城市化区域典型生态防洪策略选择研究

侯 坦 高 成

(河海大学 水文水资源学院，南京 210098)

随着城市化进程的加快，城市下垫面不透水面积所占比例增大，地区人口密度急剧加大，城市生态环境条件被破坏[1-2]，进而引起局部气候和城市水循环条件发生变化，即城市化水文效应，导致降雨量增加[3].因而对城市河流的防洪要求日益提高.

城市河流指流域中非渗水面积率高于10%，完全恢复至开发前状态可能性极小、生态功能明显退化的河流[4].河道设计既要考虑生态安全，又要满足防洪要求，即通过对城市河流进行生态修复实现生态防洪.通过重建缓冲带、设置生态护坡或人工湿地、培育河滨生境，降低洪水风险，减少洪水灾害，实现生态防洪目标[5].在现有的研究和河湖治理实践中，提出了一些生态景观与防洪相结合的综合治理措施，比如生态湿地的布设、河道岸坡生态化等[6-7].对于整治后的生态防洪效果，现有研究成果更多地在于防洪校核，也有部分成果指出植被群对河流具有很强的阻水作用，糙率越大，景观对水流的阻力越大，流速越小，水位越高[8].然而在生态防洪策略选择方面，尚未考虑生态措施布设位置和规模对河道行洪的影响程度.因此本文以城市生态河道的防洪效果为研究对象，利用MIKE11模型对研究区域进行概化，分析传统城市护岸及生态护岸的防洪效果，并将人工湿地与城市生态河道相结合，并分析研究人工湿地的大小及不同布设位置的减灾效果影响，为低影响开发和生态河道的进一步发展提供借鉴.

1 研究方法

1.1 研究区概况

桐庐县麻蓬单元位于桐庐县老城区的西北部，总用地为455.90 万m2.四季分明，光照充足，温暖湿润，雨量充沛.年平均日照1936h，年平均气温16.5℃，年均总降雨量1462mm.

本次所研究的麻蓬沟为麻蓬区域主要排水河道，汇水面积约76.12万m2.全长约2351.6m，平均比降0.25‰.河道为梯形断面，底宽20m，顶宽30m，边坡比为3∶10.河道上游底高程为12.5m，顶高程为14m，下游底高程为11.91m，顶高程为13.41m.上游为自由入流，下游汇入分水江，无中间入流.河道现为硬质浆砌石护坡，防洪标准为20年一遇.本次研究将其改造为生态河道并令其满足防洪要求.

1.2 模型概化

MIKE11模型是模拟一维水流和水质的国际化工程软件，经过大量工程实践验证，适用于包括复杂平原河网在内的一维非恒定流计算.本次研究河道行洪过程，涉及水动力模块HD.HD 水动力模块中描述一维非恒定水流运动规律的控制方程组为圣维南方程组，由质量守恒的连续性方程和能量守恒的动量方程组成[9]，分别为：

式中，x、t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积 ；Q为 过 流 流 量 ；h为 水 位 ；q为 旁 侧 入 流流 量 ；C为 谢 才 系 数 ；R为 水 力 半 径 ；α为 动 量 校 正 系数；g为重力加速度.

1.3 参数设定

城市生态河道设置糙率时，不同的植被类型有不同的糙率，对河道的防洪排涝能力影响也不同，影响自然河道糙率的因素很多，主要包括河槽内的植被、河道护坡的植被和河道表面的粗糙程度等[10-11].由于影响糙率的因素复杂，无法进行准确的求解，可采用粗估法、水力学方法、理论公式方法进行估测[8].

本次研究3种护坡类型，分别为浆砌石、草地、挺水植物，3种类型的护坡的糙率按照粗估法，结合水力计算手册进行估值，分别取值为0.025、0.03、0.035.

1.4 设计暴雨计算

设计暴雨采用芝加哥雨型作为设计雨型.通过统计肖岭站历年较大雨量的时间分布，分析各次降雨的雨峰位置，得出暴雨综合参数r=0.5.取短历时120min雨量，计算时段为5min，雨峰位置位于第13时段.

设计暴雨的时程分配根据暴雨分析，并参考本流域及相近流域有关资料，综合分析得出暴雨衰减指数Np取值如下：重现期T＜100年，Np=0.6.计算结果见表1.

1.5 上下游边界条件

本次计算主要针对于麻蓬沟，上游入流边界采用设计暴雨进行产汇流计算，计算得出的设计洪水作为麻蓬沟的上游入流边界条件，下游排放口设计洪水位采用同等雨量下计算得到的分水江的水位边界控制，见表2.

表1 桐庐县长历时设计暴雨过程(20a一遇) (单位：mm)

表2 上下游水位边界条件(20年一遇)

2 生态河道防洪效果研究

2.1 护坡植被类型对防洪效果的影响

本次研究包括浆砌石、草地、挺水植物3种护坡类型.3种条件下的河道行洪过程最高水位如图1所示.

图1 不同糙率下的最高水位

由图1可知，随着糙率的增大，河道的最高水位逐渐升高；且糙率对河道上游最高水位的影响最大，越往下游影响越小.在河道出口，由于受下游边界水位的影响，最高水位相同.

将普通的浆砌石护坡改为生态护坡后，河道的糙率随之增加，对河道的行洪产生影响，导致水流流速减慢，水位雍高，不能满足防洪的要求.但同时也增加了河道的滞洪能力，延长了最高水位的出现时间.

2.2 河道布设不同面积的人工湿地对防洪效果的影响

本次研究所设计的人工湿地，为沿河拓宽的三角形水域，湿地最深处与河底高程相同，沿垂直河道方向逐渐升高，最终与河岸高程相同.植被选择挺水植物，河道和湿地的糙率设定为0.035.人工湿地布设概化图如图2所示.

图2 人工湿地布设概化图

在河道中游1100m 处布设人工湿地，面积分别为为10000m2、20000m2、30000m2.计算得到河道行洪过程中的最高水位如图3所示.

图3 添加人工湿地后的最高水位

由图3可知，将不同面积的人工湿地设置在河道中游，对河道上游的最高水位有一定的削弱作用，对中上游的的削弱效果最为明显，且湿地面积越大，削峰效果越好.而对于河道下游，削峰效果不明显.

在河道上添加人工湿地，扩大了河道的蓄水面积，使得上游的洪水可以先在湿地中蓄积和停滞，降低最高水位，延迟最高水位的出现时间，减轻下游河道的泄洪压力.

2.3 人工湿地在河道的不同位置对防洪效果的影响

改变人工湿地在河道上的相对位置，分别在河道上游200m、中游1100m 和下游2000m 处布置人工湿地，湿地面积均为20000m2，河道和湿地的曼宁糙率为0.035，河道在行洪过程中的最高水位如图4所示.

图4 改变人工湿地位置后的最高水位

由图4可知，改变人工湿地在河道上的位置，当湿地布设在河道上游时，对于最高水位的削峰作用仅限于河道上游；将湿地布设在河道中游，对湿地的上游部分河道都有明显的削峰效果；将湿地布设在河道下游，对整条河道都有较好的削峰作用.不管湿地布设在何处，对湿地上游的河道均有削峰的作用，湿地水面可以短暂的蓄滞洪水，避免上游水位过高；对于湿地下游的河道，洪峰不受明显影响，但最高水位的出现时间得以推迟，有利于河道下游的泄洪.

2.4 综合考虑河道糙率与湿地面积及位置对防洪效果的影响

结合2.1～2.3节中的结论，综合得到最终的生态河道改造方案：河道上游选择草地护坡，糙率为0.03；河道下游布置湿地，糙率为0.035，面积为30000m2，最终得到最适宜的河道生态防洪方案，如图5所示.

图5 最终方案、浆砌石护坡最高水位与岸顶高程相比较

由图5可知，最终的生态防洪方案的最高水位，与岸顶高程相比满足防洪要求；与改造前的硬质浆砌石护坡的最高水位相比，中上游略高，下游水位略低，总体相差无几，且兼顾生态需要，可作为麻蓬沟的生态改造方案.

3 结 论

1)对于传统的城市河道，当糙率为单一变量时，随着糙率的增加，河道的最高水位也增大.且不同糙率的护坡对上游最高水位影响最大，对中游影响次之，对下游影响最小.

2)在河道中游布设湿地后，对河道上游及中游的最高水位影响较为明显，且湿地面积越大，削减作用越明显；将人工湿地布设于河道下游时，可以对整条河道进行削峰，防洪效果最好.