马三力

(锦州市凌海市水利事务服务中心，辽宁 锦州 121200)

河道是城市发展和文化传承的重要资源及物质载体，解决河道问题、有效改善水质以及促进水系循环是城市建设的重要内容。近年来，人们越来越关注水生态文明建设，城市规划也更加注重生态景观建设的主题，在水利工程中防洪治河的重要作用日趋突出。降雨量作为城市河流的主要影响因素，夏天雨季和冰雪融化期属于防洪工作的集中期，对降低洪水灾害工程措施发挥着重要作用[1-2]。

河内植被为水生物的繁衍和生长创造了适宜的空间环境，但也使得水流阻力加大、河流水位提升以及过流能力的减小。因此，规划设计水利工程时要全面考虑城市文化、河道景观等诸多因素，建设生态系统良性循环的城市河流具有重要意义[3]。城市经济发展的必要条件是生态景观中的防洪体系建设，对于保障沿河防洪安全起着决定作用。文章以大凌河入海口护岸工程为例，采用数值模拟软件和流体动力学实验研究了不同景观方案下的河流环境动力和水动力，在此基础上验证了设计方案的可行性，可为生态景观方案设计提供一定支持。

1 工程概况

1.1 基本情况

大凌河是凌海市最大河流，流经凌海市11个乡镇和街道、区，流经长度84.0km。经过大有经济区入海口处大凌河从南北走向转变成东西走向，于油田三支路处形成90°急转弯呈正南流向。由于未建设护岸工程，遇洪水时极易对右岸产生冲刷，特别是受辽宁第8号台风“巴威”影响，凌海市及大凌河上游普降暴雨，加之白石水库放水，洪峰到达凌海市流量3000m3/s，造成入海口处出现淘刷崩岸，若不及时实施护岸整治，不但会冲走大片滩地，造成严重水土流失，而且威胁当地生态安全。因此，为使得该处河岸得到彻底治理，有必要实施大凌河入海口护岸工程建设。

1.2 水文资料

凌海最大组合流量采用白石水库初设成果，即白石水库放流与白-凌区间组合的外包线，最大组合流量如表1所示。

表1 凌海站最大组合设计流量表 m3/s

根据《大凌河河道保护规划》和《大凌河口二维水利计算报告书》，大凌河口各洪水频率(P=20%、P=10%、P=5%、P=2%和P=1%)的水面线见表2，河口设计潮位见表3。

表2 大凌河河口段各频率洪水水位 m

1.3 河道边界

该工程位于大凌河入海口油田三支路上下游，工程下接2015年大凌河河口护岸上游端，向上游延伸520m至芦苇公司排水干沟右岸现状挡土墙结束，护岸总长度520.0m。采用格宾石笼平顺护岸结构形式进行护岸，平顺护岸上游采用格宾石笼封边。

1.4 方案设计

糙率是反映过流边界表面对水流产生阻力程度的重要参数，一般由沿河两岸岸壁、河床以及植被景观等自然条件决定，影响因素主要有景观岛和河槽内植被、表面糙率等。为揭示河道防洪受生态景观的影响规律，考虑景观岛、河道、河槽等情况设计4种景观方案，并利用MIKE21 FM软件进行模拟计算。结合类似河道的景观资料合理选择糙率值，如表5所示。

表5 研究河段的糙率取值

1.5 水位计算

计算范围取河口段，河段长度0.803km，计算断面2个，即DH1-DH2，糙率按表5选取。应用MIKE21 FM软件中的HD模块(垂向二维浅水方程)建模，采用ADI、DS计算方法和有限差分里散法进行计算，基本方程如下：

1)垂向平均二维浅水方程：

(1)

(2)

2)动量方程：

(3)

(4)

式中：h为水深；ζ为水面高程；p为x方向的单宽流量；q为y方向的单宽流量，其中p=uh、q=vh；u、v为沿水深x、y方向上的流速；C为谢才系数；g为重力加速度；f为风摩擦系数；V、Vx、Vy为风速及其x、y向的分量，m/s；Ω为柯氏力参数，s-1；Pa为大气压强kg/(m/s2)；ρw为水的密度，kg/m3；S、Six、Siy为源汇项其x、y向的分量；τxx、τxy、τyy为剪切力分量。

3)根据防洪标准，依次计算设计频率及超标准频率下不同方案的洪水水面线成果。

2 防洪影响分析

为了分析河道防洪受生态景观的影响状况，必须科学规划设计河道生态景观。文章利用控制模型方程数值模拟了2015年大凌河河口护岸上游端至芦苇公司排水干沟右岸现状挡土墙结束处，其河道水位及流速受生态景观糙率的影响，总长520m，桩号0+000-0+520(2015年护岸上游端为起点桩号0+000)[4-5]。

2.1 生态景观糙率与水位

模拟计算动力相同情况下4种方案的中泓线水位变化趋势，如图1所示。结果显示，糙率越大则上游水位越高，糙率较大时水位的受影响程度较低，糙率较小时水位上升趋势更加明显。各方案中泓线水位具有相同变化趋势，其中变化幅度最显著的是J-3方案，其次为J-2方案，水位变化最小的是无植物群方案J-0。区域内存在的景观岛改变了其上游水流，并形成一定的水位壅高，景观岛数量越多则造成的影响也越复杂，所以方案J-3的水位壅高最大为1.2m，景观岛下游水位受景观植被的影响较小，而上游受影响较大。

图1 中泓线水位变化曲线

水位变化幅值与糙率变化程度保持一致，糙率改变时不同景观方案下的河道水位标准差见表6。结果显示，标准差最大的是景观方案J-3，其次为景观方案J-2，物质被群J-0的标准差最小，表明水动力和地形相同情况下，水位幅值变化随糙率变化值的增加而增大。

表6 水位标准差

2.2 生态景观糙率与流速

模拟计算水动力和地形条件相同情况下4种方案的泓线流速变化趋势，如图2所示。

图2 中泓线流速变化曲线

各方案中泓线水流速度具有相同变化趋势，其中水流速度变化幅度最显著的是J-3方案，其次为J-2方案，表明水流速度随糙率的增加而减小。糙率不同而流量相同情况下，断面平均糙率与流速边幅直接相关，糙率值越大则变幅值波动越明显，相应的变化幅度越大[6]。多个生态景观会同时给水流速度造成影响，所以需要整体规划建设河道生态景观，从而定性分析水流速度的变化特征。

2.3 河床面突起高度与上游流速

水流相同、河道相同的情况下，水流速度受河床面突起高度的影响如图3所示。结果显示，河床面突起高度为1.0m、4.0m时的水流速度△v分别为-0.481m/s和-1.984m/s，表明水动力和糙率相同情况下，淹没状态下上游水位壅高随景观岛高度的增加逐渐增大，水流速度表现出线性减小趋势。上游流速△v与突起高度差△z之间的线性关系为：△v=0.5027△z+0.0058，相关系数R2为0.995，具有较高的拟合度。

图3 上游流速△v与突起高度差△z

2.4 河床面突起高度与景观岛顶点流速

水流相同、河道相同的情况下，景观岛顶点流速受河床面突起高度的影响如图4所示。结果显示，河床面突起高度为1.0m、4.0m时的水流速度△v分别为0.157m/s和1.925m/s，表明水动力和糙率相同情况下，淹没状态下顶点流速随景观岛高度的增加逐渐增大[7-12]。顶点流速△v与突起高度差△z之间的线性关系为：△v=-0.4592△z+0.0151，相关系数R2为0.986，具有较高的拟合度。

图4 定点流速△v与突起高度差△z

3 结 论

文章以大凌河入海口护岸工程为例，对桩号0+000-0+520段设计4种景观方案，采用数值模拟软件和流体动力学实验研究了不同景观方案下的河流环境动力和水动力，主要结论如下：

1)洪水流动过程中糙率对水位的影响较大，糙率越大则景观岛上游水位越高，糙率较大时对水位的影响程度较低，而糙率较小时的水位上升幅度更加显著。

2)植被群的阻水效应比较明显，糙率值越大则河道水位越高，相应的洪水流速越小，各糙率下的流速变化趋势基本一致，但变幅存在明显差异。

3)水动力和糙率相同情况下，淹没状态下上游水位壅高随景观高度的上升而增大，水流速度表现出线性减小趋势；水动力和糙率相同情况下，淹没状态下顶点流速随景观岛高度的增加呈线性增大趋势。