杨柳河人工湿地净化工程设计洪水计算分析

郭富兴

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114002)

1 杨柳河流域概况

1.1 水文气象

杨柳河全长58.5 km，流域面积287.92 km2，河道平均比降2.38‰，多年平均径流量4 201万 m3。杨柳河集水面大，河床上窄下宽，堤防高低不均，多弯曲，每遇洪水，太子河回水顶托，时间长，河水易漫堤成灾。

杨柳河流域属暖温带大陆性季风气候，四季分明，气候宜人。根据鞍山市气象局1961-2000年40年气象资料统计，主要气象要素为：多年平均气温为9.4℃，其中7月最高为25℃，1月最低为-9.2℃，年极端最高气温为36.5℃，年极端最低气温为-29.9℃；多年平均降水量为703.7 mm，年内分配不均匀，主要集中在5-9月，约占全年降水量的80%，其中7月份最大，占全年降水量的30%，最大年降水量1 041.8 mm，最小年降水量为383.8 mm；多年平均蒸发量为1 750.2 mm(20 cm蒸发皿)，5月蒸发量最大为300.3 mm，1月蒸发量最小为37.2 mm；该地区日照充足，大部分地区全年日照时数为2 540 h；多年平均相对湿度为60%；多年平均风速为3.5 m/s，最大风速为21 m/s，最多风向SSW；最大积雪深度为2.7 cm；最大冻土深度为118 cm。

1.2 河流水系

杨柳河为太子河左侧支流。杨柳河上游分为唐家房支流和大屯支流，大屯支流发源于海城市大屯镇的朱大砬子，海拔高程为620.8 m，流经腰屯、白石寨、驸马营、大屯、大团山、中所屯；唐家房支流发源于千山区唐家房镇摩云山双塔岭的偏岭，流经冯家屯、太平沟、什间房、东果子园、英家堡子、唐家房、地所屯、解家堡、两支流在千山区东鞍山镇房身村汇流。杨柳河流经鞍山市千山区、海城市和辽阳市的辽阳县，于新台子镇小河口汇入太子河。杨柳河全长58.5 km，流域面积287.92 km2，河道平均比降2.38‰，多年平均径流量4 201万 m3。其中腾鳌堡以上为山区，控制面积264.63 km2，全长41.62 km，河道比降3.82‰，腾鳌堡至河口为平原区。杨柳河集水面大，河床上窄下宽，堤防高低不均，多弯曲，每遇洪水，太子河回水顶托，时间长，河水易漫堤成灾。

2 工程项目概况

2.1 工程项目区域概况

工程地处的辽宁省鞍山市现辖1市、2县和6个区，38个街道办事处，58个镇和7个乡，总人口344.7万人。总土地面积92.52万 hm2，耕地面积24.3万 hm2。工业总产值为1 398.2亿元；农业总产值55.6亿元。农民年人均纯收入3 782元，城市居民年人均纯收入6 851元。城市交通便利，四通八达。以千山风景区为龙头的旅游业成为牵动全市经济发展的新产业，近几年国民经济保持了较快的增长。

项目建设场地位于通海大道西侧，哈大客运高铁东侧，杨柳河北岸，日处理量50 000 m3，平均流量为0.578 7 m3/s。建设场地主要为河滩地。本项目规划红线占地22.41 hm2，设计水生植物种植面积约90 000 m2。处理后出水达到杨柳河功能区划标准，并通过分段设置拦水坝形成阶梯状水面，达到蓄水效果，同时打造出沿河生态景观带。鞍山杨柳河人工湿地净化工程建设项目地理位置图见图1。

图1 鞍山杨柳河人工湿地净化工程建设项目地理位置图

2.2 杨柳河湿地净化工程具体方案

杨柳河人工湿地工程具体选址于腾达大道杨柳河桥至杨柳河高速铁路桥区间河段上，河段长度约2.2 km。本工程应用生态修复原理，以恢复河道自身的净化能力为根本出发点，净化水质。建设自由表面流人工湿地，并配套景观、堤防及道路等工程，本工程内原有主河道保留，在河道的滩涂地修建为人工湿地。在人工湿地内种植芦苇、香蒲等水生植物，以达到净化河水水质的效果。

杨柳河沿途排出的污水通过污水管网排入到宁远屯污水处理厂进行处理。本工程主要对宁远屯污水处理厂排出的水进行净化，将污水处理厂经过处理后的水通过排水渠，引入湿地前端的人工生物塘，然后通过进水溢流堰自流到人工湿地净化区进一步净化。本工程依据现有地形，将原有河滩地下挖，使沿原有河道自然形成子堤，将主河道和人工湿地分隔开。利用挖出土方将北侧部分区域垫高，形成护坡顶部比较平坦的区域，在此修建人工假山和景观亭，同时还准备修建湿地监测站。

人工湿地范围内现状河道概况，人工湿地现状左岸堤顶高程为20.5～21.0 m，右岸堤顶高程为20.5～21.0 m，最低河底高程为14.5～15.0 m，水面高程为15.1～15.6 m。人工湿地建成后，左右岸堤顶高程保持现状堤顶高程不变。

3 设计洪水计算分析

3.1 计算依据及已有成果引用

项目位置位于杨柳河下游腾鳌堡大桥处，控制流域面积264.63 km2。杨柳河发源于千山区唐家房镇摩云山。于东鞍山与其它支流汇合后越过中长路，经腾鳌堡镇在小河口入太子河，腾鳌堡以下为辽阳市与鞍山市界河，杨柳河全长58.5 km，流域面积287.92 km2，河道平均比降2.38‰，多年平均径流量4 201万 m3。

杨柳河上没有水文站，无实测水文资料计算本河流的设计洪水。本次设计洪水采用《鞍山市城市防洪规划》(辽宁省水利水电勘测设计研究院2005年3月)报告中的计算成果。本次设计杨柳河以腾鳌堡桥上作为水面线推算起始控制断面。腾鳌堡以上为山区，设计洪水采用《辽宁省中小河流设计暴雨洪水计算方法》(1998年)计算，腾鳌堡以上设计洪水成果见表1。杨柳河腾鳌堡以上20 a一遇设计洪峰为866 m3/s。

表1 杨柳河腾鳌堡以上设计洪水成果表

起始断面水位流量关系曲线依据曼宁公式推求。在计算过程中，过水断面为2004年测量成果，糙率参照河床组成选定，水面比降参照河底比降。腾鳌堡桥上水位流量关系参数见表2和图2。

图2 杨柳河腾鳌堡桥上水位流量关系图

表2 杨柳河腾鳌堡桥上断面水位流量关系计算参数表

3.2 水面线计算

3.2.1 计算采用参数

水面线计算范围为下游腾鳌堡桥至鞍山城桥。起点水位采用腾鳌堡桥上游实测断面的水位流量关系曲线。横断面断面间距一般为500～1 000 m，各桥梁等跨河建筑物处设置横断面，横断面为实测断面。

糙率结合现状河势、河床质及植被等情况选用，各计算断面主槽糙率在0.025～0.030之间选用，滩地糙率在0.050～0.080之间选用。

3.2.2 拟定方案设计水面线计算成果

杨柳河拟定方案设计水面线和最低河底高程见图2。经计算求得新建工程处20年一遇洪峰流量为866 m3/s，所对应的设计水位为23.78 m。

图3 杨柳河拟定方案设计水面线和最低河底高程

3.3 冲刷与淤积分析计算

按照设计图，选择典型断面进行冲刷计算。选用《堤防工程设计规范》(GB50286-98)公式(1)进行冲刷计算，具体如下：

(1)

式中：hB为局部冲刷深度(m)；hp为冲刷处水深(m)，以近似设计水位最大深度代替；vcp为平均流速(m/s)；v允为河床面上允许不冲流速(m/s)；n为与防护岸坡形状有关，一般取n=1/4。

根据河道土壤性质，允许不冲流速选取1.10。具体计算结果见表3。

表3 典型断面冲刷深度计算表

3.4 设计洪水计算成果

本项目按照20年一遇洪水标准进行水文计算，经过分析计算，新建工程设计断面处20 a一遇的洪峰流量866 m3/s所对应的设计水位为23.78 m，新建工程处堤防标准未达到20 a一遇规划标准。

4 结语

综上所述，杨柳河湿地项目为湿地恢复和生态净化工程，按照20 a一遇洪水标准进行水文计算，经过分析计算，新建工程设计断面处20 a一遇的洪峰流量为866 m3/s，所对应的设计水位为23.78 m，新建工程处堤防标准未达到20 a一遇规划标准。本项目建设后，对河流流态和河势的稳定不会产生不利影响，对现有防洪工程没有影响。