河道整治工程对花园口水系防洪能力影响评估研究

张志崇，刘 锐，郭学仲，陈晓霞，范宝山

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061；3.哈尔滨市水文水资源勘测总站，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

由于平原地区地势平坦，河流流速缓慢，河道淤积问题普遍存在。河道淤积会导致河道行洪断面面积不足，影响汛期河道行洪，存在安全隐患。为解决此类问题，需对水系河道进行综合整治，如采取清淤、河道调整和水系连通等措施。在工程实施前首先要确定河道的洪水过流能力，评估工程实施前后的河道防洪度汛功能。推求河道水面线是河道水文及洪水预报的常用方式，一般有实时监测和数值模型两种方法。然而，实时监测耗时长、成本高，如果在流域环境较为复杂的区域，不利于监测人员和设备安全。数值模拟法由于简便易操作、风险和成本低，可模拟多种工况，应用更为广泛。基于数值模拟法开展的河道水面线推求的研究较多，如蒋楠、高成[1]基于HEC-RAS 和MIKE11 模型模拟锦江水面的水面线，并与实测水面线对比，两个模型均达到了较高精度，但对糙率敏感性的不同造成了二者结果存在一定的差异；卢真建[2]基于MIKE11 模型计算了流琶江蓄滞洪区河段不同频率的水面线，为蓄滞洪区运行调度管理，以及水闸、泵站、堤防等工程设计提供了依据；王光明等[3]基于HEC-RAS 模型对东汉时期汉江古洪水进行研究，对进一步研究汉江洪水运动规律具有一定意义；郭志慧等[4]基于MIKE11 模型和ASTER GDEM 数据探究了一种在无地形测量资料地区可行的水面线推求方法。此外，还有诸多适用于不同情景水面线推求的方法研究及应用案例[5-8]。

一般的河道洪水水面线推求只考虑单一的降雨～径流关系。然而，对于近海河段而言，汛期洪水受雨水、潮水共同影响，其河道水动力学特性更为复杂，雨潮组合作用影响下的水面线推求相关研究较少。此次研究以大连花园口经济区老龙头河、圣水河、陶房河的河流整治工程前后的河道条件为输入，探究一种缺资料小流域雨潮组合影响下的汛期河道水面线推求方法，评估河流整治工程对河道防洪功能的改善效果。

1 研究背景

大连花园口经济区位于辽东半岛南端黄海北岸，东、北与庄河市接壤，西与普兰店市以碧流河为界，距离大连市主城区约115 km。花园口经济区内有陶房河、圣水河和老龙头河等河流穿境入海。由于花园口经济区总体地势低，且陶房河、圣水河和老龙头河主要为天然河道，下游淤积严重，河道行洪断面面积不足，防洪（潮）标准较低，现状无堤防，存在较大安全隐患，严重影响了区域社会经济的可持续发展。为了解决这一问题，由大连花园口经济区城乡建设管理局主要负责建设花园口水系整治工程，对区域主要水系进行综合治理，完善区域防洪（潮）体系。此次研究根据工程建设内容及区域水文、气象资料，基于HEC-RAS[9]构建一维恒定流模型，对工程实施前后的水面线进行计算，分析雨潮组合影响下的河道防洪能力的改善情况。

2 研究方法

2.1 研究区雨潮参数计算

2.1.1 设计暴雨

陶房河、圣水河和老龙头河均属无水文资料地区，且集水面积小。此次研究采用小流域洪水计算方法，由设计暴雨推求设计洪水。设计暴雨统计参数根据《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》（辽宁省水文水资源勘测局1998 年）[10]查算，计算成果见表1。

表1 陶房河圣水河和老龙头河流域设计暴雨参数表

2.1.2 设计洪水

设计洪水的计算采用推理公式辽宁法[10]，计算公式：

式中：QP为设计洪峰流量，m3/s；φP为设计洪峰径流系数；iP为汇流时间的设计面暴雨强度，mm/h；F为流域面积，km2；PτP为τ历时设计面雨量，mm；τ为汇流历时，h。

τ可按下式计算：

式中：L为河流长度，km；J为河道平均比降；x，y为地区参数。

由于每次降雨的历时不同，因此，PτP的计算可分为3 个时段计算，可按下式计算：

当τ≤1 h 时，

当1 h＜τ≤6 h 时，

当τ＞6 h 时，

式中：n0p为10 min～1 h 的暴雨衰减指数；n1p为1～6 h 的暴雨衰减指数；n2p为6～24 h 的暴雨衰减指数。计算公式：

2.1.3 设计潮位

此次研究中，设计潮位计算是基于小长山实测潮位资料，使用极值I 型分布（Gumbel）曲线[11]计算重现期潮位。

极值I 型分布函数：

式中：α为分布的尺度参数；u为分布的位置参数。利用已有的最大潮位数据x1，x2，……，x3估计出参数α，u的数值。

由于样本容量有限，参数α，u的数值可采用矩法参数估计，计算公式：

式中：γ为欧拉常数，取值0.577 2；μ和σ分别表示潮位的均值和标准差，可由样本系列计算后获得。

重现期为R（频率P=1/R）时的潮位计算公式：

2.2 水面线计算

2.2.1 雨潮组合工况确定

考虑到研究区城市区防洪标准为50 年一遇，乡村区防洪标准为20 年一遇，此研究分别进行现状河道及工程实施后河道50 年一遇（P=2%）、20年一遇（P=5%）洪水水面线计算。模型边界条件：各河段设计洪峰流量设置为模型上游流量边界条件；下游水位边界条件需考虑挡潮闸影响，施工前未设置挡潮闸，天然河道相应频率潮位设置为下游水位边界条件，下游边界控制断面位于河流入海口处；施工后，挡潮闸上游断面设计洪水位设置为下游水位边界条件，下游边界控制断面位于挡潮闸处。挡潮闸上游设计洪水位计算过程需考虑不同洪潮组合情况，选择不利组合，采用堰流公式试算得出。当计算50 年一遇水面线时，挡潮闸上游设计洪水位由20 年一遇洪水和50 年一遇潮位组合计算确定；当计算20 年一遇水面线时，挡潮闸上游设计洪水位由10 年一遇洪水和20 年一遇潮位组合计算确定。

2.2.2 断面及糙率设置

考虑到工程只涉及河道整治，整治后河网水系与原状接近一致，因此，施工前后的水面线计算均使用现状河网水系图。当计算施工前河道水面线时，河道断面输入使用天然河道实测断面；当计算施工后的河道水面线时，河道断面输入使用河道整治设计断面，并根据工程设计内容输入水工建筑物资料信息。由于河段没有水文测站，无法根据历史洪水对河道糙率进行率定，糙率的取值参照《水力学》中渠道及天然河流的粗糙系数n值表，确定计算采用的河道主槽糙率为0.020～0.025，滩地糙率为0.033～0.040。

3 结果与分析

3.1 雨潮参数计算结果

3.1.1 研究区设计洪水

根据辽宁法计算不同频率的设计洪水过程线，结果如图1 所示。其中，陶房河和圣水河的洪水过程线较为尖瘦，洪水历时偏短，而老龙头河洪水过程历时更长。就洪峰流量而言，陶房河50 年一遇和20 年一遇设计洪峰流量分别为195.0，149.0 m3/s；圣水河50 年一遇和20 年一遇设计洪峰流量分别为294.0，221.0 m3/s；老龙头河50年一遇和20年一遇设计洪峰流量分别为735.0，553.0 m3/s。

此次研究还对3 条河流的最大洪量进行了统计，陶房河、圣水河和老龙头河50 年一遇设计洪水最大3 h 洪量分别为1.74×106，2.58×106和7.25×106m3；20 年一遇设计洪水最大3 h 洪量分别为1.31×106，1.94×106和5.38×106m3；50 年一遇设计洪水最大6 h 洪量分别为2.58×106，3.76×106和1.22×107m3；20 年一遇设计洪水最大6 h 洪量分别为1.94×106，2.82×106和8.91×106m3。可见，老龙头河由于集水面积较大，洪峰和洪量均在陶房河和圣水河之上，陶房河和圣水河因洪水历时较短，洪水期河道水位变化较快，增加了防洪减灾的难度。设计洪水结果不仅可以作为水面线计算的上边界条件输入，也可为相似地区无资料洪水计算提供依据。

3.1.2 研究区设计潮位

由样本系列计算后获得样本平均值和样本标准差，并分别作为潮位（2.713）和σ（0.17）。由公式（10）估算α取值为7.73，u取值为2.638。根据公式（11）计算不同重现期对应的潮位值，部分重现期对应潮位计算结果见表2。

表2 部分重现期对应潮位计算结果表

3.1.3 挡潮闸上游设计洪水位

施工后的河道水面线计算，将挡潮闸所在断面设置为下游边界控制断面，挡潮闸上游断面设计洪水位设置为下游水位边界条件。根据辽宁法，各河段施工后挡潮闸上游设计洪水位结果见表3。陶房河较圣水河和老龙头河水位偏低，且50年一遇和20 年一遇水位差值较小。水位最高的圣水河，50 年一遇和20 年一遇水位差值为36 条河流最高，说明流量变化导致的断面水位变幅大。老龙头河洪峰流量最大，但水位和水位差值均低于圣水河，说明3条河流中老龙头河河道过流能力最强。

表3 各河段挡潮闸上游水位结果表 m

3.2 水面线结果及河道行洪能力分析

将各河段挡潮闸上游水面线作为研究对象，使用HEC-RAS 模型对陶房河、圣水河和老龙头河各设计标准的洪水情况进行模拟，计算得出施工前后的水面线，结果见表4。工程施工后，陶房河各断面设计洪水水位明显降低，上游和下游变化较小，中游变化较大。圣水河与老龙头河设计洪水水位降低幅度比陶房河低，且下游水位（近挡潮闸）高于天然河道，这是由于工程建设目标中，除了提高防洪能力，还有蓄水压碱的功能要求，因挡潮闸的挡水功能，圣水河和老龙头河下游部分断面水位较施工前出现0～0.63 m 小幅升高。

表4 陶房河现状及整治后设计洪水水面线 m

施工前后的水位差值大小反映了河流防洪能力的改善程度，水位差值越大，防洪过流能力提升越大。水面线计算结果说明，陶房河在工程实施后防洪过流能力改善效果最为显著，圣水河与老龙头河防洪过流能力也得到一定提升。对比不同频率洪水条件下水位差值，可见洪峰流量越大，水位差值越小。如陶房河在遭遇20 年一遇洪水时，水位下降最高达1.76 m，在遭遇50 年一遇洪水时，水位下降最高为1.49 m。圣水河在遭遇50 年一遇洪水时，水位较未施工前下降最高仅为0.55 m。因此，对于超标准洪水，除河道整治以外还需借助其他措施才能满足防汛要求。

4 结语

研究中所使用的无资料小流域设计暴雨、设计洪水及设计潮位计算方法在大连花园口经济区适用性较好，可为相似流域提供计算方法依据。在近海河段，挡潮闸可以有效地抬高挡潮闸上游附近水面线，蓄水压碱，改善地下水水质，防止周围土壤生境恶化。河道整治工程实施后，主要河道断面水面线下降，防洪能力得以改善。然而，洪峰流量越大，水面线下降效果减弱，因此，在应对超标洪水时，还需结合其他措施防洪减灾。