摘 要： 在河道生态治理中, 充分认识河道治理前后河床断面及河道植被等对水流、水位的影响, 有利于更合理地进行河道生态治理综合措施的配置。以滦平县兴洲河路南营段河道治理为例, 参照水面线计算公式, 采用HEC-RAS软件对该段河道治理前后的水面线进行了分析计算, 然后根据治理前后河底糙率系数的差异及不同断面的水位变化分析了河道治理效果。采用HEC-RAS软件进行水面线计算的结果显示:治理前随着河底纵坡的变化, 水面线变化不平稳, 水流流速在不同断面间发生变化;与治理前相比较, 治理后的水面线 (设计值) 变化平缓, 水深变化平稳。在河道治理中, 采用河道清淤、设置护堤坝和生态护岸等措施, 同时进行湿地恢复、河岸绿化等工程的建设可以达到生态治理目的, 即使在遇到10年一遇洪水时也能够防治或者消除洪水对两岸的威胁。参考不同河段通过HEC-RAS推求的河道水面线成果, 提出了在河道治理过程中滨水植物的选择和配置方案。
关键词： HEC-RAS软件; 河道生态治理; 水面线计算; 兴洲河; 滦平县;
随着现代化进程的加快, 人们对环境的重视程度越来越高, 河道治理也开始向近自然方向发展。为了更有效、迅速地了解在河道生态治理过程中工程措施对水位抬高的影响和河滩植被、河床情况、河道治理前后的断面结构等因素对水流的影响, 以及不同水位条件下河道植被的配置, 我们以滦平县兴洲河路南营段河道为例, 参照水面线计算公式并采用HEC-RAS软件对该段河道治理前后进行了水面线分析计算, 然后根据治理前后河底不同部位糙率系数的差异及各断面的水位变化分析了河道治理的效果, 以期为今后同类河道的生态治理工程提供设计参考。
1、 软件功能简介
HEC-RAS是一款美国水文研究中心开发的河川分析软件, 其实为一个一维恒定流或非恒定流的水力模型, 主要用于河道流动分析和洪泛平原区域的确定。系统主要由图表使用界面、资料记忆管理装置、水文分析工具及输出设备等组成。模型所得结果可以用于洪水区域管理及洪水安全研究分析, 以及评价洪水淹没区域的范围及危害程度[1]。HEC-RAS软件在国外河道水面线推算中已经得到广泛的应用[2]。例如在进行河道整治的时候, 就要分析考虑河道壅水高度、流速变化、桥涵冲刷等因素对河流输水的影响[1]。
目前推求水面线的方法较多。在推算山区天然河道水面线时, 如果水位对工程影响较大, 采用HEC-RAS进行推算比较适宜[3]。还有学者将HEC-RAS用于防洪规划工程中的水面线计算, 以直观判断现状河道的防洪能力[4]。
2、 工程概况
兴洲河路南营段治理工程位于河北省承德市滦平县境内滦河一级支流兴洲河上。工程区范围为滦平县大屯乡路南营村西北侧 (滦平县与丰宁县的交界处) , 长度3.41 km。涉及1个行政村, 即大屯乡路南营村。
本次工程治理的兴洲河属于自然河道, 河道上开口宽度85~130 m, 目前本工程治理段还没有规模性水利工程。几十年来, 除21世纪项目区下游两岸实施了少部分浆砌石堤防外, 项目区目前仅有当地百姓自发修筑的干砌石河堤, 其防御标准低、稳定性差, 且因年久失修, 大多已经损毁。
工程治理内容包括河道清淤、修建跌水、修筑护堤坝和生态护岸、河岸绿化、湿地工程等。治理目标是通过工程治理, 使该项目所治理的河道达到防洪标准, 改善水质, 美化周边环境。
3、 计算条件
3.1、 设计洪水流量
本工程治理原则上不改变河流现状走向, 设计河道中心线与现状河道中心线基本一致, 现状河道上开口基本不变。
根据历史洪水资料, 采用频率分析法计算波罗诺水文站设计洪水, 并采用水文比拟法计算本工程的设计洪峰流量, 最后得到兴洲河不同重现期的洪峰流量 (表1) 。项目所在河段的设计标准是10年一遇洪水不漫堤, 5年一遇为设计常水位。
表1 流域河流设计洪水成果
3.2、 河道糙率值选取
河道糙率是反映河道阻力的一个综合系数[2], 也是衡量河流能量损失大小的一个特征值。河道糙率是水流与河槽相互作用的产物, 影响河道糙率的因素既有河槽方面的, 也有水流方面的。例如河道内半分解和未分解的枯落物可直接增大河道粗糙度, 使径流流速降低[5]。河滩内植物本身的形状、长势、密度、高矮, 以及流速、水深等水流因素[6]均可能对河道糙率的大小产生影响。天然河道的糙率一般宜根据实测水位流量资料进行推求, 或者根据实测水面线或洪水调查水迹反推糙率[2]。
本工程河道内有常流水, 河床主要由细砂和砾石组成, 河底有稀疏水草, 两岸岸壁为砂土和岩石, 滩地部分由卵石、块石组成, 长有稀疏杂草和灌木, 有一部分水流以较低的流速通过这些植物。经综合考虑, 河道糙率值选择0.022 5, 滩地及出河槽部分糙率值选择0.05。
3.3、 起推水位确定
采用美国陆军工程兵团HEC-RAS河流分析系统计算程序进行计算, 按分段恒定非均匀流推求水面线, 每隔100 m一个横断面。起始水位采用工程末端桩号K4+200往下游1~2 km处的正常水位。河道纵坡比降为1.99‰。
3.4、 水面线计算
本次HEC-RAS河流分析系统计算程序采用分段求和进行水面线计算, 基本公式为
式中:z1为上游断面的水位高程, m;z2为下游断面的水位高程, m;hj为沿程水头损失, m;hf为局部水头损失, m;v1为上游断面的平均流速, m/s;v2为下游断面的平均流速, m/s;g取9.8, m3/s;a1、a2均为动能矫正系数。
局部水头损失计算公式为
式中:ζ表示局部水头损失系数, 其余符号意义同上。
4、 结果分析
4.1、 HEC-RAS河道水面线计算成果
根据水面线计算结果 (见表2、表3) , 治理前, 河道10年一遇洪水的流速为1.47~7.07 m/s, 平均水深约为2.88 m;河道20年一遇洪水的流速为1.78~8.01m/s, 平均水深约为3.27 m。治理后 (设计值, 下同) , 河道10年一遇洪水的流速为1.62~6.87 m/s, 平均水深约为3.18 m;河道20年一遇洪水的流速为1.87~8.01 m/s, 平均水深约为3.67 m。治理后, 河道相应标准下的水面线降低, 河道水深比治理前大, 究其原因可能是因为河道清淤后, 河底高程变低造成的。
此外, 根据图1及表2、表3可以发现, 治理后, 10年一遇标准下的水流流速与治理前相比更趋于一致 (治理前平均流速为4.55±1.40 m/s, 治理后为4.65±1.28 m/s) , 最高流速6.87 m/s也比治理前的7.07 m/s小。
图1 10年一遇和20年一遇河道治理前后平均流速对比
4.2、 河道治理前后的水位模拟
采用HEC-RAS软件模拟河道治理前后水位变化情况, 能够为河道治理方案的制订及后续河道管理决策提供参考依据。图2—4显示, 治理前, 随着河底纵坡的变化, 水深忽高忽低, 水面线变化不平稳, 水流流速急剧变化。与治理前相比, 治理后的水面线更加平缓, 水深变化平稳。在20年一遇洪水条件下, 治理前的平均水深为3.30 m, 治理后的平均水深为3.67 m, 治理后的最大水深 (5.57 m) 比治理前的最大水深 (5.96 m) 小了0.39 m。
表2 兴洲河路南营段河道治理前水面线复核结果
表3 兴洲河路南营段河道设计治理后 (设计值) 水面线成果
图2 5年一遇洪水条件下的河道纵断面
图3 10年一遇洪水条件下的河道纵断面
图4 20年一遇洪水条件下的河道纵断面
图5—7显示, 桩号K1+000、K2+000和K3+000位置的横断面在治理前均发生过漫堤的现象。经过河道生态治理, 采用河道清淤、生态护岸等措施后, 在10年一遇洪水条件下, 能够防治或者缓解洪水对两岸的威胁。
图5 10年一遇洪水条件下的K1+000段河道横断面
图6 10年一遇洪水条件下的K2+000段河道横断面
图7 10年一遇洪水条件下的K3+000段河道横断面
4.3、 不同水位条件下河道植物配置
通过HEC-RAS河道水面线计算, 能够为河道治理过程中不同水位条件下的植物搭配提供设计参考。不同的水位深度, 植物群落配置会有所区别。例如, 垂柳 (Salix babylonica) 、山桃 (Amygdalus davidiana) 、水葱 (Scirpus validus) 等见于常水位以上, 构成滨水植物群落;在水深0.3~0.9 m区域常见荷花 (Nelumbo nucifera) 、鸢尾 (Iris tectorum) 、莕菜 (Nymphoides peltatum) 、芦苇 (Phragmites australis) 等浅水区挺水及浮叶和沉水植物群落;水深0.9~2.5 m区域常见眼子菜 (Potamogeton distinctus) 、黑藻 (Hydrilla verticillata) 、浮萍 (Lemna minor) 、莕菜等深水区沉水植物及漂浮植物群落[7]。不同水深条件下水生植物配置不同是水生植物与自然界长期适应的结果。挺水植物对水深的适应性一般与其植株高度有关, 植株高大的适应水深的能力较强, 例如芦苇、旱金草 (Cyperus alternifolius) 等[8]。有研究表明, 挺水植物的根茎淹水深度越深, 受水深胁迫越大, 水生植物根状茎的生长速率越小[9]。千屈菜 (Lythrum salicaria) 扦插苗适合生长于0~10 cm的浅水环境, 最适水深为10 cm, 在20 cm水深梯度下生长明显受到抑制, 在40 cm水深梯度下, 千屈菜扦插苗和实生苗均不能存活[10]。有人通过实验得到茭草 (Zizania caduciflora) 和香蒲 (Typha orientalis) 的最适宜生长水深为30 cm, 水葱的最适宜生长水深为0 cm, 菖蒲 (Acorus calamus) 在0~30 cm的水深均适宜生长[9]。
因此, 根据不同条件下HEC-RAS推求的河道水面线成果, 建议在河道治理过程中常水位以下不同水深区域配置不同的水生植物群落, 常水位以上的河漫滩部分可以适当栽植耐水湿的灌木及部分水陆两栖植物, 临河道岸边可零星栽植垂柳等常见滨水乔木。
5、 结论和建议
治理前兴洲河路南营段河道局部淤积严重, 大部分河段会发生洪水漫堤的现象;采用河道清淤、设置护堤坝和生态护岸措施, 同时进行湿地恢复、河岸绿化等工程的建设, 能够达到河道生态治理的良好效果。
采用HEC-RAS软件进行水面线计算的结果显示, 治理前, 随着河底纵坡的变化, 水深忽高忽低, 水面线变化不平稳, 水流流速急剧变化;与治理前比较, 治理后的水面线更加平缓, 水深变化平稳。采用河道清淤、生态护岸等措施进行河道生态治理后, 在10年一遇洪水条件下, 能够防治或者缓解洪水对两岸的威胁。
在河道治理过程中滨水植物的选择和配置, 建议参考不同条件下HEC-RAS推求的河道水面线成果, 做到常水位以下不同水深区域栽植不同的水生植物群落, 如30 cm以内水深区域栽植菖蒲、30~90 cm水深区域栽植芦苇和莕菜等, 常水位以上的河漫滩部分适当栽植耐水湿的灌木及部分水陆两栖植物, 如水葱、千屈菜、女贞 (Ligustrum lucidum) 等, 临河道岸边零星栽植常见滨水乔木, 如垂柳等。
参考文献：
[1]刘瑛, 高甲荣.土壤生物工程技术在河流生态修复中的应用[M].北京:中国林业出版社, 2012:152-158.
[2]孙熙, 黄秋风.HEC-RAS在河道治理工程中的应用[J].河南水利与南水北调, 2013 (10) :21-22.
[3]刘洋, 孙晓英, 王俊英, 等.HEC RAS及SOSEK RURAL软件推算山区天然河道水面线[J].北京水务, 2008 (6) :43-45.
[4]丰小玲.HEC-RAS在防洪规划工程中的应用[J].水利与建筑工程学报, 2015 (1) :202-204.
[5]刘慧博, 高二鹏, 王冰洁, 等.不同植物边坡的糙率系数和水力学特征参数[J].水土保持通报, 2015, 35 (4) :64-68.
[6]张秉文.天然河道糙率计算及取值方法[J].南水北调与水利科技, 2012 (1) :25-28.
[7]蒋昕怡.西溪国家湿地公园驳岸调查研究[D].杭州:浙江大学, 2016:46-47.
[8]崔莺.基于生态学特性的人工湿地植物的选择与配置研究[D].福州:福建农林大学, 2013:22.
[9]袁桂香, 吴爱平, 葛大兵, 等.不同水深梯度对4种挺水植物生长繁殖的影响[J].环境科学学报, 2011, 31 (12) :2690-2697.、
[10]张群.水位梯度对千屈菜 (Lythrum salicaria) 生长、繁殖及园艺性状的影响研究[D].重庆:西南农业大学, 2005:32.
