不同清障方案下辽河平原复杂套堤过洪影响分析

崔 巍

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

1 基本情况

辽河全河套堤共194处，总长553.874km，涉及辽河沿岸的13个县区、1个国营农场[1]。辽河上的的套堤大致可以分为三种类型：第一种是保护居民和农业设施、耕地等，这也是最为普遍的一种套堤；第二种是用作河道管理路；第三种是沿河支渠、泵站等导水堤[2]。辽河石佛寺回水末端至福德店段河道面积294.7km2，现有套堤54座，套堤内土地面积42km2，占河道面积的14%。套堤堤高较小，一般不超过1.5m，且套堤横向宽度也较小，一般不超过400m，因此其阻水并不严重。辽河石佛寺坝下至盘山段河道面积555.3km2，现有套堤113座，套堤内土地面积34.50万亩，占河道面积的41%。套堤堤高一般均大于1.5m，个别可达4.0～5.0m，横向宽度一般在700～1500m之间，阻水较严重。盘锦市区(大洼区、双台子区、兴隆台区、盘锦监狱)段河道面积53.7km2，现有套堤27座，套堤内土地面积17km2，占河道面积的31.7%，套堤堤高1～4m，横向宽度在200～1000m之间[3- 6]。辽河滩地均为辽河冲积而成，土地肥沃，农作物高产、稳产，是辽河两岸包括保护区在内的优良农田，各级政府和群众均非常重视河滩地内的农业生产。从20世纪五六十年代开始，辽河河滩地农业耕种便已形成规模，为保护农田免受洪涝灾害威胁，逐渐建设成大大小小的民堤和围堤。20世纪80年代末辽河整治时虽然大堤建设将套堤留在了河道内，并计划对其进行清除，但由于客观条件限制，当时并未实施[7- 11]。由于辽河套堤严重影响河道安全行洪，组织过数次针对河道内的清障行动。目前，部分清障工作基本实施完成，并沿1050线(辽河封育区以内)附近的套堤修建了辽河管理路，但1050线至大堤之间的套堤未有系统清除[12]。辽河干流洪水预警技术研究近些年来取得一定研究成果[13- 15]，但对于辽河套堤过洪影响研究成果还较少，为此本文设置不同工况，采用水力学模型对辽河套堤过洪影响进行分析，研究成果可以为辽河干流科学防汛减灾决策提供技术支撑。

2 计算方法

2.1 模型原理

套堤的过洪影响采用二维水动力学模型。二维水动力学模型计算原理依据的是描述水流运动的二维非恒定流方程组，共包括3个方程:水流连续性方程、水流沿x方向的动量方程及水流沿y方向的动量方程，形式如下:

(1)

(2)

(3)

式中，h—水深，m；ζ—水面高程，m；p、q—x、y方向的单宽流量，m/s；其中p=uh，q=vh，u、v分别—x、y方向上沿水深的平均流速，m/s；C—谢才系数；g—重力加速度，m/s2；f—风摩擦系数；V、Vx、Vy—风速及在x、y方向上的分量，m/s；Ω—柯氏力参数，s-1；Pa—大气压强，kg/(m/s2)；ρw—水的密度，kg/m3；S、Six、Si—源汇项及在x、y方向上的分量；τxx、τxy、τyy—有效剪切力分量。根据以上方程组，利用迭代法求解即可得到每一时刻在(x，y)处的水位、水深h以及x，y方向的流速u、v。

2.2 边界条件及计算参数

上边界条件采用石佛寺水库设计300年放流流量过程线，下边界条件采用福德店50年来水进行计算，河段主槽糙率取值为0.025，滩地糙率取值为0.075，洪水成果表见表1—2。

表1 石佛寺水库不同量级降水对应的洪水成果表

表2 福德店站不同量级降水对应的洪水成果表

3 套堤影响分析

3.1 水面线计算方案

20世纪80年代末，辽河整治建设堤防设计地形为套堤全部清除，石佛寺回水末端至福德店段农村段堤防建设防洪标准为20～30年一遇，铁岭市100年一遇，石佛寺坝下至盘山段堤防建设标准为20年一遇，盘锦市主城区段堤防建设标准50年一遇，新城区10～20年一遇。为分析辽河套堤对水面线的影响，本文分以下2种工况计算河段设计水面线进行比较:①全清障，即保留河道内管理路顺堤，改建管理路横堤，控制横堤路顶与滩面高差不大于0.5m，其余套堤全部清除。②现状地形，即保留套堤，套堤漫水而不溃决。

3.2套堤过洪影响分析

选取辽河L118至L124河段分别建立二维水力计算模型，河段长度16.6km，曲折系数1.23。本次只选取1个套堤(辽河右岸57～65#套堤组成的外围套堤)，长10.7km，套堤与大堤距离为400～1700m，平均距离约1200m。套堤位置如图1所示。

图1 辽河右岸57～65#套堤位置示意图

分别计算在流量为2500m3/s、3500m3/s和5250m3/s(设计流量)时套堤口门宽度分别为0、100、200、300、400、500、600、800条件下对套堤内外水位的影响。起点水位根据L118的设计水位流量关系取值，主槽糙率0.025，滩地糙率0.075。各断面在流量分别为2500m3/s、3500m3/s和5250m3/s时不同套堤口门宽度对河道断面水位的影响及套堤上游局部的水位影响如图2所示。

图2 各断面套堤及套堤上游局部过洪影响曲线

从各断面套堤及套堤上游局部过洪影响曲线中可以看出套堤过洪影响曲线在口门宽度为0～400m时较陡，400m以后变缓，说明当套堤口门宽度大于400m时，套堤对河道水位的影响变化很小，套堤对行洪的阻碍基本消除。

3.3 套堤简化处理方式

分别采用一维和二维水力学模型对不同套堤断面进行模拟试算，按照参数取值范围和影响因素对套堤进行简化处理，选取的河段流量设计值为5250m3/s，因此构建的水力学模型的流量采用值也为该流量值，辽河大堤初始计算断面的水位值为23.71m，河槽以及滩地的糙率值分别设置为0.025和0.075，各断面的水位首先采用二维水力学模型计算没有套堤情况下的水位模拟，在不改变边界条件的基础上采用一维水力学模型对其糙率进行调整，二维模型计算的成果结合套堤开口宽度进行复核，不同维度的水位复核差值要控制在±0.02m范围内，主槽和滩地复核后的一维模型糙率值变动范围分别在0.023～0.03及0.07～0.085之间，有套堤情况下的一维和二维水力学模型不同断面水位最后利用该值进行复核，并和不同维度之间的水位值进行复核对比，结果见表3。

表3 水面线复核及计算成果对比情况表

从复核对比结果可看出，计算的水面线在有套堤情况下一维模型要比二维模型高出的范围值为0.01～0.2m，基本属于较为合理的计算范围，且属于防洪安全层面的加高，因此本文对套堤处理方式下的一维水力学模型总体计算结果属于较为合理的。本文最终确定对套堤可计算简化的方式为：套堤过水断面的宽度为400m，除去堤防迎水范围内的堤防高程进行一定程度的加高到套堤顶部高程，此计算范围内的糙率设定值为0.01，若套堤距离堤防迎水层的间距在高于200m低于400m的范围内时，则将其计算水流过水断面的宽度设置为200m，若套堤距离堤防迎水测的距离低于200m，则设置的过水断面宽度可以为最低值。在堤防外侧的多个连接的套堤用最外侧套堤进行代替。

4 计算成果及分析

辽河河道内194座套堤虽然经过多次清障，使得其辽河封育范围内的主行洪河道基本畅通，但距离设计条件还有较为明显的不足。通过分析相比于全部进行清障条件下石佛寺水库回水末端到福德店水文站河段内水位还要高出设计水位的范围达到0～0.26m，套堤在这一河段内相对较少，福德店到兰家街段、兰家街至老山头段、通江口大桥及新调线桥上下游两侧主要分布现存的套，其对辽河总体行洪能力影响相对较弱，仅对其局部河段的行洪能力产生较为直接的影响。相比于全部进行清障的工况条件和现状地形条件下石佛寺水库坝下至盘山段水位相比于设计水位高出0.83m，且套堤也分布在该河段的两侧沿岸，是该河段防洪能力不能达到标准建设条件的主要影响因素，此外相比于全部进行清障工况和现状条件下盘锦市区段的设计水位值也较高，影响盘锦市区河段的行洪能力。主要河道堤防的行洪计算成果见表4。

表4 辽河套堤对各段河道水位影响统计表

5 结语

(1)相比于全部清障下石佛寺水库回水末端到福德店水文站区间河段现状条件下的设计水位高出范围在0～0.26m之间，但该河段套堤分布相对较少，行洪影响程度低，福德店、兰家街-老山头、通江口大桥及新调线桥上下游段内现存分布的套堤对局部河段行洪能力有所影响，但对辽河干流总体行洪能力影响相对较小。

(2)相比于全部清障下石佛寺水库坝下至盘山河段现状条件下的水位设计高出范围在0～0.83m之间，现存辽河干流大量套堤主要分布在该河段内，是该河段防洪标准不达标的主因。

(3)本文水力模型计算时，主槽和滩地糙率值采用均值，在后期研究中，还需要结合辽河干流套堤内河床进行复式糙率的分析，从而提高模型计算精度。