海城經濟開發區建設對區域洪水影響分析

劉 明

（遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110000）

1 引言

工程建設在一定程度上會對周邊環境產生一定的影響,尤其是臨近河道的工程建設會對項目區的洪水產生影響[1-3],在工程實施前進行洪水影響分析評價是十分必要的,對環境友好型工程建設有較大的促進作用。結合海城經濟開發區建設項目實際情況,分析項目建設對洪水的影響。

2 工程概況

2017 年海城經濟開發區用地面積15.75 km2。海城經濟開發區現狀城市建設用地構成主要為居住用地、工業用地、公共設施用地、道路廣場用地四大類,居住用地占總建設用地的43.56%,工業用地占28.54%,公共設施用地占3.72%,道路與交通設施用地占15.26%,綠地與廣場用地占5.09%。海城河在海城水文站以上為山丘區,河道平均比降4.18‰,出海城后呈扇形延伸至牛莊一帶進入平原區,坡降較小。海城河是太子河左岸最后一條支流,也是最大一條支流。

3 水文分析計算

3.1 水文測站及資料情況

海城河流域有海城水文站,海城水文站建站較早,有1935 年～1996 年的水文觀測資料,海城站以上流域面積1000 km2,位于項目區上游,距項目區上邊界約8km,項目區距海城河入太子河河口19.78 km。《海城河河道治理規劃報告》在《觀音閣初設》的基礎上進行了資料的延長,延長的資料為1978 年～1996 年。洪水系列經延長后共計57 年。這樣海城站的水文資料有1935 年～1944 年、1950 年～1996 年共57 年系列。

3.2 資料審查

太子河流域設計洪水在《葠窩技設》階段（洪水資料用至1965 年）和《觀音閣初設》階段（洪水資料用至1977 年）對主要站均進行了分析,觀音閣、本溪兩站設計洪水采用《觀音閣初設》成果,其他各站的設計洪水沿用《葠窩技設》成果。2002 年,遼寧省水利水電勘測設計研究院在遼河流域防洪規劃階段,又延長水文資料對太子河流域的主要測站的設計洪水成果進行了復核,復核后依然采用原成果。2005 年,海城河防洪影響評價將海城站水文資料延長至1998 年對設計洪水進行復核,復核成果略小于原設計成果,兩次的設計成果基本一致,采用觀音閣水庫原設計洪水成果,是合理的、安全的。

根據海城站和太子河流域臨近測站的設計洪水成果點繪出各站洪峰（P=2%、P=1%和均值）與面積關系,海城站的計算成果與鄰近測站成果的關系較好,符合地區規律。

3.3 歷史洪水資料概況

遼寧省水文水資源勘測局和遼寧省水利水電勘測設計研究院對海城河流域的歷史洪水進行了多次的現場調查和文獻考證,海城站的歷史洪水資料比較翔實、可靠,其洪峰流量的順位見圖1。

圖1 海城站歷史洪水

根據海城站的歷史洪水順位分析,1879 年洪水和1888 年洪水分別作為1879 年以來的第一位和第二位洪水。1879 年洪水的重現期確定為120 年,1888 年洪水的重現期確定為120 年的第二位。

4 洪水分析

遼寧省水利水電勘測設計研究院在以往的工作中,對太子河流域主要測站的水文資料進行多次的審查與考證。1989年在觀音閣水庫初步設計工作中,對太子河干、支流的水文測站均進行了系統的頻率分析與計算,依據流域特性的變化規律,對各站的統計參數經流域平衡后綜合確定,設計成果較可靠。

遼寧新禹防洪工程技術咨詢有限公司于2005 年2 月編制了海城河防洪影響評價。該評價報告根據洪水歷時,選擇1 日、3 日作為控制時段。根據資料審查結果,海城站選取1935 年～1998 年共59 年洪峰、洪量資料進行設計洪水計算。一日、三日洪量頻率計算采用矩法,考慮歷史洪水洪峰頻率計算采用繪線讀點補矩法,線型均采用P-Ⅲ型曲線。

由于近年來海城河沒有發生較大洪水,所以水文資料延長后設計洪水成果較以前采用的設計成果有所降低,但是兩者間相差較小,大致5%左右。為了保持設計成果的相對穩定性,設計海城河的設計洪水成果采用觀音閣原設計成果。

表1 海城站設計洪水成果表

海城河在海城水文站以上為山丘區,河道平均比降4.18‰,出海城后呈扇形延伸至牛莊一帶進入平原區,坡降較小。在太子河河道防洪工程初步設計階段,遼寧省水電勘測設計研究院對海城河口的設計洪水進行分析,海城站～海城河口按照平原區計算（按農田排水計算）,海城站～河口的洪水傳播時間采用7 h,本次復核后依然采用該成果。海城河口的設計洪水成果見表2。

表2 海城河口設計洪水成果表

5 河勢影響分析計算

根據B.M 洛赫金提出用水流對泥沙顆粒的作用力與河床表面泥沙抵抗運動的力之間的相對關系,計算河床穩定系數。

（1）縱向穩定指標

縱向穩定指標計算公式：

式中：K縱為縱向穩定系數；d為床沙粒徑,mm；J為河道平均比降,1.74‰。

經計算,河槽內以粉質黏土為主平均粒徑取0.026mm,河道比降J=1.74‰,相應縱向穩定系數為0.015。根據計算結果,項目處河段河床沖淤變幅較大,屬縱向較不穩定性河床,該河段泥沙運動強度相對較劇烈,河床不是很穩定。

（2）橫向穩定指標

橫向穩定計算公式為：

式中：Q為平灘流量,600 m3/s；K橫i為第i斷面橫向穩定系數；J為造床流量下水面比降,1.74‰；B為造床流量下的水面寬,200 m；b為枯水期水面寬,30 m。

經計算,海城河評價范圍河段K橫1=0.09,K橫2=0.15；計算結果總體偏小,河道橫向較不穩定。

（3）綜合穩定系數

采用包含縱向和橫向的綜合穩定系數公式：

經過本次防洪復核計算,海城河評價河段的綜合穩定系數為0.013%。當Ψ<0.001%時,河型為游蕩型；當0.001%<Ψ<0.05%時河型為分叉型；當0.05%<Ψ<5%時河型為蜿蜒型；當Ψ>5%時河型為過渡型。所以海城河評價河段為分叉型河道,分叉型河道較穩定,汊道的發展、消長有明顯周期性,汊道的發展主要取決于汊道進口處的分流分沙情況。

6 壅水分析計算

6.1 橋梁壅水計算

6.1.1 計算方法

分析河段河道內主要涉及的壅水建筑物為三臺子大橋及二臺子大橋,計算方法采用《海城河河道治理規劃報告》采取的鮑氏公式：

式中：ΔZ為橋壅水高度,m；ξ為系數（與水流進入橋孔的阻力有關）；V為有沖刷情況時,橋下平均流速,m/s；V1為天然條件下橋位處平均流速,m/s；P為與橋孔沖刷有關的系數；W過、W阻為橋的過水和阻水斷面面積,m2；VS為橋下設計洪水流速,m/s。

6.1.2 計算條件

（1）計算頻率及設計流量

分析范圍內沈海高速公路橋至三臺子橋段右岸防洪標準為50 年一遇；左岸防洪標準為20 年一遇。珠江路（天山街至沈海高速）道路位于海城河右岸,設計防洪標準為50 年一遇。即本次洪水計算頻率為P=2%及P=5%,相應洪峰流量為3947 m3/s、2762 m3/s。道路工程建設完成后改變了原有堤線,且路面高程較右岸規劃堤頂高程普遍偏低,但改線后堤防達到50 年一遇防洪標準。

（2）地形資料

平面地形資料采用2020 年實測1∶500 地形圖、2002 年1∶1000 地形圖、2020 年谷歌衛星底圖。

根據《海城河河道治理規劃報告》成果,分析河段采用現狀實測斷面,堤距759 m～766 m。

（3）起點水位

本次評價河段起點水位選用《海城河河道治理規劃報告》成果,沈海高速橋P=2%相應設計水位為20.12 m,P=5%相應設計水位為19.13m,作為為本次水面線推求的起始水位。

（4）糙率選取

分析河段河道糙率參考《海城河河道治理規劃報告》中的糙率成果,根據整治河段質組成條件（主槽、灘地河床質主要為粉質黏土、灘地覆蓋條件（多為耕地、林地,部分河段有墳地、坑塘等,局部有棄渣堆）,結合《水力計算手冊》,選定主槽糙率在0.025～0.03 之間、灘地糙率在0.028～0.085之間。模型率定采用2020 年實測地形資料,與《海城河河道治理規劃報告》水面線計算所采用地形相差不大,其他計算條件與《海城河河道治理規劃報告》一致。

（5）計算方案

考慮珠江路（天山街至沈海高速）道路建設將造成現狀堤防堤線的調整,結合《海城河河道治理規劃報告》設計成果,此段水面線計算方案為堤防改線方案：即公路工程建設后,采用公路工程路由作為堤線,該方案整體拓寬了河道行洪斷面。已建段則采用已建實際斷面進行計算。

表3 分析河段橋梁壅水成果表

6.2 新建堤防壅水計算

根據《珠江路（天山街至沈海高速）道路涉及海城河防洪評價報告》中的相關內容,堤防改線方案較規劃堤線方案水面線成果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線方案在0+600～0+500 和0+250～0+200 兩處堤線向河道內有一定幅度的偏移,略占用一定行洪斷面,繼而造成該處河段水位的壅高,但整體堤線向河道外偏移較大,河道行洪受其影響較小,即該河段堤線調整引起的水位壅高較不明顯。

7 結論

P=2%時海城站、海城站～河口、海城河口洪峰流量分別為：3780 m3/s、167 m3/s、3950 m3/s；P=5%時海城站、海城站～河口、海城河口洪峰流量分別為：2630 m3/s、132 m3/s、2760 m3/s；P=10%時海城站、海城站～河口、海城河口洪峰流量分別為：1810 m3/s、100 m3/s、1910 m3/s。河道縱向穩定系數為0.015,海城河分析范圍河段K橫1=0.09,K橫2=0.15,海城河分析河段的綜合穩定系數為0.013%,為分叉型河型。利用鮑氏公式對分析河段內三臺子橋及二臺子橋進行壅水高度計算,P=2%時壅水高度分別為0.09m 及0.07 m。新建堤防壅水,除0+650～0+500、0+250～0+000 段較規劃堤線方案水面線成果升高0.01m 外,其余段均有下降,該河段堤線調整引起的水位壅高不明顯。