城市河道生態(tài)景觀對防洪的影響

范春萌

(凌源市凌河城區(qū)建設(shè)管理辦公室， 遼寧 凌源 122500)

城市河道生態(tài)景觀對防洪的影響

范春萌

(凌源市凌河城區(qū)建設(shè)管理辦公室， 遼寧 凌源 122500)

河道是城市生存發(fā)展的重要資源，徹底改善水質(zhì)、增強(qiáng)河道防洪能力、促進(jìn)水系的循環(huán)、解決河道現(xiàn)狀問題是城市建設(shè)中較為重要的部分。本文以大凌河為例，設(shè)計(jì)了四種景觀方案，利用物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究手段，通過流體動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)數(shù)值分析等技術(shù)，將植被群及景觀島高度作為水流的主要影響要素進(jìn)行研究，并對洪水來襲時(shí)不同的生態(tài)景觀方案下河道的水位和流速進(jìn)行模擬，進(jìn)而定性分析不同城市生態(tài)景觀對防洪的影響。該研究對景觀防洪的實(shí)際應(yīng)用有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

城市河道； 生態(tài)景觀； 流速； 水位； 數(shù)值模擬

河流與人類生活息息相關(guān)，河道作為文化傳承的物質(zhì)載體，是城市發(fā)展的重要資源，促進(jìn)水系循環(huán)、徹底改善水質(zhì)、解決河道問題是城市建設(shè)的重要組成部分[1]。為促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)文明建設(shè)越來越引起人們的關(guān)注，當(dāng)前河道生態(tài)景觀建設(shè)越來越成為城市規(guī)劃的一個(gè)主題。隨著社會(huì)的發(fā)展，防洪治河工程成為水利工程的組成部分[2]。城市河流受降雨量的影響較大，防洪工作主要集中在冰雪融化期和夏天雨季，利用工程措施降低洪水災(zāi)害變得尤為重要。

河道中的植被為水生物提供生存環(huán)境，但同時(shí)抬升了河流水位，加大了對水流的阻力，減小了河流的過流能力。因此在城市水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，考慮城市河道景觀、城市文化等多種因素，建設(shè)健康和諧的河流生態(tài)系統(tǒng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。生態(tài)景觀方案的防洪體系建設(shè)是經(jīng)濟(jì)建設(shè)的必要條件，對人民生命財(cái)產(chǎn)的安全起著重要作用。本文以大凌河為例，設(shè)計(jì)了四種景觀方案對河道流域進(jìn)行環(huán)境動(dòng)力分析，并利用數(shù)值軟件進(jìn)行模擬研究[3]，分析不同景觀因素對河流水動(dòng)力的影響，進(jìn)而驗(yàn)證景觀方案的合理性，為工程實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 工程概況及模型設(shè)置

1.1 氣候水文

凌源市位于華北地區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明。該地區(qū)擁有平原、丘陵、山地等地貌形態(tài)。水資源受大氣的控制較大，平均氣溫11.6～12.9℃；地下水量9.6m3；地表水量17.1億m3；降雨量較為集中，年均降水量694.5 mm；1 月最小，為9.3 mm；7 月最大，為180.6 mm，8 月次之，為172.3 mm；平均蒸發(fā)量1520 mm，月平均最高為 181 mm。大凌河流域是凌源市重要的排水系統(tǒng)，流域面積為 2.35萬km2，水系總長約 398 km，年均徑流量16.67億m3。

1.2 控制方程

在模擬計(jì)算水平尺度中，水流泥沙的運(yùn)動(dòng)特征采用平均水深平面二維水沙運(yùn)動(dòng)方程，水流運(yùn)動(dòng)可以由Renold基本方程，沿水深方向萊布尼茲積分進(jìn)行模擬計(jì)算。水動(dòng)力垂向模型控制方程如下[4]：

a.連續(xù)性方程:

(1)

b.動(dòng)量方程：

(2)

式中ξ——水面高程，m；

C——謝才系數(shù)；

Ω——科氏力參數(shù)；

f——風(fēng)阻力系數(shù)；

V——風(fēng)速，m/s；

d——時(shí)變水深，m；

h——水深，m；

p、q——x,y方向單寬流量，m3/s。

1.3 邊界條件

本文所采用的模型中的開邊界包括1.2%和2.1%的高潮潮位，其中，將區(qū)域內(nèi)大凌河與張莊河的流量作為開邊界，流量值見表1。

表1 河道開邊界流量 單位： m3/s

1.4 方案設(shè)計(jì)

糙率表示水流通過復(fù)雜的過流邊界表面所受阻力的綜合系數(shù)，主要由植被景觀、河床以及河道兩岸的岸壁等自然條件決定，其主要影響因素包括河道表面的粗糙程度、河槽內(nèi)的植被及河道內(nèi)景觀島的植被等。為研究河道生態(tài)景觀對防洪的影響，本文根據(jù)大凌河的河槽、河道、景觀島的不同情況，設(shè)計(jì)四種景觀方案，設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬計(jì)算。參考類似河道的景觀糙率進(jìn)行糙率值的選取，參考天然河道糙率表選取大概糙率數(shù)值。具體方案設(shè)計(jì)見表2。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算區(qū)域糙率的選取

2 河道生態(tài)景觀對防洪的影響

為研究河道生態(tài)景觀對防洪的影響，需對河道生態(tài)景觀進(jìn)行整體規(guī)劃設(shè)計(jì)。本文選取凌源市區(qū)樁號(hào)H1+420～H2+140 總長為 760m的區(qū)域，利用控制模型方程，對生態(tài)景觀糙率對河道水位及流速進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算研究。

2.1 河道生態(tài)景觀糙率對水位的影響

在相同水動(dòng)力的條件，四種方案下河道中泓線水位的變化趨勢如圖1所示。

圖1 H1+420～H2+140河道中泓線水位

從圖1可以看出，區(qū)域內(nèi)景觀島的上游水位隨著糙率的增加而增加，當(dāng)糙率較大時(shí)，水位受糙率影響較小，而糙率較小時(shí)，水位增大比較明顯。四種方案下，河道中泓線水位的變化趨勢基本相同，其中方案C的水位變化值最大，方案B次之，無植物群方案的水位變化最小。由于區(qū)域內(nèi)景觀島的存在，景觀島上游的水流受到影響，產(chǎn)生水位壅高，景觀島數(shù)目增加，其水位壅高比單個(gè)景觀島更加復(fù)雜，因此，方案C的水位最大壅高達(dá)到1.1m，景觀植被對景觀島上游的水位影響較大，對下游水位影響較小。糙率變化越大，水位的幅值變化就越明顯，四種景觀方案在糙率改變時(shí)，河道水位的標(biāo)準(zhǔn)差見表3。

表3 河道水位標(biāo)準(zhǔn)差

由表 3 可以看出，景觀方案C的標(biāo)準(zhǔn)差最大，景觀方案B次之，無植物群最小。說明在相同地形條件和水動(dòng)力條件下，糙率變化值越大水位的幅值變化也相應(yīng)變大。

2.2 河道生態(tài)景觀糙率對流速的影響

地形條件和水動(dòng)力條件相同時(shí)，景觀島群樁號(hào)為 H1+420～H2+140 間斷面中泓線流速沿流程方向的變化趨勢如圖2所示。

圖2 H1+420～H2+140河道中泓線流速

由圖 2 可以看出，四種方案下，河道中泓線水流速度變化趨勢基本相同，而變化幅度大小不同。其中方案C的水流速度變化值最小，方案B次之，即糙率越大水流速度越小。相同流量條件下，糙率不同時(shí)，斷面平均流速變幅與糙率有關(guān)。糙率值越大，變化幅度值的波動(dòng)更加明顯，其變化的幅度值也越大。河道生態(tài)景觀規(guī)劃需整體建設(shè)規(guī)劃，水流速度同時(shí)會(huì)受到多個(gè)生態(tài)景觀的影響，因此可以實(shí)現(xiàn)對河道水流速度的定性分析。

3 河床面突起高度對流速的影響

3.1 河床面突起高度對上游流速的影響

在相同河道、相同水流等條件下，河床面突起高度對水流速度的影響如圖3所示。

圖3 Δz與Δv 的關(guān)系

由圖3可以看出：河床面突起高度為1.0m時(shí)，水流速度Δv為-0.472m/s；河床面突起高度為4.0m 時(shí)，水流速度Δv為-1.908m/s。表明當(dāng)糙率、水動(dòng)力等條件相同時(shí)，在淹沒狀態(tài)下，隨景觀島的高度逐漸增加，景觀島上游水位壅高不斷提升，河道的水流速度呈線性下降趨勢。其中突起高度差Δz與上游流速Δv線性關(guān)系為：Δv=-0.5211Δz+0.0052，R2=0.991，擬合度較高。

3.2 河床面突起高度對景觀島頂點(diǎn)流速的影響

在相同河道、相同水流等條件下，河床面凸起高度對景觀島頂點(diǎn)流速的影響如圖4所示。

圖4 Δz與Δv 的關(guān)系

由圖4可以看出：床面突起高度為1.0m時(shí)，景觀島頂點(diǎn)水流速度Δv為0.152m/s，床面突起高度為4.0m時(shí)，景觀島頂點(diǎn)水流速度Δv為1.917m/s。表明當(dāng)糙率、水動(dòng)力等條件相同時(shí)，在淹沒狀態(tài)下，隨景觀島的高度逐漸增加，景觀島頂點(diǎn)流速不斷增加。其中突起高度差Δz與島頂點(diǎn)流速Δv的線性關(guān)系為：Δv=-0.4621Δz+0.0113，R2=0.989，擬合度高。

4 結(jié) 論

本文以大凌河為例，選定河樁號(hào)H1+420～H2+140 總長為760m 的區(qū)域，設(shè)計(jì)了四種景觀方案，分析景觀因素對河流水動(dòng)力的影響，并對河道流域環(huán)境動(dòng)力進(jìn)行分析，通過數(shù)值軟件進(jìn)行模擬計(jì)算研究，進(jìn)而驗(yàn)證景觀方案的合理性，得出以下結(jié)論：

a.洪水流動(dòng)過程中，水位受糙率的影響較大，景觀島上游水位隨著糙率的增加而增加，當(dāng)糙率較大時(shí)，水位受糙率影響較小，而糙率較小時(shí)，水位增大比較明顯。

b.植被群的阻水效果較為明顯，糙率值越大河道內(nèi)洪水的流速越小，水位越高。糙率不同時(shí)水流速度的變化幅度趨勢相同，變化幅度有較大差別。

c.當(dāng)糙率、水動(dòng)力等條件相同時(shí)，在淹沒狀態(tài)下，隨景觀島高度的逐漸增加，景觀島上游水位壅高不斷提升，河道的流速呈線性下降趨勢。

d.當(dāng)糙率、水動(dòng)力等條件相同時(shí)，在淹沒狀態(tài)下，隨景觀島高度的逐漸增加，景觀島頂點(diǎn)流速呈線性增加趨勢。

[1] 孟琳琳.城市河道治理中的景觀生態(tài)模式[J].人民黃河,2013(11):6-7+10.

[2] 胡靜波.城市河道生態(tài)修復(fù)方法初探[J].南水北調(diào)與水利科技,2009,7(2):128-130.

[3] 李宏軍,楊佳棟.城市河流生態(tài)景觀與橡膠壩設(shè)計(jì)運(yùn)用探討[J].水利建設(shè)與管理,2014,34(5):27-29.

[4] 王國華,梁昕.東焦河水電站壩下河道生態(tài)治理措施初探——山西晉城市東焦河水電站綠色小水電建設(shè)典型經(jīng)驗(yàn)介紹[J].中國水能及電氣化,2015(12):10-11.

Influence of urban river ecological landscape on flood control

FAN Chunmeng

(Lingyuan Linghe Urban Construction Management Office, Lingyuan 122500, China)

River channel is an important resource in urban survival and development. It is more important for urban construction to improve water quality completely, enhance the capacity of river flood control, promote water system circulation and solve the problem of river channel status. Daling River is adopted as an example for designing four landscape plans. Physical experiment, numerical simulation and other research means are utilized for studying vegetation groups and landscape island height as main influencing factors of water currents through fluid dynamics, computer numerical analysis techniques and other techniques. River channel water level and flow velocity under different landscape plans during floods are stimulated, thereby qualitatively analyzing the influence of different urban landscapes on flood control, and the study has very importance practical significance for practical application of landscape flood control.

urban river channel; ecological landscape; flow velocity; water level; numerical simulation

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.05.012

TV212.5

A

2096-0131(2017)05- 0048- 04