水面线推求法在辽河河道治理中的应用研究

杨 志

(盘锦市兴隆台区农业和水利服务中心，辽宁 盘锦 124010)

1 基于水面推求法的辽河河道治理研究

在河道治理过程中，推求河道水面线是一项基础但又十分重要的环节[1-3]。研究对于辽河河道的治理也采用水面推求法。对于河道水面线的计算，现今已有很多软件可以使用。在辽河河道治理过程中，研究采用HEC-RAS软件、天然河道水面线系统V2008软件、SOBEK软件这三个软件进行辽河河道水面线计算。以上三种软件均采用恒定非均匀流公式计算河道水面线，如式(1)所示。

(1)

式中：ZU、ZD分别为上游和下游的断面水位，m；a为动能修正系数；ξ为局部阻力系数；VU、VD分别为上游和下游的断面流速，m/s；ΔS表示上游与下游断面之后的距离，m；Q为设计流量，m3/s；KU、KD分别为上游和下游断面的流量模数；K为流量模数；A为过水断面面积，m2；R为过水断面水力半径，m；n为河床糙率。伯努利能量守恒定律是该数学式的理论依据，即通过下游断面向上游推算水位，所取河段不同流量对应的不同水位值。根据辽河河道需要治理河段的实际情况，利用上述三个软件，推求出该河道的实际水面线。通过该实际水面线判断河道中存在的问题，并设计符合实际情况的治理方案。在设计方案中，纵坡设计的设计原则是，尽量保持河道现状纵坡。现状河道底高程线也可以利用HEC-RAS软件、天然河道水面线系统V2008软件、SOBEK软件这三个软件推求而来。当设计河道底高程线高于现状河道底高程线时，需要进行回填处理。为了减少施工工程量，设计中尽量不出现设计河道底高程线高于现状河道底高程线的情况。其设计图应如图1所示。

由图1可知，设计河道高程线走势趋于现状河道高程线，且满足较小工程量这一要求。在整个设计方案中，除了对纵坡设计十分重要之外，还需要根据河道实际情况确定水位壅高值和堤顶超高值相应数值，其计算公式分别如式(2)、式(3)所示。

(2)

式中：ΔZ为河道桥梁下水位壅高，m；η为系数；V为桥梁下平均流速，m/s；V0为天然状态下桥梁下全断面平均流速，m/s。

(3)

式中：Y为河道堤顶超高，m；R为波浪爬高，m；e为风壅增水高度，m；A为安全加高，m；Rp为河道累计频率为p的波浪爬高，m；KΔ为斜坡糙率和渗透系数；KV为经验系数；Kp为爬高累计频率换算系数；m为斜坡坡率，%；H为堤前波浪的平均高度，m；L为波长，m。根据河道治理河段的实际情况完成上述设计内容后，推求出该河道设计水面线。设计河道底高程线、设计水面线、设计堤顶线如图2所示。在对辽河河道治理过程中，根据软件推求出的实际水面线设计治理方案，将设计河道底高程线、设计水面线、设计堤顶线等作为治理过程中的理论目标。

2 水面推求法在辽河治理的实际治理效果分析

为了对水面推求法在辽河的实际治理效果进行分析，研究以辽河河道实地勘察测量数据为基础，利用HEC-RAS软件、天然河道水面线系统V2008软件、SOBEK软件推求出辽河河道现状河底高程线和现状水面线。并在推求出的现状河底高程线和现状水面线的基础上设计治理方案。其中三种软件对辽河河道现状河底高程线和现状水面线的推求结果如图3所示。

图3 三种软件推求结果高程线与水面线对比

图3(a)为三种软件推求出的辽河河道现状河底高程线对比图。由图3(a)可得，天然河道水面系统V2008软件混合HEC-RAS软件得到的河道现状河底高程图结果大致相同，且HEC-RAS软件推求出的河底高程线总体高于天然河道水面系统V2008软件，其中，在桩号为0时，河底高程为74.8 m，在桩号为4500时，河底高程为58.8 m。

此外，还从图3(a)中发现，通过SOBEK软件计算所得数值远小于另外两种软件所得，且其中有个别桩号出现差异较大的情况，即桩号2400、3100、3400、4100处的河底高程数据。图3(b)为三种软件推求出的辽河河道现状水面线对比图。由图3(b)可得，HEC-RAS软件推求出的水面线相较于另外两个软件更为稳定，且其在桩号为0和桩号为4500时的水面线高程分别为77.8 m和63.7 m。此外，从图3(b)还可看出，天然河道水面线系统V2008软件与SOBEK软件现状水面线上多次出现多个水位基本持平的平台。其中包括桩号500～1000、1400～1800、2100～2500、2600～3200处的河段。结合实际情况分析，桩号对应的河段处水位不会出现持平状态，水位线数据不可取。结合上述结果，可以发现三种软件得到的水面线相差不大，只在部分桩号位置存在较大差异。为了对另外两个软件在推求水面线出现异常的原因进行分析研究，在另外两个软件推求中出现问题的桩号处进行实地情况分析，其具体情况如图4所示。

图4 出现问题的桩号处实地情况

图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)分别为桩号为2400、3100、3400以及4100处河道的横断面图。通过图3和图4可以分析得出，两个软件出现推求失误的原因为，两个软件用于计算时未采用相应河道段中心处附近的海拔最低点，而是采用断面最低点，当测量数据中存在无效点或该点是特殊点时，使用该方法会出现计算误差，即该处的河底高程不予采用。通过对现状河底高程线与现状水面线的数据筛选处理，利用公式推算出设计河道底高程、设计水位、设计堤顶。具体数据如表1所示。

表1 辽河河道设计河道底高程、水位、堤顶 m

表1为针对辽河河道实际情况，设计出用于治理该河道的河底高程、水位、堤顶高程以及部分防浪墙的理论数值。其中，河道底高程由桩号为0时的59.99 m升至桩号为5000时的75.77 m；设计水位由桩号为0时的61.33 m升至桩号为5000时的76.82 m；设计堤顶由桩号为0时的63.12 m升至桩号为5000时的77.29 m。在对辽河河道进行治理的过程中，将依据上述理论数值，对治理行动做出合理安排。研究为了对基于该数值的治理行动的具体效果进行分析，邀请相关专家在不同时期对治理后的生态环境指标、经济发展指标、安全保障指标以及洪水灾害指标进行评分，专家对治理效果的评分结果如图5所示。评分满分为10分。

图5 专家对辽河治理效果的评分情况

图5(a)为生态环境指标和经济发展指标评分情况，由图5(a)可得，随着时间的增长，生态环境指标和经济发展指标评分均呈增长趋势。且经过三个月后，专家对生态环境指标和经济发展指标的评分结果分别为8.3分和8.2分。图5(b)为安全保障指标和洪水灾害指标评分情况，由图5(b)可得，随着时间的增长，生态环境指标和经济发展指标评分也呈增长趋势。且经过3个月后，专家对生态环境指标和经济发展指标的评分结果分别为9.2分和9.1分。上述结果说明，研究提出的辽河治理方案具有良好的治理效果。

3 结 论

为提高如今辽河河道治理的治理效果，研究利用水面线推求法对辽河的河道底高程、设计水位、设计堤顶进行计算求解，进而提出一种治理策略。将研究提出的辽河治理方法应用于实际中，通过专家评分来对其效果进行评价发现，三个月后专家对生态环境指标和经济发展指标的评分结果分别为8.3分和8.2分。此外，三个月后专家对生态环境指标和经济发展指标的评分结果分别为9.2分和9.1分。上述结果说明，研究提出的基于水面线推求法的辽河河道治理策略对辽河河道有较好的治理效果。后续研究中应将推求水面线部分更加细化，使其与实际的联系更加紧密。