标准水面线相互协调，各水面线不应有交叉。

本次规划计算得到的养息牧河新民段各标准水面线坡度基本一致，在遇桥梁、拦河闸坝等4座跨河建筑物时，水面线壅高0.05～0.18m，其余处水面线比较平滑，无明显的转折点。检验水面线计算成果的重要依据是河道洪水痕迹。在同一张纸中绘制本次计算水面线与小荒地水文站实测水面线，各水面线均无交点，近似平行。经水文站实测资料校核验证，本次计算成果合理、可靠。

2 结语

养息牧河新民段堤防设计是以水面线计算成果为重要依据。水面线计算成果的可靠性，不仅影响工程的投资，还影响到保护区的受灾程度。因此，规划河道的划分、河道糙率和局部水头损失的选取、起始水位的确定等问题需要细心调整处理和多次分析研究。通过上述分析为类似河流防洪规划中水面线的计算提供借鉴和参考。