水面線推求法在遼河河道治理中的應(yīng)用研究

楊 志

(盤錦市興隆臺(tái)區(qū)農(nóng)業(yè)和水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124010)

1 基于水面推求法的遼河河道治理研究

在河道治理過(guò)程中，推求河道水面線是一項(xiàng)基礎(chǔ)但又十分重要的環(huán)節(jié)[1-3]。研究對(duì)于遼河河道的治理也采用水面推求法。對(duì)于河道水面線的計(jì)算，現(xiàn)今已有很多軟件可以使用。在遼河河道治理過(guò)程中，研究采用HEC-RAS軟件、天然河道水面線系統(tǒng)V2008軟件、SOBEK軟件這三個(gè)軟件進(jìn)行遼河河道水面線計(jì)算。以上三種軟件均采用恒定非均勻流公式計(jì)算河道水面線，如式(1)所示。

(1)

式中：ZU、ZD分別為上游和下游的斷面水位，m；a為動(dòng)能修正系數(shù)；ξ為局部阻力系數(shù)；VU、VD分別為上游和下游的斷面流速，m/s；ΔS表示上游與下游斷面之后的距離，m；Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；KU、KD分別為上游和下游斷面的流量模數(shù)；K為流量模數(shù)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為過(guò)水?dāng)嗝嫠Π霃剑琺；n為河床糙率。伯努利能量守恒定律是該數(shù)學(xué)式的理論依據(jù)，即通過(guò)下游斷面向上游推算水位，所取河段不同流量對(duì)應(yīng)的不同水位值。根據(jù)遼河河道需要治理河段的實(shí)際情況，利用上述三個(gè)軟件，推求出該河道的實(shí)際水面線。通過(guò)該實(shí)際水面線判斷河道中存在的問(wèn)題，并設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況的治理方案。在設(shè)計(jì)方案中，縱坡設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是，盡量保持河道現(xiàn)狀縱坡。現(xiàn)狀河道底高程線也可以利用HEC-RAS軟件、天然河道水面線系統(tǒng)V2008軟件、SOBEK軟件這三個(gè)軟件推求而來(lái)。當(dāng)設(shè)計(jì)河道底高程線高于現(xiàn)狀河道底高程線時(shí)，需要進(jìn)行回填處理。為了減少施工工程量，設(shè)計(jì)中盡量不出現(xiàn)設(shè)計(jì)河道底高程線高于現(xiàn)狀河道底高程線的情況。其設(shè)計(jì)圖應(yīng)如圖1所示。

由圖1可知，設(shè)計(jì)河道高程線走勢(shì)趨于現(xiàn)狀河道高程線，且滿足較小工程量這一要求。在整個(gè)設(shè)計(jì)方案中，除了對(duì)縱坡設(shè)計(jì)十分重要之外，還需要根據(jù)河道實(shí)際情況確定水位壅高值和堤頂超高值相應(yīng)數(shù)值，其計(jì)算公式分別如式(2)、式(3)所示。

(2)

式中：ΔZ為河道橋梁下水位壅高，m；η為系數(shù)；V為橋梁下平均流速，m/s；V0為天然狀態(tài)下橋梁下全斷面平均流速，m/s。

(3)

式中：Y為河道堤頂超高，m；R為波浪爬高，m；e為風(fēng)壅增水高度，m；A為安全加高，m；Rp為河道累計(jì)頻率為p的波浪爬高，m；KΔ為斜坡糙率和滲透系數(shù)；KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp為爬高累計(jì)頻率換算系數(shù)；m為斜坡坡率，%；H為堤前波浪的平均高度，m；L為波長(zhǎng)，m。根據(jù)河道治理河段的實(shí)際情況完成上述設(shè)計(jì)內(nèi)容后，推求出該河道設(shè)計(jì)水面線。設(shè)計(jì)河道底高程線、設(shè)計(jì)水面線、設(shè)計(jì)堤頂線如圖2所示。在對(duì)遼河河道治理過(guò)程中，根據(jù)軟件推求出的實(shí)際水面線設(shè)計(jì)治理方案，將設(shè)計(jì)河道底高程線、設(shè)計(jì)水面線、設(shè)計(jì)堤頂線等作為治理過(guò)程中的理論目標(biāo)。

2 水面推求法在遼河治理的實(shí)際治理效果分析

為了對(duì)水面推求法在遼河的實(shí)際治理效果進(jìn)行分析，研究以遼河河道實(shí)地勘察測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用HEC-RAS軟件、天然河道水面線系統(tǒng)V2008軟件、SOBEK軟件推求出遼河河道現(xiàn)狀河底高程線和現(xiàn)狀水面線。并在推求出的現(xiàn)狀河底高程線和現(xiàn)狀水面線的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)治理方案。其中三種軟件對(duì)遼河河道現(xiàn)狀河底高程線和現(xiàn)狀水面線的推求結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種軟件推求結(jié)果高程線與水面線對(duì)比

圖3(a)為三種軟件推求出的遼河河道現(xiàn)狀河底高程線對(duì)比圖。由圖3(a)可得，天然河道水面系統(tǒng)V2008軟件混合HEC-RAS軟件得到的河道現(xiàn)狀河底高程圖結(jié)果大致相同，且HEC-RAS軟件推求出的河底高程線總體高于天然河道水面系統(tǒng)V2008軟件，其中，在樁號(hào)為0時(shí)，河底高程為74.8 m，在樁號(hào)為4500時(shí)，河底高程為58.8 m。

此外，還從圖3(a)中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)SOBEK軟件計(jì)算所得數(shù)值遠(yuǎn)小于另外兩種軟件所得，且其中有個(gè)別樁號(hào)出現(xiàn)差異較大的情況，即樁號(hào)2400、3100、3400、4100處的河底高程數(shù)據(jù)。圖3(b)為三種軟件推求出的遼河河道現(xiàn)狀水面線對(duì)比圖。由圖3(b)可得，HEC-RAS軟件推求出的水面線相較于另外兩個(gè)軟件更為穩(wěn)定，且其在樁號(hào)為0和樁號(hào)為4500時(shí)的水面線高程分別為77.8 m和63.7 m。此外，從圖3(b)還可看出，天然河道水面線系統(tǒng)V2008軟件與SOBEK軟件現(xiàn)狀水面線上多次出現(xiàn)多個(gè)水位基本持平的平臺(tái)。其中包括樁號(hào)500～1000、1400～1800、2100～2500、2600～3200處的河段。結(jié)合實(shí)際情況分析，樁號(hào)對(duì)應(yīng)的河段處水位不會(huì)出現(xiàn)持平狀態(tài)，水位線數(shù)據(jù)不可取。結(jié)合上述結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)三種軟件得到的水面線相差不大，只在部分樁號(hào)位置存在較大差異。為了對(duì)另外兩個(gè)軟件在推求水面線出現(xiàn)異常的原因進(jìn)行分析研究，在另外兩個(gè)軟件推求中出現(xiàn)問(wèn)題的樁號(hào)處進(jìn)行實(shí)地情況分析，其具體情況如圖4所示。

圖4 出現(xiàn)問(wèn)題的樁號(hào)處實(shí)地情況

圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)分別為樁號(hào)為2400、3100、3400以及4100處河道的橫斷面圖。通過(guò)圖3和圖4可以分析得出，兩個(gè)軟件出現(xiàn)推求失誤的原因?yàn)椋瑑蓚€(gè)軟件用于計(jì)算時(shí)未采用相應(yīng)河道段中心處附近的海拔最低點(diǎn)，而是采用斷面最低點(diǎn)，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)中存在無(wú)效點(diǎn)或該點(diǎn)是特殊點(diǎn)時(shí)，使用該方法會(huì)出現(xiàn)計(jì)算誤差，即該處的河底高程不予采用。通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀河底高程線與現(xiàn)狀水面線的數(shù)據(jù)篩選處理，利用公式推算出設(shè)計(jì)河道底高程、設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)堤頂。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 遼河河道設(shè)計(jì)河道底高程、水位、堤頂 m

表1為針對(duì)遼河河道實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出用于治理該河道的河底高程、水位、堤頂高程以及部分防浪墻的理論數(shù)值。其中，河道底高程由樁號(hào)為0時(shí)的59.99 m升至樁號(hào)為5000時(shí)的75.77 m；設(shè)計(jì)水位由樁號(hào)為0時(shí)的61.33 m升至樁號(hào)為5000時(shí)的76.82 m；設(shè)計(jì)堤頂由樁號(hào)為0時(shí)的63.12 m升至樁號(hào)為5000時(shí)的77.29 m。在對(duì)遼河河道進(jìn)行治理的過(guò)程中，將依據(jù)上述理論數(shù)值，對(duì)治理行動(dòng)做出合理安排。研究為了對(duì)基于該數(shù)值的治理行動(dòng)的具體效果進(jìn)行分析，邀請(qǐng)相關(guān)專家在不同時(shí)期對(duì)治理后的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)、安全保障指標(biāo)以及洪水災(zāi)害指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，專家對(duì)治理效果的評(píng)分結(jié)果如圖5所示。評(píng)分滿分為10分。

圖5 專家對(duì)遼河治理效果的評(píng)分情況

圖5(a)為生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)評(píng)分情況，由圖5(a)可得，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)評(píng)分均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。且經(jīng)過(guò)三個(gè)月后，專家對(duì)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果分別為8.3分和8.2分。圖5(b)為安全保障指標(biāo)和洪水災(zāi)害指標(biāo)評(píng)分情況，由圖5(b)可得，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)評(píng)分也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。且經(jīng)過(guò)3個(gè)月后，專家對(duì)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果分別為9.2分和9.1分。上述結(jié)果說(shuō)明，研究提出的遼河治理方案具有良好的治理效果。

3 結(jié) 論

為提高如今遼河河道治理的治理效果，研究利用水面線推求法對(duì)遼河的河道底高程、設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)堤頂進(jìn)行計(jì)算求解，進(jìn)而提出一種治理策略。將研究提出的遼河治理方法應(yīng)用于實(shí)際中，通過(guò)專家評(píng)分來(lái)對(duì)其效果進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，三個(gè)月后專家對(duì)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果分別為8.3分和8.2分。此外，三個(gè)月后專家對(duì)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果分別為9.2分和9.1分。上述結(jié)果說(shuō)明，研究提出的基于水面線推求法的遼河河道治理策略對(duì)遼河河道有較好的治理效果。后續(xù)研究中應(yīng)將推求水面線部分更加細(xì)化，使其與實(shí)際的聯(lián)系更加緊密。