區域地面沉降對河流水系防洪能力影響的數值模擬評價研究

石 寧

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

區域地面沉降已成為當前城市化發展不可忽略的環境地質問題。區域地面沉降對流域水系防洪能力的影響評價成為當前國內水利學者關注的熱點問題[1- 5]。目前大都采用定性描述為主的方式進行研究，而在定量評估區域地面沉降對河流水系的研究還不多，尤其在遼寧沿海地區還未進行相關研究。近些年來，數值模擬方法被廣泛用于區域河流水系防洪能力影響研究[6- 8]，為此本文引入數值模擬方法，以遼寧省沿海區域為研究實例，定量評估區域地面沉降對河流水系防洪能力的影響。

1 數值模擬方法

為分析區域地面沉降對河道行洪能力的影響，采用數值模擬的方法模擬不同沉降對區域防洪能力的影響，數值模擬方程為：

(1)

(2)

(3)

式中，σs—流量系數；m—淹沒系數。在流量計算的基礎上，需要對區域的綜合糙率進行確定，河道主槽和河邊灘地的綜合糙率的計算方程為：

(4)

式中，χz—主槽濕周；χb—河灘地濕周；n—綜合糙率；nz—主槽糙率；nb—河灘地糙率。對于蓄洪區其綜合糙率的計算方程為：

(5)

式中，ni—不同典型分區的糙率；Ai—不同分區的集水面積，km2。

圖1 區域地形及糙率分布

區域無沉降0～0.3m0.3～0.6m0.6～0.9m0.9～1.2m>1.2m①12.516.822.310.58.94.3②13.422.135.216.318.95.7③22.817.425.931.218.35.1④16.522.514.310.622.53.3⑤52.465.372.551.342.56.9⑥38.918.526.943.522.78.2總計156.5162.6197.1163.4133.833.5

2 研究實例

2.1 區域概況

本文以遼寧中部某流域為研究區域，研究區域總的地勢東南高西南低。東南屬千山山脈西麓地帶，東北部位于龍崗山脈尾部丘陵地帶，西部位于下遼河平原東側邊緣地帶。區域山區面積約2803.85km2，占總面積的59.2%；平原區面積約1931.93km2，占總面積的40.8%。遼區域內地貌按成因類型可分為侵蝕構造、剝蝕構造、剝蝕堆積、堆積地貌。侵蝕構造地貌，一般海拔高程500～800m，剝蝕構造地貌其海拔高程在200～500m。剝蝕堆積地貌的地形坡度3～6°，海拔高程在30～50m，屬山前微傾斜坡洪積平原。堆積地貌，以太子河沖積平原為主體，地表海拔10～30m。研究區域的地形及糙率分布如圖1所示。

2.2 區域沉降統計量

將區域劃分成6個典型區域，結合區域地形剖分數據，對比了區域不同累計沉降量下的面積，分析成果見表1。

從表1中可看出，區域沉降量大于1.2m的累計面積最小，為33.5km2，而沉降量在0.3～0.6m的區域累計面積最大，達到197.1km2，這一部分主要集中在區域的中部，而無沉降的累計面積為156.5km2，這一部分區域主要位于區域的東部。

2.3 區域糙率設置

結合區域糙率分布圖，對區域的不同土地利用類型和河道綜合糙率進行設置，糙率設定結果見表2及表3。

表2 區域不同土地利用類型糙率確定

表3 區域內河道糙率設定結果

從表2可看出，耕地和林地相比于其他土地利用類型糙率要大，草地糙率相對要小，但區域耕地和林地面積相對較大，而草地面積相對較少，城鎮利用地面積也相對較小，占整個區域10%，從表3河道區域綜合糙率設定結果可看出，各河道區域灘地糙率均較大，主要是灘地農作物類型和林地較多，使得其灘地糙率要大于河道主槽的糙率。

2.4 沉降前后最高水位和最大流量對比

結合數值模擬方法對區域沉降前后的最高水位和最大流量進行對比分析，分析結果見表4及圖2。

表4 區域沉降前后行洪能力對比結果

圖2 區域沉降前后行洪能力對比結果

從表4中可看出，區域沉降前后區域⑥最高水位變幅為2.02m，主要因為這個區域位于地勢較為低洼的區域，地面沉降對其最高水位影響較大。而區域②和③沉降對其最高水位影響較小，水位變幅均在0.13m左右。從最大流量可以看出，區域沉降對其流量影響較小，各區域流量變幅均較小，主要因為區域沉降對其過水斷面影響較小，因此對最大流量影響較小。從圖2中可看出，區域最高水位變幅明顯高于最大流量的變幅。

2.5 沉降前后對滯洪影響分析

結合數值模擬方法對區域沉降前后的滯洪能力進行了分析，分析結果見表5。

從表5中可看出，區域沉降前后對最大滯洪水量影響較大，區域⑥由于地勢較低，其最大滯洪水量增加量最大，而區域①主要位于城鎮區域，因子其滯洪水量增加程度較低。而對于最高蓄水位變幅而言，區域②作為主要的滯洪區域，因此其沉降前后的最高蓄水變幅較大，而區域⑥由于本來就是地勢較低的區域，因此其最高蓄水位變幅較小。

表5 區域沉降前后滯洪能力影響分析

2.6 區域地面沉降前后入海水量影響分析

結合數值模擬方法對區域沉降前后的入海水量進行了分析，分析結果見表6。

表6 區域沉降前后入海水量對比分析

從表6中可以看出，區域沉降前后的出海總量增加0.42億m3，占區域總水量的11.5%，河道滯洪總量減少0.08億m3，而入流總量變幅為0，這主要是因為區域沉降對整個流域水量平衡不會產生影響，區域總的入流總量因此沒有變化。

3 結論

(1)區域地面沉降對最高水位影響明顯，但對河道行洪最大流量影響較弱。

(2)區域地面沉降對低洼區域滯洪水量影響較大，相比沉降前，低洼區域滯洪水量可增加10%以上，但低洼區域對最高滯洪蓄水位影響程度較低。

(3)區域地面沉降前后入海總量增加明顯，對入流總量變化幅度較低。