海城经济开发区建设对区域洪水影响分析

刘 明

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110000）

1 引言

工程建设在一定程度上会对周边环境产生一定的影响,尤其是临近河道的工程建设会对项目区的洪水产生影响[1-3],在工程实施前进行洪水影响分析评价是十分必要的,对环境友好型工程建设有较大的促进作用。结合海城经济开发区建设项目实际情况,分析项目建设对洪水的影响。

2 工程概况

2017 年海城经济开发区用地面积15.75 km2。海城经济开发区现状城市建设用地构成主要为居住用地、工业用地、公共设施用地、道路广场用地四大类,居住用地占总建设用地的43.56%,工业用地占28.54%,公共设施用地占3.72%,道路与交通设施用地占15.26%,绿地与广场用地占5.09%。海城河在海城水文站以上为山丘区,河道平均比降4.18‰,出海城后呈扇形延伸至牛庄一带进入平原区,坡降较小。海城河是太子河左岸最后一条支流,也是最大一条支流。

3 水文分析计算

3.1 水文测站及资料情况

海城河流域有海城水文站,海城水文站建站较早,有1935 年～1996 年的水文观测资料,海城站以上流域面积1000 km2,位于项目区上游,距项目区上边界约8km,项目区距海城河入太子河河口19.78 km。《海城河河道治理规划报告》在《观音阁初设》的基础上进行了资料的延长,延长的资料为1978 年～1996 年。洪水系列经延长后共计57 年。这样海城站的水文资料有1935 年～1944 年、1950 年～1996 年共57 年系列。

3.2 资料审查

太子河流域设计洪水在《葠窝技设》阶段（洪水资料用至1965 年）和《观音阁初设》阶段（洪水资料用至1977 年）对主要站均进行了分析,观音阁、本溪两站设计洪水采用《观音阁初设》成果,其他各站的设计洪水沿用《葠窝技设》成果。2002 年,辽宁省水利水电勘测设计研究院在辽河流域防洪规划阶段,又延长水文资料对太子河流域的主要测站的设计洪水成果进行了复核,复核后依然采用原成果。2005 年,海城河防洪影响评价将海城站水文资料延长至1998 年对设计洪水进行复核,复核成果略小于原设计成果,两次的设计成果基本一致,采用观音阁水库原设计洪水成果,是合理的、安全的。

根据海城站和太子河流域临近测站的设计洪水成果点绘出各站洪峰（P=2%、P=1%和均值）与面积关系,海城站的计算成果与邻近测站成果的关系较好,符合地区规律。

3.3 历史洪水资料概况

辽宁省水文水资源勘测局和辽宁省水利水电勘测设计研究院对海城河流域的历史洪水进行了多次的现场调查和文献考证,海城站的历史洪水资料比较翔实、可靠,其洪峰流量的顺位见图1。

图1 海城站历史洪水

根据海城站的历史洪水顺位分析,1879 年洪水和1888 年洪水分别作为1879 年以来的第一位和第二位洪水。1879 年洪水的重现期确定为120 年,1888 年洪水的重现期确定为120 年的第二位。

4 洪水分析

辽宁省水利水电勘测设计研究院在以往的工作中,对太子河流域主要测站的水文资料进行多次的审查与考证。1989年在观音阁水库初步设计工作中,对太子河干、支流的水文测站均进行了系统的频率分析与计算,依据流域特性的变化规律,对各站的统计参数经流域平衡后综合确定,设计成果较可靠。

辽宁新禹防洪工程技术咨询有限公司于2005 年2 月编制了海城河防洪影响评价。该评价报告根据洪水历时,选择1 日、3 日作为控制时段。根据资料审查结果,海城站选取1935 年～1998 年共59 年洪峰、洪量资料进行设计洪水计算。一日、三日洪量频率计算采用矩法,考虑历史洪水洪峰频率计算采用绘线读点补矩法,线型均采用P-Ⅲ型曲线。

由于近年来海城河没有发生较大洪水,所以水文资料延长后设计洪水成果较以前采用的设计成果有所降低,但是两者间相差较小,大致5%左右。为了保持设计成果的相对稳定性,设计海城河的设计洪水成果采用观音阁原设计成果。

表1 海城站设计洪水成果表

海城河在海城水文站以上为山丘区,河道平均比降4.18‰,出海城后呈扇形延伸至牛庄一带进入平原区,坡降较小。在太子河河道防洪工程初步设计阶段,辽宁省水电勘测设计研究院对海城河口的设计洪水进行分析,海城站～海城河口按照平原区计算（按农田排水计算）,海城站～河口的洪水传播时间采用7 h,本次复核后依然采用该成果。海城河口的设计洪水成果见表2。

表2 海城河口设计洪水成果表

5 河势影响分析计算

根据B.M 洛赫金提出用水流对泥沙颗粒的作用力与河床表面泥沙抵抗运动的力之间的相对关系,计算河床稳定系数。

（1）纵向稳定指标

纵向稳定指标计算公式：

式中：K纵为纵向稳定系数；d为床沙粒径,mm；J为河道平均比降,1.74‰。

经计算,河槽内以粉质黏土为主平均粒径取0.026mm,河道比降J=1.74‰,相应纵向稳定系数为0.015。根据计算结果,项目处河段河床冲淤变幅较大,属纵向较不稳定性河床,该河段泥沙运动强度相对较剧烈,河床不是很稳定。

（2）横向稳定指标

横向稳定计算公式为：

式中：Q为平滩流量,600 m3/s；K横i为第i断面横向稳定系数；J为造床流量下水面比降,1.74‰；B为造床流量下的水面宽,200 m；b为枯水期水面宽,30 m。

经计算,海城河评价范围河段K横1=0.09,K横2=0.15；计算结果总体偏小,河道横向较不稳定。

（3）综合稳定系数

采用包含纵向和横向的综合稳定系数公式：

经过本次防洪复核计算,海城河评价河段的综合稳定系数为0.013%。当Ψ<0.001%时,河型为游荡型；当0.001%<Ψ<0.05%时河型为分叉型；当0.05%<Ψ<5%时河型为蜿蜒型；当Ψ>5%时河型为过渡型。所以海城河评价河段为分叉型河道,分叉型河道较稳定,汊道的发展、消长有明显周期性,汊道的发展主要取决于汊道进口处的分流分沙情况。

6 壅水分析计算

6.1 桥梁壅水计算

6.1.1 计算方法

分析河段河道内主要涉及的壅水建筑物为三台子大桥及二台子大桥,计算方法采用《海城河河道治理规划报告》采取的鲍氏公式：

式中：ΔZ为桥壅水高度,m；ξ为系数（与水流进入桥孔的阻力有关）；V为有冲刷情况时,桥下平均流速,m/s；V1为天然条件下桥位处平均流速,m/s；P为与桥孔冲刷有关的系数；W过、W阻为桥的过水和阻水断面面积,m2；VS为桥下设计洪水流速,m/s。

6.1.2 计算条件

（1）计算频率及设计流量

分析范围内沈海高速公路桥至三台子桥段右岸防洪标准为50 年一遇；左岸防洪标准为20 年一遇。珠江路（天山街至沈海高速）道路位于海城河右岸,设计防洪标准为50 年一遇。即本次洪水计算频率为P=2%及P=5%,相应洪峰流量为3947 m3/s、2762 m3/s。道路工程建设完成后改变了原有堤线,且路面高程较右岸规划堤顶高程普遍偏低,但改线后堤防达到50 年一遇防洪标准。

（2）地形资料

平面地形资料采用2020 年实测1∶500 地形图、2002 年1∶1000 地形图、2020 年谷歌卫星底图。

根据《海城河河道治理规划报告》成果,分析河段采用现状实测断面,堤距759 m～766 m。

（3）起点水位

本次评价河段起点水位选用《海城河河道治理规划报告》成果,沈海高速桥P=2%相应设计水位为20.12 m,P=5%相应设计水位为19.13m,作为为本次水面线推求的起始水位。

（4）糙率选取

分析河段河道糙率参考《海城河河道治理规划报告》中的糙率成果,根据整治河段质组成条件（主槽、滩地河床质主要为粉质黏土、滩地覆盖条件（多为耕地、林地,部分河段有坟地、坑塘等,局部有弃渣堆）,结合《水力计算手册》,选定主槽糙率在0.025～0.03 之间、滩地糙率在0.028～0.085之间。模型率定采用2020 年实测地形资料,与《海城河河道治理规划报告》水面线计算所采用地形相差不大,其他计算条件与《海城河河道治理规划报告》一致。

（5）计算方案

考虑珠江路（天山街至沈海高速）道路建设将造成现状堤防堤线的调整,结合《海城河河道治理规划报告》设计成果,此段水面线计算方案为堤防改线方案：即公路工程建设后,采用公路工程路由作为堤线,该方案整体拓宽了河道行洪断面。已建段则采用已建实际断面进行计算。

表3 分析河段桥梁壅水成果表

6.2 新建堤防壅水计算

根据《珠江路（天山街至沈海高速）道路涉及海城河防洪评价报告》中的相关内容,堤防改线方案较规划堤线方案水面线成果0+650～0+500 升高0.01 m,0+250～0+000 升高0.01 m,其余段均有下降。其主要原因是堤防改线方案在0+600～0+500 和0+250～0+200 两处堤线向河道内有一定幅度的偏移,略占用一定行洪断面,继而造成该处河段水位的壅高,但整体堤线向河道外偏移较大,河道行洪受其影响较小,即该河段堤线调整引起的水位壅高较不明显。

7 结论

P=2%时海城站、海城站～河口、海城河口洪峰流量分别为：3780 m3/s、167 m3/s、3950 m3/s；P=5%时海城站、海城站～河口、海城河口洪峰流量分别为：2630 m3/s、132 m3/s、2760 m3/s；P=10%时海城站、海城站～河口、海城河口洪峰流量分别为：1810 m3/s、100 m3/s、1910 m3/s。河道纵向稳定系数为0.015,海城河分析范围河段K横1=0.09,K横2=0.15,海城河分析河段的综合稳定系数为0.013%,为分叉型河型。利用鲍氏公式对分析河段内三台子桥及二台子桥进行壅水高度计算,P=2%时壅水高度分别为0.09m 及0.07 m。新建堤防壅水,除0+650～0+500、0+250～0+000 段较规划堤线方案水面线成果升高0.01m 外,其余段均有下降,该河段堤线调整引起的水位壅高不明显。