河道整治設計中的防洪影響分析

茂名市水利水電勘測設計院化州分公司

摘要：本文針對河道整治設計中的防洪影響因素以及防洪影響分析計算方法進行了探討，并結合HEC-RAS和SWMM的應用實例進行了說明。

關鍵詞：河道整治；防洪；影響

河流是重要的淡水資源，從古至今人類經濟發(fā)展都與河流休戚相關。然而人類活動也對流域下墊面造成影響，為了改善城市生態(tài)環(huán)境并發(fā)揮河道生態(tài)、景觀、防洪多方面的綜合效益，有必要對河道進行整治。但是河道整治改變了河道斷面形態(tài)并可能增加河道糙率，這種情況下會對城市防洪效果造成一定影響[1]。河道防洪關系到社會的穩(wěn)定以及國民經濟發(fā)展的大局，因此在河道整治設計中必須考慮防洪影響，以保證河道可以抵御洪水威脅。

1 河道防洪影響因素分析

1.1 設防標準

過去，我國河道設防標準較低，不少河道的綜合防洪能力只有5年一遇水平，如果發(fā)生幾十年一遇的洪水，現(xiàn)有防洪設施將難以滿足防洪要求?！冻鞘蟹篮樵O計規(guī)范》（GB/T 50805-2012）已將防洪工程按重要程度分為Ⅰ～Ⅳ級，相應防洪設計標準從大于等于200年到大于等于20年。此標準已明顯提高了設防水平，但與國外相比標準并不算高，如荷蘭河道設防為1250年一遇[2]。

1.2 徑流系數(shù)

隨著城市發(fā)展及大規(guī)模建設活動的開展，地表不透水面積不斷增加，例如某市實測城區(qū)不透水面積上世紀50年代為50%，90年代則為88%，相應地表徑流系數(shù)也從0.4提高到0.7。地表徑流系數(shù)提高意味著洪峰流量大幅增加，以前治理達標的河道也變成不達標了，所以河道徑流系數(shù)的變化不容忽視。

1.3 河道糙率

河道糙率受河槽和水流兩方面的影響。河槽方面的影響來自河槽縱橫形態(tài)，如河槽邊壁、河床的粗糙程度以及灘地植被分布等。水流對河道糙率的影響即大洪水糙率比小洪水糙率要小。城市河道除了防洪排澇方面的要求，還要有一定的景觀需求，如建設河濱公園、河島公園、親水設施等，河岸要求綠化美化，這樣就會增大糙率，降低河道的過流能力。

1.4 河槽形態(tài)

《河道整治設計規(guī)范》（GB 50707-2011）將整治河段分為順直型、彎曲型、分汊型、游蕩型和潮汐河口型等種類，彎曲型河段常采用裁彎取直的方法進行治理。一般來說，裁彎取直可以提高整治河段上游保護對象的防洪能力，但也可能增加下游河段防洪風險，鑒于裁彎取直雖然改善了上游河段的行洪能力，但也會因為減小了槽蓄作用而加大了洪峰流量，相應地洪峰出現(xiàn)時間也提前了[3]。因此，河道整治應從整個流域的規(guī)劃出發(fā)，協(xié)調上下游河段，否則上游整治了下游又發(fā)生洪災。隨著河道淤積，河床抬高，過流斷面減小，河道防洪能力下降，所以一般會采取清淤疏浚的措施。清淤要進行斷面設計，選擇合適的水深、河寬和比降，并使流量、含沙量、粒徑等水沙條件與河床地質條件協(xié)調。如果河槽縱向流速過緩，河水輸沙能力下降，河槽又會很快淤積；河槽縱向流速過急，會對河槽產生沖刷作用。河槽橫斷面理想形狀應是窄深形，可以讓主槽內流量分配合理、流速最大，確保泄流和輸沙效果最佳，對河槽不沖刷不淤積[4]。

1.5 城市排水

目前，我國河道防洪由水利部門管理，而城市排水歸屬市政部門負責，兩個部門依據(jù)的標準并不同，即使采用相同的防洪設計重現(xiàn)期，也可能出現(xiàn)市政雨水排放系統(tǒng)的泄洪需求與河道行洪能力不一致的情況，在一些城市中已經出現(xiàn)雨水管網出水口受到淹沒的現(xiàn)象，以致產生水體頂托、倒灌及內澇的后果[5]。因此，河道防洪除須滿足設防標準，還應考慮城市排水能力。

2 河道整治設計中防洪影響分析計算

2.1 河道設計洪水計算方法概述

河道設計洪水計算的實質是通過河流上斷面水位或流量來推算下游防護河段水位或流量的過程。河道水力計算的基礎主要是圣維南方程組和馬斯京根法改進的各種水文模型[6]。求解這類水文模型可以利用數(shù)值法原理（如有限體積法、有限元法、特征線法、直接差分法等）編寫計算機程序求解，目前直接采用水力學軟件計算是較為便利的方法，例如HEC-RAS、MIKE、Delft3D、FLUENT都是國際上名望較大的水力學軟件。當缺少實測水文資料時，可以利用暴雨徑流數(shù)據(jù)采用綜合單線法和推理公式法進行洪水分析計算[7]。綜合單線是在納希瞬時單位線基礎上，經吸取國內外實踐經驗及概化處理后得到的無因次單位線。推理公式法是通過迭代法聯(lián)解推理公式基本公式求取設計洪峰流量、洪峰匯流時間和洪峰徑流系數(shù)。利用《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》（2003年）、《廣東省暴雨徑流查算圖表使用手冊》（1991年）及某沿海城市一條河流流域的1：10000電子版地形圖等基礎資料，分別采用綜合單線法和推理公式法計算洪峰設計流量，結果表明對于大多數(shù)斷面綜合單線法更偏于安全。由于綜合單線法考慮了流域調蓄作用，較適合平原河網地區(qū)；推理公式更適用于山區(qū)及丘陵地區(qū)，它要求流域產流強度及匯流速度在時空分布上均勻一致，但綜合單線法沒有這個要求。

2.2 HEC-RAS軟件在河道防洪計算中的應用

HEC-RAS是美國陸軍工程兵團開發(fā)的免費河道水力分析軟件，基于一維恒定流和非恒定流分析控制方程。某條河流全長173.8km，流域面積4315km2。研究區(qū)域為平原洼地，河道長65km，面積671km2。利用2012年河道測量成果獲得178個測量斷面。按照河道整治規(guī)劃，要研究5年一遇排澇和20年一遇防洪流量。為了滿足流域區(qū)域精度要求，將研究河段分為10個子段進行計算。根據(jù)相關資料確定主槽糙率為0.025，灘地取0.030。以HEC-RAS軟件模擬水位，通過河道縱斷面圖發(fā)現(xiàn)河道從上游至下游水深及水量逐漸增大，從樁號（32+370）以下河面漸次變寬，槽寬由30～40m變?yōu)?0m以上，但河床高程變化不大，水深增加較多，所以下游存在洪澇隱患。險工段模擬分析發(fā)現(xiàn)有三處險工段，且均為彎道；三維河道圖顯示其中兩處險工段無法抵御20年一遇洪水，存在潰堤風險。沖淤模擬顯示，現(xiàn)狀河道排澇連3年一遇標準都滿足不了，排澇成問題。根據(jù)堤防現(xiàn)狀，30+000以下河段可滿足設防標準；30+000以上河段堤防損壞嚴重，存在防洪隱患，因此考慮對河道進行綜合治理。主要措施包括清淤疏浚、堤防加固等，再利用HEC-RAS對整治效果進行模擬分析，顯示5年一遇和20年一遇水位平均降低0.93m和0.60m，流量分別增加0.02m3/s和0.22m3/s，表明能有效緩解淤積問題并滿足防洪防澇標準。

2.3 SWMM軟件在河道防洪核算中的應用

SWMM軟件是美國環(huán)保署（EPA）開發(fā)的暴雨徑流模擬軟件，主要用于城市排水系統(tǒng)建模，但因與河道系統(tǒng)水力學計算方面的原理基本相似，所以可用于河道防洪能力的核算。沿海城市河道防洪能力核算由于斷面復雜、無法忽視潮水頂托影響、確定河道糙率困難等緣故，傳統(tǒng)手工計算或圖表計算效果皆不理想，而采用SWMM軟件是一個不錯的選擇。

某河道全長1.58km，主河道寬約20～30m，河岸頂高程約3m，鄰近河口的橡膠壩蓄水高程為1.83m，河口汛期的平均潮水位是1.121m。如圖1，在節(jié)點1與節(jié)點2之間有2個小島。已知河道0.5年重現(xiàn)期的洪水量，節(jié)點1至節(jié)點2為39.76m3/s，節(jié)點2至河口為50.98m3/s?，F(xiàn)需核算：上述洪水流量下的洪水位能否滿足設防洪水位2.93m的要求以及設防洪水位下的洪水流量是多少？

將河道空間數(shù)據(jù)輸入到SWMM軟件中進行數(shù)字化處理，圖2是某個斷面的數(shù)字化效果。根據(jù)已知汛期平均潮水位數(shù)據(jù)，在排海處設立潮水型出水口，并以動力波法模擬下游潮水回水影響。河道糙率沒有采用曼寧糙率，因為曼寧糙率在案例情況下有很大的不確定性，故采用靈敏度分析方法。然后將節(jié)點1和節(jié)點2洪水量數(shù)據(jù)輸入軟件，洪水傳播到河口并達到穩(wěn)定狀態(tài)的持續(xù)時間設置為3h。運行軟件并經若干次調整，最終得到節(jié)點1到節(jié)點A洪水流量為39.76m3/s時的洪水位是2.70m，而設防洪水位是2.93m時的洪水流量為59.64m3/s。糙率敏感度分析結果如圖3所示，可見洪水位與糙率線性關系很強，其不確定性不致產生太大的決策風險。

3 結語