义县河道生态治理中HEC-RAS技术的应用研究

2020-12-11郑亚峰

黑龙江水利科技 2020年11期

郑亚峰

(锦州市义县靠山屯水库管理所，辽宁锦州 121100)

0 引言

伴随着现代化进程的加快以及人水和谐理念的不断深入，人们越来越重视河流水系良好的生态服务功能和滨河宜居的自然环境，河道综合治理工程开始向“文化、休闲、舒适、优美”的方向发展。为及时有效地掌握河床状况、河滩植被、水位抬高等因素受河道治理工程措施的影响，探究水流受河道断面结构的作用以及不同水位条件下植被的配置方法，运用HEC-RAS模型确定河道水面线，并考虑治理前后各个断面的水位变化与不同部位糙率系数的差异评判工程实施效果，以期为河流水生态修复以及综合治理方案设计提供参考[1-3]。

1 HEC-RAS软件

美国水文研究中心开发的一款非恒定流或一维恒定流HEC-RAS模型，对于分析水体流动和确定洪泛区域具有较强适用性。其中，输出设备、水文分析工具、资料记忆管理装置以及图表使用界面等为组成系统的主要模块。根据模型分析成果，可为洪水安全分析、洪水区域管理研究、洪水危害程度以及淹没范围评判提供依据。HEC-RAS模型现已广泛应用于水面线推算领域，如河道整治工程，应充分考虑桥涵冲刷、流速变化、壅水高度等对输水的影响[4,5]。

目前，水面线推求的方法有能量方程式、圣维南方程组等，对于水位能够显著影响整治工程的天然河道水面线的推求，比较适用的推算方法为HEC-RAS模型。此外，在推求防洪规划工程水面线时有学者应用了HEC-RAS模型，从而实现对河道现状防洪能力的直观判断。

2 实例应用

2.1 工程概况

义县大凌河破台子大桥至万佛堂河河口段，河流两岸以平坦的河滩地为主，河滩地内为大片草地、稀疏野生灌木带，两岸岸上有大片林地、耕地，河道岸坎均无防护措施。由于受河道河势及对岸冲刷影响，河滩地内生态措施薄弱，生态环境脆弱，河滩地内湿地生态系统极易遭受破坏；其中，万佛堂河河口上游左岸600m属大凌河老河道，上游白石水库泄洪，河势经冲刷摆动后，整休主槽移至河道右岸，左岸大片滩地及河槽生态系统遭到破坏，水生生物及陆生生物均已逐渐减少。工程区内右岸河段急剧缩窄，河道行洪断面突然变小不利于行洪安全。因河道缩窄、水位雍高时，右岸防汛管理路及两岸规划的大凌河国家湿地公园易遭受洪水破坏，破坏防汛逃生通道，造成较大财产损失。总体而言，河道两岸无任何防护措施，洪水来临时极易发生冲刷，造成岸坎的淘空、坍塌和严重水土流失，滩地植被面积逐年减小，对河流两岸的生态环境造成破坏[6,7]。

综合治理工程起始点河心桩号K0+000、K2+388，治理段河长2.39km，河道主槽宽度变化较大，处于50-200m之间，河流弯曲系数1.06，河道平面形态较为稳定。工程治理内容有清淤疏浚、生态护岸、修筑潜坝、修建跌水、河岸绿化、湿地工程等，通过治理工程使破台大桥上下游河段水域岸线开发利用得以合理规划，岸线规划利用功能与建设项目协调。根据河道的岸线资源条件，采取防洪防护工程建设，打造凌河精品工程，改善生态体系、稳定河势、保护生态环境以及保障行洪安全[8]。

2.2 计算条件

1)基本资料。工程测量工作于2018年3月完成，平面比例尺及断面测量间距依据施工图测量深度要求，满足设计和计算工程量需要；河道带状地形图比例尺为1：1000，河道大横断图比例尺1：100。

2)河道糙率。河道糙率是河槽与水流相互作用的产物，其影响因素有水流、河槽两大方面。例如，落入河流的枯落物能够降低径流流速，增加糙率；河道糙率受流速、水深等水流因素以及河滩内植物密度、形状、高矮、长势等影响较大。天然河道糙率可以利用洪水调查水迹法或实测水面线来反推，也可按照水位流量实测资料反推。由于该区段河道糙率无实测值，根据现场查勘，河道主槽及河滩现状基本为裸露的杂填土、砂砾石、卵石等，滩槽变化不大，滩地宽度较小，依据相关规范、参考其他类似已建工程及有关经验，确定水面线计算利用滩槽综合糙率0.027-0.040。

3)起点水位。工程起推断面考虑河道上下游平顺性，最终选取K2-650断面作为水面线计算的起始断面；设计流量时Q=6580m3/s(P=10%)，Q=4353m3/s(P=20%)，采用单断面比降法计算该断面水位流量关系，确定该断面20年、10a一遇设计洪水流量的相应水位为72.89m、72.86m。

4)水面线计算。将水线面利用分段求和法和HEC-RAS水力模型计算，数学公式为：

(1)

式中：a1、a2为动能校正系数；v1、v2为上、下游断面平均流速，m/s；hj、hf为沿程和局部水头损失，m；z1、z2为上、下游断面水位高程，m；g为水力参数，取9.8m3/s。

局部水头损失hf利用以下公式求解，即：

(2)

式中：ξ为局部水头损失系数。

3 结果与分析

3.1 河道水面线计算

大凌河设计水面线计算利用HEC-RAS软件V5.0实现，一般断面间用能量方程式推算，如表1、2。结果显示，河道治理前、后10a一遇洪水流速为1.42-6.02m/s、1.65-6.84m/s，20a一遇洪水流速为1.75-7.06m/s、1.87-7.06m/s。可见，同等标准下河道治理在一定程度上增大了水流速度，并且水深也有所增加。实践工程中，河道清淤疏浚工程的实施，改变了右岸原有的岸线，有利于稳定水流流态，增大河道过流能力，疏浚宽度80-160m，平均清淤深度0.52m，总治理长度1.332km。

表1 大凌河水面线复核成果(治理前)

表2 大凌河水面线计算成果(治理后)

在3.2 治理前后水位模拟

根据水位变化规律，可为区域防洪规划、河道管理水生态修复等提供科学指导。结合实际情况，治理前水面线呈明显的不平稳变化特征，流速变化剧烈且水深忽高忽低。综合治理工程的实施使得河道水深变化趋于平稳，水面线更加平缓，河道的平均水深和最大水深较治理前均明显增加。治理前部分河段漫堤现象时有发生，生态护岸、清淤疏浚工程的实施在一定程度上缓解了河岸受洪水的冲刷作用。

3.3 河流植物配置

1)植物的配置。根据水面线计算成果，可以为不同水位条件下河道治理工程中植物措施配置提供参考，不同水位深度的植物群落配置存在一定差异。例如，常水位以上滨水植物群落以水葱、山桃、垂柳等为主，浅水区(水深0.3-0.9m)沉水、浮叶及挺水植物群落以荷花、芦苇、莕菜和鸢尾为主，深水区(水深0.3-0.9m)漂浮植物及沉水植物群落以莕菜、黑藻及眼子菜为主。水生植物与自然界的长期适应使得不同水深条件下水生植物配置存在较大差异，挺水植物植株高度一般与其水深适应性相关，水深适应能力越强则植株越高大，如旱金草、芦苇等。实践表明，挺水植物受水深胁迫越大、根茎淹水深度越深，则根茎生长速度越低。0-10cm的浅水环境中比较适于千屈草扦插苗的生长，而在水深20cm、40cm梯度下生长受到明显抑制甚至不能存货。有学者通过试验发现，水深30cm最宜生长香蒲和茭草，水深0-30cm、0cm最宜生长菖蒲和水葱。所以，在河道治理过程有必要考虑HEC-RAS水线面计算成果，将不同水生植物群落配置于常水位以下各水深区域内，因此将常见滨水乔木、垂柳等零星栽植于临河岸边，常水位以上河漫滩区适当栽植耐水湿的灌木和水陆两栖植物。

2)水生植物的施工方法：根据设计要求及对栽植区域进行水底整地，整地要求须根据不同水生植物生长水深控制高程，整地后再进行起苗、运输、栽植，栽植时根据设计及施工图要求进行栽植，同时对根茎和裸根苗必须采取保水保湿措施，并在两天内种植，起苗开始暴露时间不宜超过3h。栽植除荷花之外的水生植物时，在有利条件下应使水位降低至露出地面进行栽植，即为无水栽植；栽植荷花时控制水深为10cm至20cm为宜进行栽植，即为有水栽植，最后栽植荷花。水生植物栽植：全面整地，水下插入或旱地栽植。

3)陆生生态绿化施工方法：对生态工程区域进行全面整理，在施工准备期前，要对地下障碍物、杂物、废弃物以及场地清理，将杂草翻到地下；为提高树木成活率以及减少病虫对林木的危害，把地下病菌、害虫翻转至地面并经日照和高温处理将其杀死。在土地整理完成后，按设计要求分区域进行全面客土和穴状客土，再根据设计图纸进行放样，之后再进行栽植和树木配植。其中，乔木栽植：采用树盘穴状整地栽植；灌木栽植：以大面积片植进行全面整地或单点点缀形式穴壮整地栽植，即单进丛整地；地被栽植：草坪、低矮灌木(花木类)采取全面整地撒播草籽和条状栽植。