摘 要： 在河道生態(tài)治理中, 充分認(rèn)識(shí)河道治理前后河床斷面及河道植被等對(duì)水流、水位的影響, 有利于更合理地進(jìn)行河道生態(tài)治理綜合措施的配置。以灤平縣興洲河路南營(yíng)段河道治理為例, 參照水面線(xiàn)計(jì)算公式, 采用HEC-RAS軟件對(duì)該段河道治理前后的水面線(xiàn)進(jìn)行了分析計(jì)算, 然后根據(jù)治理前后河底糙率系數(shù)的差異及不同斷面的水位變化分析了河道治理效果。采用HEC-RAS軟件進(jìn)行水面線(xiàn)計(jì)算的結(jié)果顯示:治理前隨著河底縱坡的變化, 水面線(xiàn)變化不平穩(wěn), 水流流速在不同斷面間發(fā)生變化;與治理前相比較, 治理后的水面線(xiàn) (設(shè)計(jì)值) 變化平緩, 水深變化平穩(wěn)。在河道治理中, 采用河道清淤、設(shè)置護(hù)堤壩和生態(tài)護(hù)岸等措施, 同時(shí)進(jìn)行濕地恢復(fù)、河岸綠化等工程的建設(shè)可以達(dá)到生態(tài)治理目的, 即使在遇到10年一遇洪水時(shí)也能夠防治或者消除洪水對(duì)兩岸的威脅。參考不同河段通過(guò)HEC-RAS推求的河道水面線(xiàn)成果, 提出了在河道治理過(guò)程中濱水植物的選擇和配置方案。
關(guān)鍵詞： HEC-RAS軟件; 河道生態(tài)治理; 水面線(xiàn)計(jì)算; 興洲河; 灤平縣;
隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快, 人們對(duì)環(huán)境的重視程度越來(lái)越高, 河道治理也開(kāi)始向近自然方向發(fā)展。為了更有效、迅速地了解在河道生態(tài)治理過(guò)程中工程措施對(duì)水位抬高的影響和河灘植被、河床情況、河道治理前后的斷面結(jié)構(gòu)等因素對(duì)水流的影響, 以及不同水位條件下河道植被的配置, 我們以灤平縣興洲河路南營(yíng)段河道為例, 參照水面線(xiàn)計(jì)算公式并采用HEC-RAS軟件對(duì)該段河道治理前后進(jìn)行了水面線(xiàn)分析計(jì)算, 然后根據(jù)治理前后河底不同部位糙率系數(shù)的差異及各斷面的水位變化分析了河道治理的效果, 以期為今后同類(lèi)河道的生態(tài)治理工程提供設(shè)計(jì)參考。
1、 軟件功能簡(jiǎn)介
HEC-RAS是一款美國(guó)水文研究中心開(kāi)發(fā)的河川分析軟件, 其實(shí)為一個(gè)一維恒定流或非恒定流的水力模型, 主要用于河道流動(dòng)分析和洪泛平原區(qū)域的確定。系統(tǒng)主要由圖表使用界面、資料記憶管理裝置、水文分析工具及輸出設(shè)備等組成。模型所得結(jié)果可以用于洪水區(qū)域管理及洪水安全研究分析, 以及評(píng)價(jià)洪水淹沒(méi)區(qū)域的范圍及危害程度[1]。HEC-RAS軟件在國(guó)外河道水面線(xiàn)推算中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[2]。例如在進(jìn)行河道整治的時(shí)候, 就要分析考慮河道壅水高度、流速變化、橋涵沖刷等因素對(duì)河流輸水的影響[1]。
目前推求水面線(xiàn)的方法較多。在推算山區(qū)天然河道水面線(xiàn)時(shí), 如果水位對(duì)工程影響較大, 采用HEC-RAS進(jìn)行推算比較適宜[3]。還有學(xué)者將HEC-RAS用于防洪規(guī)劃工程中的水面線(xiàn)計(jì)算, 以直觀(guān)判斷現(xiàn)狀河道的防洪能力[4]。
2、 工程概況
興洲河路南營(yíng)段治理工程位于河北省承德市灤平縣境內(nèi)灤河一級(jí)支流興洲河上。工程區(qū)范圍為灤平縣大屯鄉(xiāng)路南營(yíng)村西北側(cè) (灤平縣與豐寧縣的交界處) , 長(zhǎng)度3.41 km。涉及1個(gè)行政村, 即大屯鄉(xiāng)路南營(yíng)村。
本次工程治理的興洲河屬于自然河道, 河道上開(kāi)口寬度85~130 m, 目前本工程治理段還沒(méi)有規(guī)模性水利工程。幾十年來(lái), 除21世紀(jì)項(xiàng)目區(qū)下游兩岸實(shí)施了少部分漿砌石堤防外, 項(xiàng)目區(qū)目前僅有當(dāng)?shù)匕傩兆园l(fā)修筑的干砌石河堤, 其防御標(biāo)準(zhǔn)低、穩(wěn)定性差, 且因年久失修, 大多已經(jīng)損毀。
工程治理內(nèi)容包括河道清淤、修建跌水、修筑護(hù)堤壩和生態(tài)護(hù)岸、河岸綠化、濕地工程等。治理目標(biāo)是通過(guò)工程治理, 使該項(xiàng)目所治理的河道達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn), 改善水質(zhì), 美化周邊環(huán)境。
3、 計(jì)算條件
3.1、 設(shè)計(jì)洪水流量
本工程治理原則上不改變河流現(xiàn)狀走向, 設(shè)計(jì)河道中心線(xiàn)與現(xiàn)狀河道中心線(xiàn)基本一致, 現(xiàn)狀河道上開(kāi)口基本不變。
根據(jù)歷史洪水資料, 采用頻率分析法計(jì)算波羅諾水文站設(shè)計(jì)洪水, 并采用水文比擬法計(jì)算本工程的設(shè)計(jì)洪峰流量, 最后得到興洲河不同重現(xiàn)期的洪峰流量 (表1) 。項(xiàng)目所在河段的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是10年一遇洪水不漫堤, 5年一遇為設(shè)計(jì)常水位。
表1 流域河流設(shè)計(jì)洪水成果
3.2、 河道糙率值選取
河道糙率是反映河道阻力的一個(gè)綜合系數(shù)[2], 也是衡量河流能量損失大小的一個(gè)特征值。河道糙率是水流與河槽相互作用的產(chǎn)物, 影響河道糙率的因素既有河槽方面的, 也有水流方面的。例如河道內(nèi)半分解和未分解的枯落物可直接增大河道粗糙度, 使徑流流速降低[5]。河灘內(nèi)植物本身的形狀、長(zhǎng)勢(shì)、密度、高矮, 以及流速、水深等水流因素[6]均可能對(duì)河道糙率的大小產(chǎn)生影響。天然河道的糙率一般宜根據(jù)實(shí)測(cè)水位流量資料進(jìn)行推求, 或者根據(jù)實(shí)測(cè)水面線(xiàn)或洪水調(diào)查水跡反推糙率[2]。
本工程河道內(nèi)有常流水, 河床主要由細(xì)砂和礫石組成, 河底有稀疏水草, 兩岸岸壁為砂土和巖石, 灘地部分由卵石、塊石組成, 長(zhǎng)有稀疏雜草和灌木, 有一部分水流以較低的流速通過(guò)這些植物。經(jīng)綜合考慮, 河道糙率值選擇0.022 5, 灘地及出河槽部分糙率值選擇0.05。
3.3、 起推水位確定
采用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)HEC-RAS河流分析系統(tǒng)計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算, 按分段恒定非均勻流推求水面線(xiàn), 每隔100 m一個(gè)橫斷面。起始水位采用工程末端樁號(hào)K4+200往下游1~2 km處的正常水位。河道縱坡比降為1.99‰。
3.4、 水面線(xiàn)計(jì)算
本次HEC-RAS河流分析系統(tǒng)計(jì)算程序采用分段求和進(jìn)行水面線(xiàn)計(jì)算, 基本公式為
式中:z1為上游斷面的水位高程, m;z2為下游斷面的水位高程, m;hj為沿程水頭損失, m;hf為局部水頭損失, m;v1為上游斷面的平均流速, m/s;v2為下游斷面的平均流速, m/s;g取9.8, m3/s;a1、a2均為動(dòng)能矯正系數(shù)。
局部水頭損失計(jì)算公式為
式中:ζ表示局部水頭損失系數(shù), 其余符號(hào)意義同上。
4、 結(jié)果分析
4.1、 HEC-RAS河道水面線(xiàn)計(jì)算成果
根據(jù)水面線(xiàn)計(jì)算結(jié)果 (見(jiàn)表2、表3) , 治理前, 河道10年一遇洪水的流速為1.47~7.07 m/s, 平均水深約為2.88 m;河道20年一遇洪水的流速為1.78~8.01m/s, 平均水深約為3.27 m。治理后 (設(shè)計(jì)值, 下同) , 河道10年一遇洪水的流速為1.62~6.87 m/s, 平均水深約為3.18 m;河道20年一遇洪水的流速為1.87~8.01 m/s, 平均水深約為3.67 m。治理后, 河道相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下的水面線(xiàn)降低, 河道水深比治理前大, 究其原因可能是因?yàn)楹拥狼逵俸? 河底高程變低造成的。
此外, 根據(jù)圖1及表2、表3可以發(fā)現(xiàn), 治理后, 10年一遇標(biāo)準(zhǔn)下的水流流速與治理前相比更趨于一致 (治理前平均流速為4.55±1.40 m/s, 治理后為4.65±1.28 m/s) , 最高流速6.87 m/s也比治理前的7.07 m/s小。
圖1 10年一遇和20年一遇河道治理前后平均流速對(duì)比
4.2、 河道治理前后的水位模擬
采用HEC-RAS軟件模擬河道治理前后水位變化情況, 能夠?yàn)楹拥乐卫矸桨傅闹朴喖昂罄m(xù)河道管理決策提供參考依據(jù)。圖2—4顯示, 治理前, 隨著河底縱坡的變化, 水深忽高忽低, 水面線(xiàn)變化不平穩(wěn), 水流流速急劇變化。與治理前相比, 治理后的水面線(xiàn)更加平緩, 水深變化平穩(wěn)。在20年一遇洪水條件下, 治理前的平均水深為3.30 m, 治理后的平均水深為3.67 m, 治理后的最大水深 (5.57 m) 比治理前的最大水深 (5.96 m) 小了0.39 m。
表2 興洲河路南營(yíng)段河道治理前水面線(xiàn)復(fù)核結(jié)果
表3 興洲河路南營(yíng)段河道設(shè)計(jì)治理后 (設(shè)計(jì)值) 水面線(xiàn)成果
圖2 5年一遇洪水條件下的河道縱斷面
圖3 10年一遇洪水條件下的河道縱斷面
圖4 20年一遇洪水條件下的河道縱斷面
圖5—7顯示, 樁號(hào)K1+000、K2+000和K3+000位置的橫斷面在治理前均發(fā)生過(guò)漫堤的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)河道生態(tài)治理, 采用河道清淤、生態(tài)護(hù)岸等措施后, 在10年一遇洪水條件下, 能夠防治或者緩解洪水對(duì)兩岸的威脅。
圖5 10年一遇洪水條件下的K1+000段河道橫斷面
圖6 10年一遇洪水條件下的K2+000段河道橫斷面
圖7 10年一遇洪水條件下的K3+000段河道橫斷面
4.3、 不同水位條件下河道植物配置
通過(guò)HEC-RAS河道水面線(xiàn)計(jì)算, 能夠?yàn)楹拥乐卫磉^(guò)程中不同水位條件下的植物搭配提供設(shè)計(jì)參考。不同的水位深度, 植物群落配置會(huì)有所區(qū)別。例如, 垂柳 (Salix babylonica) 、山桃 (Amygdalus davidiana) 、水蔥 (Scirpus validus) 等見(jiàn)于常水位以上, 構(gòu)成濱水植物群落;在水深0.3~0.9 m區(qū)域常見(jiàn)荷花 (Nelumbo nucifera) 、鳶尾 (Iris tectorum) 、莕菜 (Nymphoides peltatum) 、蘆葦 (Phragmites australis) 等淺水區(qū)挺水及浮葉和沉水植物群落;水深0.9~2.5 m區(qū)域常見(jiàn)眼子菜 (Potamogeton distinctus) 、黑藻 (Hydrilla verticillata) 、浮萍 (Lemna minor) 、莕菜等深水區(qū)沉水植物及漂浮植物群落[7]。不同水深條件下水生植物配置不同是水生植物與自然界長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果。挺水植物對(duì)水深的適應(yīng)性一般與其植株高度有關(guān), 植株高大的適應(yīng)水深的能力較強(qiáng), 例如蘆葦、旱金草 (Cyperus alternifolius) 等[8]。有研究表明, 挺水植物的根莖淹水深度越深, 受水深脅迫越大, 水生植物根狀莖的生長(zhǎng)速率越小[9]。千屈菜 (Lythrum salicaria) 扦插苗適合生長(zhǎng)于0~10 cm的淺水環(huán)境, 最適水深為10 cm, 在20 cm水深梯度下生長(zhǎng)明顯受到抑制, 在40 cm水深梯度下, 千屈菜扦插苗和實(shí)生苗均不能存活[10]。有人通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到茭草 (Zizania caduciflora) 和香蒲 (Typha orientalis) 的最適宜生長(zhǎng)水深為30 cm, 水蔥的最適宜生長(zhǎng)水深為0 cm, 菖蒲 (Acorus calamus) 在0~30 cm的水深均適宜生長(zhǎng)[9]。
因此, 根據(jù)不同條件下HEC-RAS推求的河道水面線(xiàn)成果, 建議在河道治理過(guò)程中常水位以下不同水深區(qū)域配置不同的水生植物群落, 常水位以上的河漫灘部分可以適當(dāng)栽植耐水濕的灌木及部分水陸兩棲植物, 臨河道岸邊可零星栽植垂柳等常見(jiàn)濱水喬木。
5、 結(jié)論和建議
治理前興洲河路南營(yíng)段河道局部淤積嚴(yán)重, 大部分河段會(huì)發(fā)生洪水漫堤的現(xiàn)象;采用河道清淤、設(shè)置護(hù)堤壩和生態(tài)護(hù)岸措施, 同時(shí)進(jìn)行濕地恢復(fù)、河岸綠化等工程的建設(shè), 能夠達(dá)到河道生態(tài)治理的良好效果。
采用HEC-RAS軟件進(jìn)行水面線(xiàn)計(jì)算的結(jié)果顯示, 治理前, 隨著河底縱坡的變化, 水深忽高忽低, 水面線(xiàn)變化不平穩(wěn), 水流流速急劇變化;與治理前比較, 治理后的水面線(xiàn)更加平緩, 水深變化平穩(wěn)。采用河道清淤、生態(tài)護(hù)岸等措施進(jìn)行河道生態(tài)治理后, 在10年一遇洪水條件下, 能夠防治或者緩解洪水對(duì)兩岸的威脅。
在河道治理過(guò)程中濱水植物的選擇和配置, 建議參考不同條件下HEC-RAS推求的河道水面線(xiàn)成果, 做到常水位以下不同水深區(qū)域栽植不同的水生植物群落, 如30 cm以?xún)?nèi)水深區(qū)域栽植菖蒲、30~90 cm水深區(qū)域栽植蘆葦和莕菜等, 常水位以上的河漫灘部分適當(dāng)栽植耐水濕的灌木及部分水陸兩棲植物, 如水蔥、千屈菜、女貞 (Ligustrum lucidum) 等, 臨河道岸邊零星栽植常見(jiàn)濱水喬木, 如垂柳等。
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