義縣河道生態(tài)治理中HEC-RAS技術的應用研究

鄭亞峰

(錦州市義縣靠山屯水庫管理所，遼寧 錦州 121100)

0 引 言

伴隨著現(xiàn)代化進程的加快以及人水和諧理念的不斷深入，人們越來越重視河流水系良好的生態(tài)服務功能和濱河宜居的自然環(huán)境，河道綜合治理工程開始向“文化、休閑、舒適、優(yōu)美”的方向發(fā)展。為及時有效地掌握河床狀況、河灘植被、水位抬高等因素受河道治理工程措施的影響，探究水流受河道斷面結構的作用以及不同水位條件下植被的配置方法，運用HEC-RAS模型確定河道水面線，并考慮治理前后各個斷面的水位變化與不同部位糙率系數(shù)的差異評判工程實施效果，以期為河流水生態(tài)修復以及綜合治理方案設計提供參考[1-3]。

1 HEC-RAS軟件

美國水文研究中心開發(fā)的一款非恒定流或一維恒定流HEC-RAS模型，對于分析水體流動和確定洪泛區(qū)域具有較強適用性。其中，輸出設備、水文分析工具、資料記憶管理裝置以及圖表使用界面等為組成系統(tǒng)的主要模塊。根據(jù)模型分析成果，可為洪水安全分析、洪水區(qū)域管理研究、洪水危害程度以及淹沒范圍評判提供依據(jù)。HEC-RAS模型現(xiàn)已廣泛應用于水面線推算領域，如河道整治工程，應充分考慮橋涵沖刷、流速變化、壅水高度等對輸水的影響[4,5]。

目前，水面線推求的方法有能量方程式、圣維南方程組等，對于水位能夠顯著影響整治工程的天然河道水面線的推求，比較適用的推算方法為HEC-RAS模型。此外，在推求防洪規(guī)劃工程水面線時有學者應用了HEC-RAS模型，從而實現(xiàn)對河道現(xiàn)狀防洪能力的直觀判斷。

2 實例應用

2.1 工程概況

義縣大凌河破臺子大橋至萬佛堂河河口段，河流兩岸以平坦的河灘地為主，河灘地內(nèi)為大片草地、稀疏野生灌木帶，兩岸岸上有大片林地、耕地，河道岸坎均無防護措施。由于受河道河勢及對岸沖刷影響，河灘地內(nèi)生態(tài)措施薄弱，生態(tài)環(huán)境脆弱，河灘地內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)極易遭受破壞；其中，萬佛堂河河口上游左岸600m屬大凌河老河道，上游白石水庫泄洪，河勢經(jīng)沖刷擺動后，整休主槽移至河道右岸，左岸大片灘地及河槽生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，水生生物及陸生生物均已逐漸減少。工程區(qū)內(nèi)右岸河段急劇縮窄，河道行洪斷面突然變小不利于行洪安全。因河道縮窄、水位雍高時，右岸防汛管理路及兩岸規(guī)劃的大凌河國家濕地公園易遭受洪水破壞，破壞防汛逃生通道，造成較大財產(chǎn)損失。總體而言，河道兩岸無任何防護措施，洪水來臨時極易發(fā)生沖刷，造成岸坎的淘空、坍塌和嚴重水土流失，灘地植被面積逐年減小，對河流兩岸的生態(tài)環(huán)境造成破壞[6,7]。

綜合治理工程起始點河心樁號K0+000、K2+388，治理段河長2.39km，河道主槽寬度變化較大，處于50-200m之間，河流彎曲系數(shù)1.06，河道平面形態(tài)較為穩(wěn)定。工程治理內(nèi)容有清淤疏浚、生態(tài)護岸、修筑潛壩、修建跌水、河岸綠化、濕地工程等，通過治理工程使破臺大橋上下游河段水域岸線開發(fā)利用得以合理規(guī)劃，岸線規(guī)劃利用功能與建設項目協(xié)調。根據(jù)河道的岸線資源條件，采取防洪防護工程建設，打造凌河精品工程，改善生態(tài)體系、穩(wěn)定河勢、保護生態(tài)環(huán)境以及保障行洪安全[8]。

2.2 計算條件

1)基本資料。工程測量工作于2018年3月完成，平面比例尺及斷面測量間距依據(jù)施工圖測量深度要求，滿足設計和計算工程量需要；河道帶狀地形圖比例尺為1：1000，河道大橫斷圖比例尺1：100。

2)河道糙率。河道糙率是河槽與水流相互作用的產(chǎn)物，其影響因素有水流、河槽兩大方面。例如，落入河流的枯落物能夠降低徑流流速，增加糙率；河道糙率受流速、水深等水流因素以及河灘內(nèi)植物密度、形狀、高矮、長勢等影響較大。天然河道糙率可以利用洪水調查水跡法或實測水面線來反推，也可按照水位流量實測資料反推。由于該區(qū)段河道糙率無實測值，根據(jù)現(xiàn)場查勘，河道主槽及河灘現(xiàn)狀基本為裸露的雜填土、砂礫石、卵石等，灘槽變化不大，灘地寬度較小，依據(jù)相關規(guī)范、參考其他類似已建工程及有關經(jīng)驗，確定水面線計算利用灘槽綜合糙率0.027-0.040。

3)起點水位。工程起推斷面考慮河道上下游平順性，最終選取K2-650斷面作為水面線計算的起始斷面；設計流量時Q=6580m3/s(P=10%)，Q=4353m3/s(P=20%)，采用單斷面比降法計算該斷面水位流量關系，確定該斷面20年、10a一遇設計洪水流量的相應水位為72.89m、72.86m。

4)水面線計算。將水線面利用分段求和法和HEC-RAS水力模型計算，數(shù)學公式為：

(1)

式中：a1、a2為動能校正系數(shù)；v1、v2為上、下游斷面平均流速，m/s；hj、hf為沿程和局部水頭損失，m；z1、z2為上、下游斷面水位高程，m；g為水力參數(shù)，取9.8m3/s。

局部水頭損失hf利用以下公式求解，即：

(2)

式中：ξ為局部水頭損失系數(shù)。

3 結果與分析

3.1 河道水面線計算

大凌河設計水面線計算利用HEC-RAS軟件V5.0實現(xiàn)，一般斷面間用能量方程式推算，如表1、2。結果顯示，河道治理前、后10a一遇洪水流速為1.42-6.02m/s、1.65-6.84m/s，20a一遇洪水流速為1.75-7.06m/s、1.87-7.06m/s。可見，同等標準下河道治理在一定程度上增大了水流速度，并且水深也有所增加。實踐工程中，河道清淤疏浚工程的實施，改變了右岸原有的岸線，有利于穩(wěn)定水流流態(tài)，增大河道過流能力，疏浚寬度80-160m，平均清淤深度0.52m，總治理長度1.332km。

表1 大凌河水面線復核成果(治理前)

表2 大凌河水面線計算成果(治理后)

在3.2 治理前后水位模擬

根據(jù)水位變化規(guī)律，可為區(qū)域防洪規(guī)劃、河道管理水生態(tài)修復等提供科學指導。結合實際情況，治理前水面線呈明顯的不平穩(wěn)變化特征，流速變化劇烈且水深忽高忽低。綜合治理工程的實施使得河道水深變化趨于平穩(wěn)，水面線更加平緩，河道的平均水深和最大水深較治理前均明顯增加。治理前部分河段漫堤現(xiàn)象時有發(fā)生，生態(tài)護岸、清淤疏浚工程的實施在一定程度上緩解了河岸受洪水的沖刷作用。

3.3 河流植物配置

1)植物的配置。根據(jù)水面線計算成果，可以為不同水位條件下河道治理工程中植物措施配置提供參考，不同水位深度的植物群落配置存在一定差異。例如，常水位以上濱水植物群落以水蔥、山桃、垂柳等為主，淺水區(qū)(水深0.3-0.9m)沉水、浮葉及挺水植物群落以荷花、蘆葦、莕菜和鳶尾為主，深水區(qū)(水深0.3-0.9m)漂浮植物及沉水植物群落以莕菜、黑藻及眼子菜為主。水生植物與自然界的長期適應使得不同水深條件下水生植物配置存在較大差異，挺水植物植株高度一般與其水深適應性相關，水深適應能力越強則植株越高大，如旱金草、蘆葦?shù)取嵺`表明，挺水植物受水深脅迫越大、根莖淹水深度越深，則根莖生長速度越低。0-10cm的淺水環(huán)境中比較適于千屈草扦插苗的生長，而在水深20cm、40cm梯度下生長受到明顯抑制甚至不能存貨。有學者通過試驗發(fā)現(xiàn)，水深30cm最宜生長香蒲和茭草，水深0-30cm、0cm最宜生長菖蒲和水蔥。所以，在河道治理過程有必要考慮HEC-RAS水線面計算成果，將不同水生植物群落配置于常水位以下各水深區(qū)域內(nèi)，因此將常見濱水喬木、垂柳等零星栽植于臨河岸邊，常水位以上河漫灘區(qū)適當栽植耐水濕的灌木和水陸兩棲植物。

2)水生植物的施工方法：根據(jù)設計要求及對栽植區(qū)域進行水底整地，整地要求須根據(jù)不同水生植物生長水深控制高程，整地后再進行起苗、運輸、栽植，栽植時根據(jù)設計及施工圖要求進行栽植，同時對根莖和裸根苗必須采取保水保濕措施，并在兩天內(nèi)種植，起苗開始暴露時間不宜超過3h。栽植除荷花之外的水生植物時，在有利條件下應使水位降低至露出地面進行栽植，即為無水栽植；栽植荷花時控制水深為10cm至20cm為宜進行栽植，即為有水栽植，最后栽植荷花。水生植物栽植：全面整地，水下插入或旱地栽植。

3)陸生生態(tài)綠化施工方法：對生態(tài)工程區(qū)域進行全面整理，在施工準備期前，要對地下障礙物、雜物、廢棄物以及場地清理，將雜草翻到地下；為提高樹木成活率以及減少病蟲對林木的危害，把地下病菌、害蟲翻轉至地面并經(jīng)日照和高溫處理將其殺死。在土地整理完成后，按設計要求分區(qū)域進行全面客土和穴狀客土，再根據(jù)設計圖紙進行放樣，之后再進行栽植和樹木配植。其中，喬木栽植：采用樹盤穴狀整地栽植；灌木栽植：以大面積片植進行全面整地或單點點綴形式穴壯整地栽植，即單進叢整地；地被栽植：草坪、低矮灌木(花木類)采取全面整地撒播草籽和條狀栽植。

4 結 論

大凌河義縣段河道治理前，兩岸無任何防護措施，洪水來臨時極易發(fā)生沖刷，造成岸坎的淘空、坍塌和嚴重水土流失，灘地植被面積不斷減小，沿岸生態(tài)環(huán)境受到破壞。通過采取清淤疏浚、生態(tài)護岸、修筑潛壩、修建跌水、河岸綠化、濕地工程等，能夠穩(wěn)定河勢、確保行洪安全、保護和修復生態(tài)環(huán)境。

根據(jù)水面線計算成果，治理前水面線呈顯著不平穩(wěn)變化特征，水深忽高忽低且水流流速變化劇烈；治理后河道水深和水面線更加趨于平穩(wěn)，河道的平均和最大水深較治理前均明顯增加。生態(tài)護岸、清淤疏浚工程的實施在一定程度上緩解了河岸受洪水的沖刷作用，有效減少了河道漫堤的發(fā)生。

為科學合理的配置濱水植物群落，要考慮水面線成果和不同河段特點，保證不同水生植物群落的配置與常水位以下不同水深區(qū)域的協(xié)調適應性。即，30cm以下水深、30-90cm水深、常水位以上河漫灘部分栽植菖蒲、、蘆葦或莕菜、部分水陸兩棲植物或耐水濕灌木(女貞、千屈草、水蔥)，而常見濱水喬木多栽植于臨河道岸邊。