区域地面沉降对河流水系防洪能力影响的数值模拟评价研究

2019-03-07石宁

水利规划与设计 2019年1期

石宁

(辽宁省营口水文局，辽宁营口 115003)

区域地面沉降已成为当前城市化发展不可忽略的环境地质问题。区域地面沉降对流域水系防洪能力的影响评价成为当前国内水利学者关注的热点问题[1- 5]。目前大都采用定性描述为主的方式进行研究，而在定量评估区域地面沉降对河流水系的研究还不多，尤其在辽宁沿海地区还未进行相关研究。近些年来，数值模拟方法被广泛用于区域河流水系防洪能力影响研究[6- 8]，为此本文引入数值模拟方法，以辽宁省沿海区域为研究实例，定量评估区域地面沉降对河流水系防洪能力的影响。

1 数值模拟方法

为分析区域地面沉降对河道行洪能力的影响，采用数值模拟的方法模拟不同沉降对区域防洪能力的影响，数值模拟方程为：

(1)

(2)

(3)

式中，σs—流量系数；m—淹没系数。在流量计算的基础上，需要对区域的综合糙率进行确定，河道主槽和河边滩地的综合糙率的计算方程为：

(4)

式中，χz—主槽湿周；χb—河滩地湿周；n—综合糙率；nz—主槽糙率；nb—河滩地糙率。对于蓄洪区其综合糙率的计算方程为：

(5)

式中，ni—不同典型分区的糙率；Ai—不同分区的集水面积，km2。

图1 区域地形及糙率分布

区域无沉降0～0.3m0.3～0.6m0.6～0.9m0.9～1.2m>1.2m①12.516.822.310.58.94.3②13.422.135.216.318.95.7③22.817.425.931.218.35.1④16.522.514.310.622.53.3⑤52.465.372.551.342.56.9⑥38.918.526.943.522.78.2总计156.5162.6197.1163.4133.833.5

2 研究实例

2.1 区域概况

本文以辽宁中部某流域为研究区域，研究区域总的地势东南高西南低。东南属千山山脉西麓地带，东北部位于龙岗山脉尾部丘陵地带，西部位于下辽河平原东侧边缘地带。区域山区面积约2803.85km2，占总面积的59.2%；平原区面积约1931.93km2，占总面积的40.8%。辽区域内地貌按成因类型可分为侵蚀构造、剥蚀构造、剥蚀堆积、堆积地貌。侵蚀构造地貌，一般海拔高程500～800m，剥蚀构造地貌其海拔高程在200～500m。剥蚀堆积地貌的地形坡度3～6°，海拔高程在30～50m，属山前微倾斜坡洪积平原。堆积地貌，以太子河冲积平原为主体，地表海拔10～30m。研究区域的地形及糙率分布如图1所示。

2.2 区域沉降统计量

将区域划分成6个典型区域，结合区域地形剖分数据，对比了区域不同累计沉降量下的面积，分析成果见表1。

从表1中可看出，区域沉降量大于1.2m的累计面积最小，为33.5km2，而沉降量在0.3～0.6m的区域累计面积最大，达到197.1km2，这一部分主要集中在区域的中部，而无沉降的累计面积为156.5km2，这一部分区域主要位于区域的东部。

2.3 区域糙率设置

结合区域糙率分布图，对区域的不同土地利用类型和河道综合糙率进行设置，糙率设定结果见表2及表3。

表2 区域不同土地利用类型糙率确定

表3 区域内河道糙率设定结果

从表2可看出，耕地和林地相比于其他土地利用类型糙率要大，草地糙率相对要小，但区域耕地和林地面积相对较大，而草地面积相对较少，城镇利用地面积也相对较小，占整个区域10%，从表3河道区域综合糙率设定结果可看出，各河道区域滩地糙率均较大，主要是滩地农作物类型和林地较多，使得其滩地糙率要大于河道主槽的糙率。

2.4 沉降前后最高水位和最大流量对比

结合数值模拟方法对区域沉降前后的最高水位和最大流量进行对比分析，分析结果见表4及图2。

表4 区域沉降前后行洪能力对比结果

图2 区域沉降前后行洪能力对比结果

从表4中可看出，区域沉降前后区域⑥最高水位变幅为2.02m，主要因为这个区域位于地势较为低洼的区域，地面沉降对其最高水位影响较大。而区域②和③沉降对其最高水位影响较小，水位变幅均在0.13m左右。从最大流量可以看出，区域沉降对其流量影响较小，各区域流量变幅均较小，主要因为区域沉降对其过水断面影响较小，因此对最大流量影响较小。从图2中可看出，区域最高水位变幅明显高于最大流量的变幅。

2.5 沉降前后对滞洪影响分析

结合数值模拟方法对区域沉降前后的滞洪能力进行了分析，分析结果见表5。

从表5中可看出，区域沉降前后对最大滞洪水量影响较大，区域⑥由于地势较低，其最大滞洪水量增加量最大，而区域①主要位于城镇区域，因子其滞洪水量增加程度较低。而对于最高蓄水位变幅而言，区域②作为主要的滞洪区域，因此其沉降前后的最高蓄水变幅较大，而区域⑥由于本来就是地势较低的区域，因此其最高蓄水位变幅较小。