養息牧河新民段防洪規劃水面線計算方法淺析

周 明

(沈陽市水利規劃院，遼寧 沈陽 110015)

養息牧河是遼河的一級支流，發源于遼寧省阜新市彰武縣三家子村北，流經彰武縣和新民市，在新民市吉祥堡東南匯入遼河，河道全長123km，新民段河長35km，處在新民市重要的農業產區和城郊經濟發展區域之間。兩岸堤防大部分為民堤，防御標準低，未經過大規模整治。2010年養息牧河新民段發生較大洪水，河槽漫溢，內澇嚴重，嚴重威脅兩岸人民群眾的生命財產安全和區域經濟發展，引起了各級黨委和政府對整治養息牧河的高度重視。盡快編制養息牧河新民段防洪規劃顯得十分必要也尤為迫切。

水面線計算是防洪規劃中一項十分重要的基礎工作，是確定防洪工程建設規模，核算工程量，確定投資規模的重要依據。具有牽一發而動全身甚至顛覆總體規劃的作用，因此，水面線計算工作既是編制防洪規劃的基礎，也是龍頭。對于編制好防洪規劃具有決定性的控制作用。

1 水面線計算中的技術問題

水面線計算的基本思路：首先根據河道的地形圖對規劃河道進行分段，依據各實測分段縱橫斷面的自然情況，劃分橫斷面的主槽和灘地界限，從調查的歷史資料中選取與設計流量相近的洪痕調查資料，計算出水面比降，采用曼寧公式推求各分段斷面的糙率，再利用河道恒定非均勻流基本方程推算各斷面間的局部損失系數(如果計算的局部水頭損失不在經驗值范圍內，需要重新計算河道糙率)，最后通過確定的起始水位，按已求得的各橫斷面糙率和局部損失系數，利用河道恒定非均勻流基本方程推求設計洪峰流量下的各斷面的設計水位，并對計算成果進行合理性分析。

1.1 規劃河道的分段

水面線計算時，根據規劃河道沿線橫斷面的水力要素特征，將規劃河道分成若干個計算河段。河道分段的原則是使每個計算河段內的河床平均底坡，斷面形式和糙率，流量等斷面水力要素基本一致；一般對平原河流，每個計算河段內的水位差控制在幾十厘米至1～2m之間，計算河段長度控制在2～4km之間。若規劃河段遇到擴散或收縮河段等縱橫斷面變化較大的河段，應對計算河段適當加密，以提高水面線的計算精度。同時，對于歷史洪水調查資料豐富的河段，在河段縱橫斷面資料中有河段水位沿程變化情況，即沿線高、中、低水位的洪痕線(同一時刻洪痕線)，洪痕坡度基本一致，也可作為劃分規劃河段的依據。

養息牧河流域新民段屬平原洼地，河道平均比降0.85‰，比降平緩。根據上述原則，計算河段長度控制在2km，水位差控制在1.2m左右。目前能收集到的1980、2009年和2017年的平面以及斷面資料，通過平面演變分析及各年橫斷面套匯分析，本次規劃河段上下游河寬變化較大處和急彎處實測斷面增加5處。新民河段沿線橋梁、攔河閘壩等跨河建筑物4座，需測量建筑物所在斷面及其下游50m天然斷面。養息牧河下游距河口8.6km處設有小荒地水文站，集水面積為1783km2。1954年6月設站至今，有沿線實測高、中、低水位的洪痕線，水文站處河段控制長度取1km。因此，35km規劃河道共布置28個實測斷面，斷面間距50～2000m，平均間距為1250m。

1.2 河道糙率的選取

河道糙率是水面線計算中一個敏感因素。河道糙率受河槽和水流兩種因素的相互影響。河槽邊壁的粗糙程度、河床泥砂的顆粒大小、灘地上的植被組成，河槽斷面縱橫的幾何特性都是影響糙率的主要因素；對于有實測洪水資料的，可采用實測的現狀河道縱橫斷面資料，利用曼寧公式反推糙率，即使用已選用的糙率進行水面曲線計算，其計算的水位成果與實際水位進行比較，兩者應盡量接近，否則應對糙率進行修正；對于無實測資料或資料短缺的河道，可參考《水力計算手冊》，并結合當地情況相類似的河道經驗確定。

養息牧河新民段發生大洪水時，因防洪工程體系薄弱，防洪封閉圈基礎價差，洪水調查非常困難，因此養息牧河新民段至今無歷史洪水調查成果。但新民段有小荒地水文站，其歷史洪水位、流量、水面比降等歷史洪水資料比較全面，有利于確定水文站劃分河段的糙率。統計小荒地水文站1954—2015年共62年實測洪水資料，利用曼寧公式繪制出洪水流量-糙率曲線，再根據規劃設計流量查出水文站河段的糙率。新民河段河槽和河灘地地質條件基本一致，利用水文站河段的糙率，根據灘地植物組成的不同結合《水力計算手冊》，并參考當地柳河治理經驗，適當調整沿河其他河段糙率。根據新民段沿線橋梁、攔河閘壩等4座跨河建筑物的洪痕資料，通過實地調查走訪估算洪痕所對應的流量，利用實測的現狀縱橫斷面資料反算河道糙率，以此驗證糙率選取是否適當。但需要注意選取糙率時，計算河道水位的變化也影響糙率的大小，小洪水時糙率大于大洪水時的糙率。在作防洪規劃時，從安全方面考慮，糙率可選取大一些，計算的水面線要高一些，這樣堤防設計標準高。因此，通過本次規劃驗證，得到設計流量的主槽糙率為0.028～0.033，灘地糙率為0.065～0.075。

1.3 局部水頭損失的選取

一般情況下，對于逐漸收縮的河段，因其水流不會發生回流，可忽略局部水頭損失，但如果河道局部地方有較突出的變化或障礙物，如河槽斷面的擴大、干支流交匯處、急彎段和河道中的橋墩等，水流與岸壁脫離，致使水流產生渦旋，形成回流，并產生較大的局部水流阻力。這時就需要考慮局部水頭損失。

通過上述河段劃分和糙率選取，對于規劃河段斷面擴大處和河道急彎處等斷面要素變化大的河段要考慮局部水頭損失。通過調整河道糙率，試算局部水頭損失系數，既要使局部水頭損失系數在經驗取值范圍內，又要使河道糙率在本次規劃驗證值內。本次重新調整河段糙率后，根據《水力計算手冊》中局部水頭損失系數經驗值，橋墩阻力局部水頭損失系數用0.18，彎道局部水頭損失系數取0.05，河道擴散河段損失系數用-0.45～-0.75，局部損失系數為負，是要保證擴散河段的局部水頭損失值為正而加的。

1.4 起始水位的確定

推求規劃河段水面線時，需要已知起始斷面的起始水位。對于推求支流河道的起始水位，需要先分析支流與匯入的干流洪水遭遇情況：如果干流與支流洪水遭遇，則應分析干流為主支流相應和支流為主干流相應的兩種情況，選取兩種情況的外包線作為支流設計水面線；如果干流與支流洪水不遭遇，則應分析支流設計標準干流流量相應和干流設計標準支流流量相應的兩種情況，取其兩種情況的外包線作為支流設計水面線。

養息牧河河口上游65km為石佛寺水庫。由于地理位置和地形影響，遼河流域暴雨中心籠罩范圍多出現于通江口至石佛寺之間的左側支流山區一帶，易在石佛寺處形成較大洪水。而石佛寺以下的右側支流地區降雨量較少，境內多為丘陵、黃土沙丘，植被條件極差，產匯流條件較差。通過分析小荒地水文站與遼河養息牧河匯合口上下游水文站的洪峰發生時間，發現在石佛寺洪水到來之前養息牧河洪水已先行下泄。根據小荒地水文站1954—2015年共62年實測洪水資料分析可知，實測系列中排在前三位的洪水發生在1969、1975年和1991年，相應遼河干流發生洪峰及時間情況見表1。

綜合以上分析：遼河石佛寺以上洪水與養息牧河洪水基本不遭遇。養息牧河發生

表1 養息牧河較大洪水與遼河洪峰發生時間對比表

較大洪水的年份遭遇遼河流量一般為平槽流量1000m3/s左右。水面線計算的起點斷面位于養息牧河與遼河入河口處，結合表1的結論，推求考慮到遼河、養息牧河洪水不遭遇，各頻率設計水面線的起點水位，選用養息牧河相應流量與遼干為1000m3/s平槽流量進行組合。流量組合后按照匯流點在遼干相應斷面進行水位插值計算。結果見表2。

表2 起點水位成果表

表2起點水位成果是以養息牧河來水為主，遼干相應情況下的成果。當以遼干來水為主時，即遼河干流發生50年一遇洪水時，養息牧河相應洪峰流量僅有60m3/s，此時養息牧河口的起點水位為35.13m。

養息牧河設計水面線計算分別采用“養息牧河設計、遼河相應”以及“遼河設計、養息牧河相應”兩種方式進行計算。計算結果取兩種方式外包線作為養息牧河新民段設計水面線。

1.5 計算成果合理性分析

將不同設計標準水面線計算成果與已有的實測洪痕調查的水面線繪制在同一張圖中。對不同設計標準水面線成果進行合理性分析。分析原則：計算水面線應比較平順光滑，除擴散或收縮河段等縱橫斷面變化較大的河段外，相臨斷面的水面線不存在明顯轉折或跳躍等現象；不同設計標準水面線相互協調，各水面線不應有交叉。

本次規劃計算得到的養息牧河新民段各標準水面線坡度基本一致，在遇橋梁、攔河閘壩等4座跨河建筑物時，水面線壅高0.05～0.18m，其余處水面線比較平滑，無明顯的轉折點。檢驗水面線計算成果的重要依據是河道洪水痕跡。在同一張紙中繪制本次計算水面線與小荒地水文站實測水面線，各水面線均無交點，近似平行。經水文站實測資料校核驗證，本次計算成果合理、可靠。

2 結語

養息牧河新民段堤防設計是以水面線計算成果為重要依據。水面線計算成果的可靠性，不僅影響工程的投資，還影響到保護區的受災程度。因此，規劃河道的劃分、河道糙率和局部水頭損失的選取、起始水位的確定等問題需要細心調整處理和多次分析研究。通過上述分析為類似河流防洪規劃中水面線的計算提供借鑒和參考。